高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第3章-高頻功率放大器

第3章高頻功率放大器概述丙類高頻功率放大器的工作原理丙類高頻功率放大器的折線分析法丙類高頻功率放大器電路丙類倍頻器2021/5/911、使用高頻功率放大器（諧振功率放大器）的目的

放大高頻大信號(hào),使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足夠大的發(fā)射功率。2、高頻功率信號(hào)放大器使用中需要解決的兩個(gè)問(wèn)題①高效率輸出②高功率輸出A、諧振功率放大器與高頻小信號(hào)諧振放大器；B、諧振功率放大器與低頻功率放大器；C、諧振功率放大器與非諧振功率放大器。聯(lián)想對(duì)比：一、概述2021/5/92A、諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處相同之處：它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)，而且放大器的負(fù)載均為諧振回路。不同之處：為激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同；晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。icebtooictVBZ諧振功率放大器波形圖小信號(hào)諧振放大器波形圖icQebtooict2021/5/93B、高頻功率放大器與低頻功率放大器的異同共同之處：都要求輸出功率大和效率高。不同之處：工作頻率與相對(duì)頻寬不同；放大器的負(fù)載不同；放大器的工作狀態(tài)不同。2021/5/94工作狀態(tài)

甲類：工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)；輸入信號(hào)ui在整個(gè)周期都有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖。ICUCEOQiCtO優(yōu)點(diǎn)：無(wú)失真，波形好,；缺點(diǎn)：靜態(tài)IC較大，管耗大，效率低。轉(zhuǎn)換效率約為50%。2021/5/95

乙類：工作點(diǎn)設(shè)置在截止點(diǎn)上；晶體管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖。優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)IC=0，管耗小效率高。效率約為78.5%。缺點(diǎn)：輸出脈沖電流，波形嚴(yán)重失真。ICUCEOQiCtO2021/5/96ICUCEOQiCtO

甲乙類：工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)靠近截止點(diǎn)的位置；晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期，在輸入信號(hào)的大半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖。優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)IC

0，管耗小，效率高。效率約為50%<η<78.5%。缺點(diǎn)：嚴(yán)重失真。2021/5/97

丙類：工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)以內(nèi)；晶體管導(dǎo)通的時(shí)間小于半個(gè)周期，在輸入信號(hào)的小半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖。<優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)IC=0，管耗小，效率高。效率η>78.5%。缺點(diǎn)：輸出電流波形嚴(yán)重失真。2021/5/98

不同工作狀態(tài)時(shí)放大器的特點(diǎn)

工作狀態(tài)

半導(dǎo)通角

理想效率

負(fù)

載

應(yīng)

用

甲類

qc=180°

50%

電阻

低頻

乙類

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低頻，高頻

甲乙類

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低頻

丙類

qc＜90°

h＞78.5%

選頻回路

高頻

丁類

開(kāi)關(guān)狀態(tài)

90%~100%

選頻回路

高頻

工作狀態(tài)

功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。

諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路。其分析方法有圖解法和解析法。2021/5/99ECICEOuCEiCO??Q???Q?截止區(qū)飽和區(qū)2021/5/910C、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同共同之處:都要求輸出功率大和效率高。

諧振功率放大器通常用來(lái)放大窄帶高頻信號(hào)(信號(hào)的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(

c＜90

)，為了不失真的放大信號(hào)，它的負(fù)載必須是諧振回路。

非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無(wú)調(diào)諧負(fù)載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載。2021/5/911小結(jié)1.高頻功率放大器功能是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。2.高頻功率放大器分類高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分：

☆窄帶高頻功率放大器：通常以選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器；☆寬帶高頻功率放大器：輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。

2021/5/91213(諧振功率放大器)寬帶高頻功率放大器

分類：窄帶高頻功率放大器其放大信號(hào)的相對(duì)帶寬一般不超過(guò)10％，通常采用LC諧振回路作負(fù)載.其放大信號(hào)的相對(duì)帶寬一般可達(dá)30％，通常采用寬頻帶的傳輸線變壓器作負(fù)載。2021/5/9132021/5/9143.調(diào)諧功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。4.調(diào)諧功率放大器的分析方法工程上普遍采用近似的分析方法——折線法來(lái)分析其工作原理和工作狀態(tài)。1、輸出功率:放大器的負(fù)載得到的功率。2、效率:高頻輸出功率與直流電源提供功率的比值。即能量轉(zhuǎn)換的效率。3、功率增益:高頻輸出功率和信號(hào)輸入功率的比值。4、諧波抑制度:是對(duì)非線性高頻功率放大器而提出的，也就是諧波分量相對(duì)于基波分量越小越好。5.高頻功率放大器特點(diǎn)2021/5/915一、高頻功率放大器工作狀態(tài)的選擇3.2丙類高頻功率放大器的工作原理2021/5/9162θ2θ2θ甲類（θ＝180?）乙類（θ＝90?）丙類(θ<90?）諧振功率放大器通常工作于丙類。2021/5/917無(wú)論中間級(jí)還是輸出級(jí)電路都可以等效為：輸入回路、非線性器件和帶通濾波器。中間級(jí)放大輸出級(jí)放大二、丙類高頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2021/5/918諧振于輸入信號(hào)的頻率諧振功率放大器等效原理圖特點(diǎn)：①為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，流過(guò)晶體管的電流為失真的脈沖波形；（由Vbb保證發(fā)射結(jié)負(fù)偏置，工作在丙類）取出基波分量，獲得正弦電壓波形阻抗匹配②負(fù)載為諧振回路2021/5/919iC+uCE–+

uBE

iB-uc+三、丙類高頻功率放大器的工作原理uBEiC?VBB?UBZubiC?UbmICMgc2021/5/920icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax2021/5/921iC頻譜(2)集電極輸出電壓LC回路阻抗Rpicωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZVBBIcmaxuBEtibtictuCEuctVCCUcmUbmuBEic?-UBB?UBZubUbmgC2021/5/922各級(jí)電流、電壓波形

c

ciBmaxVBB

tuBE0UBZiB

t0

tiC0IC0

cICMVCCuc

tuCE0由LC回路的選頻(選基波)作用：（基波）2021/5/923iC+uCE–+

uBE

iB-uc+丙類高頻功放工作原理小結(jié)：設(shè)置VBB<UBZ

，使晶體管工作于丙類。(2)當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，可得集電極余弦電流脈沖。(3)將LC回路調(diào)諧在信號(hào)頻率上，就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。

諧振功放電路與小信號(hào)諧振放大器電路有何區(qū)別？2021/5/924調(diào)諧功放與小信號(hào)調(diào)諧放大器的比較類型實(shí)質(zhì)任務(wù)輸入信號(hào)幅度工作狀態(tài)性能指標(biāo)小信號(hào)調(diào)諧放大器能量轉(zhuǎn)換器—將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量輸出不失真地提高信號(hào)幅度

小

—

數(shù)量級(jí)甲類—線性工作狀態(tài)

電壓放大倍數(shù)，選頻特性等高頻調(diào)諧功率放大器在信號(hào)不失真或輕度失真的條件下提高輸出功率

大幾百

—V數(shù)量級(jí)丙類—非線性工作狀態(tài)輸出功率效率信號(hào)失真度等2021/5/925折線分析法：將晶體管的特性曲線理想化為折線再分析。一、晶體管特性曲線的理想化及其解析式1.轉(zhuǎn)移特性曲線（正向傳輸特性曲線)實(shí)際理想－稱為跨導(dǎo)－集電極電壓恒定時(shí)，集電極電流與基極電壓的關(guān)系曲線3.3丙類高頻功率放大器的折線分析法2021/5/9262.輸出特性曲線－是以基極電壓（或基極電流）為參量的集電極電流與集電極電壓的關(guān)系曲線。臨界飽和線放大區(qū)飽和區(qū)臨界線方程：為臨界線的斜率

理想化的輸出特性可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和截至區(qū)。①飽和區(qū)：近似認(rèn)為只受的控制，而與無(wú)關(guān)。理想的飽和臨界線為一條通過(guò)原點(diǎn)的斜線。斜率：②放大區(qū)：近似認(rèn)為與無(wú)關(guān)。各條曲線為平行于的水平線。對(duì)于等差的間隔應(yīng)該是相等的。2021/5/927二、集電極余弦電流脈沖的分解

當(dāng)

t

=

c

時(shí)，iC=0，則當(dāng)

t

=0時(shí)，iC=ICM

，則2021/5/928icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax2021/5/929直流分量分解系數(shù)

基波分量分解系數(shù)

n次諧波分量分解系數(shù)

2021/5/930－波形系數(shù)2021/5/931三、高頻功放的功率與效率2021/5/932

在的條件下甲類工作狀態(tài)：乙類工作狀態(tài)：丙類工作狀態(tài)：

導(dǎo)通角的選擇（1）Rp一定的條件下，θc=120o時(shí)輸出功率最大，但效率只有66%。（2）θc=1o～15o時(shí)，效率最高，但輸出功率很小。（3）在實(shí)際運(yùn)用中，為了兼顧高的輸出功率和高的集電極效率，諧振功率放大器導(dǎo)通角常取θc=60o～80o。2021/5/933例1

某諧振功率放大器的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。已知該放大器采用晶體管的參數(shù)為：fT150MHz，功率增益Ap13dB，管子允許通過(guò)的最大電流Icmax=3A，最大集電極功耗為Pcmax=5W。管子的VBZ=0.6V，放大器的負(fù)偏置VBB=1.4V，

c=70°，Vcc=24V，

=0.9，試計(jì)算放大器的各參數(shù)。1)根據(jù)圖可求得轉(zhuǎn)移特性的斜率gc2)求Vbm3)求icmax,Ic1,Ic02021/5/9344)求交流電壓振幅以及功率和效率5)激勵(lì)功率2021/5/935例1續(xù)某諧振功率放大器，VCC=24V，Po=5W，

c

=70o，

=0.9,求該功放的

c、

P=、Pc、ICM和回路諧振阻抗Rp。解：2021/5/9361.什么是靜態(tài)特性？沒(méi)有帶負(fù)載阻抗的條件下得到的的關(guān)系，是晶體管本身固有的。四、丙類高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性

2.什么是動(dòng)態(tài)特性？

是指在電源電壓(VCC和VBB)、晶體管(gc、UBZ)、輸入信號(hào)Ubm和輸出電壓Ucm（或諧振電阻Rp

）一定的條件下，集電極電流iC

=f(uBE,uCE)的關(guān)系稱為放大器的動(dòng)態(tài)特性。2021/5/937uBEiCgcUBZ3.動(dòng)態(tài)特性的表示形式2021/5/938表示動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率

故動(dòng)態(tài)特性的表示形式：

可見(jiàn)動(dòng)態(tài)特性為折線，而不是一條直線。2021/5/939U0?A?BVCC?UcmuCEmingd4.動(dòng)態(tài)特性的畫法(一）截距法（1）在輸出特性的軸上取截距為（2）通過(guò)B點(diǎn)作斜率為gd的直線交線于A點(diǎn)，則BA直線即為段的動(dòng)態(tài)特性在uCE軸上找出相應(yīng)的VCC點(diǎn)，

A點(diǎn)在uCE軸上投影為:?C(4)在uCE軸上選取得C點(diǎn)，BC直線即為段的動(dòng)態(tài)特性，則AB-BC為總動(dòng)態(tài)特性

0uCEiCubemaxube4ube3ube2ube12021/5/940(二）虛擬電流法(3)連接AQ交橫軸于B點(diǎn)（管子導(dǎo)通點(diǎn)）(4)在UCE軸上選取得C點(diǎn)，

則AB-BC為總動(dòng)態(tài)特性Q0uCEU0?A?BVCC?UcmuCEmingd?CiCubemaxube4ube3ube2ube1ABCQ(VCC,IQ)2021/5/941

5．高功放的三種工作狀態(tài)uCEωtQUcm1Ucm2Ucm3A1A2A3A3′M?iC欠壓狀態(tài)：

A點(diǎn)在線上，但是在放大區(qū)，輸出電壓幅度較小，iC為尖頂脈沖。

臨界狀態(tài)：A點(diǎn)在線和臨界飽和線的交點(diǎn)上，輸出電壓幅度較大，iC為尖頂脈沖。過(guò)壓狀態(tài)：A點(diǎn)在的延長(zhǎng)線上（實(shí)際上是不存在），進(jìn)入晶體管飽和區(qū)，輸出電壓幅度大，iC為凹頂脈沖B2B1B3VCCuCE臨界線0iCubemaxube4ube3ube2ube12021/5/942隨Rp增大，減小五、丙類高頻功率放大器的負(fù)載特性負(fù)載特性是指gc、UBZ、VCC

、VBB

、Ubm

不變時(shí)，改變諧振回路的諧振電阻Rp，放大器的輸出電流、電壓、功率和效率等隨RP變化的關(guān)系。1．什么是負(fù)載特性？2．負(fù)載特性的分析Q點(diǎn)，

不隨Rp變化而變化的，以Q點(diǎn)為參考點(diǎn)Q不變不變AVCCuCE臨界線0iCubemaxube4ube3ube2ube12021/5/943QAgdVCCiCuCEubemaxube3ube2ube1ube4臨界線OiCRp欠壓過(guò)壓Ic1mIc0UcmPcPoP=

c臨界狀態(tài):輸出功率最大,效率也較高，是功率放大器的最佳工作狀態(tài)，一般用于發(fā)射機(jī)的輸出級(jí)。欠壓狀態(tài)：輸出功率和效率都較低，Pc較大，Rp＝0，Pc最大，可能燒壞管子，應(yīng)避免。但輸出電流幾乎不隨Rp變化，放大器可視為恒流源。過(guò)壓狀態(tài)：在弱過(guò)壓區(qū)效率最高，而輸出功率下降不多，且Rp變化時(shí)，輸出電壓相對(duì)較平穩(wěn)，常用于發(fā)射機(jī)的中間級(jí)。臨界Rp欠壓過(guò)壓臨界2021/5/944六、各級(jí)電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響1．VCC

的影響Q點(diǎn)，

icuceubemaxube3ube2ube1ube4臨界線OA集電極調(diào)制特性（gc、UBZ、Rp

、VBB

、Ubm

不變）不變改變QVCCVCC欠壓過(guò)壓臨界IcoIc1mVcmP=VCC欠壓過(guò)壓臨界P0PCQVCCVCCQ注意：只有工作在過(guò)壓區(qū)才能有效地實(shí)現(xiàn)VCC對(duì)Ucm的控制作用，故集電極調(diào)幅電路應(yīng)工作在過(guò)壓區(qū)。

2021/5/9452．VBB

的影響（gc、UBZ、Rp

、Ubm

、VCC

不變）——Q點(diǎn)向上移動(dòng)ube2maxube3maxube1maxVccicuCE臨界線OQ1A1B1Q2A2B2A3B3Q3ict基極調(diào)制特性2021/5/946

進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，隨著VBB向正值方向增大，集電極脈沖電流的寬度和幅度也增大，但凹陷加深，結(jié)果使Ico、Icml增大得十分緩慢。

UcmIcoIcml臨界過(guò)壓欠壓UBBO

在欠壓狀態(tài)：Vbb自負(fù)值向正值方向增大時(shí)，集電極脈沖電流的幅度ICM和導(dǎo)通角θc增大，故Ico、Icml

隨VBB的增大而增大。注意：只有工作在欠壓區(qū)才能有效地實(shí)現(xiàn)VBB對(duì)Vcm的控制作用，故基極調(diào)幅電路應(yīng)工作在欠壓區(qū)。2021/5/947UcmIcmlIcoUbm過(guò)壓臨界欠壓O3．Ubm

的影響（gc、VBZ、RP

、VBB

、Vcc

不變）(1)當(dāng)諧振功率放大器作為線性功率放大器，放大器必須工作在欠壓狀態(tài)。(2)當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時(shí)，放大器必須工作在過(guò)壓狀態(tài)。2021/5/948七、諧振功放在臨界狀態(tài)的計(jì)算VCC?Vcm2021/5/949例1

已知晶體管諧振功率放大器工作于臨界狀態(tài)，晶體管的飽和臨界線斜率解：由于工作于臨界狀態(tài)，則有2021/5/9502021/5/951例2：某諧振功率放大器，

試求集電極電流最大值,輸出電壓振幅集電極效率,并判斷放大器工作于什么狀態(tài)。解：2021/5/9522021/5/953諧振功率放大器的管外電路由兩部分組成：直流饋電線路：匹配網(wǎng)絡(luò)（耦合網(wǎng)絡(luò)）：一、直流饋電電路集電極饋電電路基極饋電電路3.3諧振功率放大器電路給放大器提供合適的偏置；實(shí)現(xiàn)濾波選頻和阻抗變換。2021/5/954IcoVCCIc1CLIcn2021/5/955串聯(lián)饋電：并聯(lián)饋電：指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首尾相接。指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)聯(lián)接。(a)串饋(b)并饋2021/5/956(a)串饋(b)并饋高頻扼流圈：通直流阻交流

高頻旁路電容：通交流隔直流(隔直電容)cece-Uc+-Uc+-Uc+串饋：(1)a點(diǎn)為交流地,分布電容不影響回路的諧振頻率（優(yōu)點(diǎn)）(2)LC回路處于直流高電位，諧振元件不能直接接地。則L,C的安裝和調(diào)整不方便（缺點(diǎn)）a并饋：(1)L’

、C’并聯(lián)于回路，其分布參數(shù)直接影響諧振回路的調(diào)諧。（缺點(diǎn)）

（2）LC回路處于直流低電位，諧振元件能直接接地，安裝和調(diào)整方便。（優(yōu)點(diǎn)）2021/5/957串饋：晶體管、VBB

、輸入信號(hào)三者串聯(lián)聯(lián)接并饋：晶體管、VBB

、輸入信號(hào)三者并聯(lián)聯(lián)接+Ub-－+Ub2021/5/958CBLBLBLBCERBReVTVTVT（1）（2）（3）Ib0UBBIb0Ieo+UBB-（并饋）（并饋）（串饋）

在自給偏置電路中，當(dāng)輸入信號(hào)幅度加大時(shí)，iB增大，其直流分量Ib0也增大，反向偏壓隨之增大。這種偏置電壓隨輸入信號(hào)幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng)。通常采用自給偏壓的方式提供基極偏置。

優(yōu)點(diǎn)：這種電路能自動(dòng)維持放大器的工作穩(wěn)定2021/5/959功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)RLRSuSRiRp二、匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：級(jí)間耦合匹配網(wǎng)絡(luò)：用于信號(hào)源與功率放大器之間，作用是信號(hào)源輸出阻抗與放大器輸入阻抗之間的匹配，以使信號(hào)源的功率有效的加到高功放的發(fā)射結(jié)上。用于功率放大器與負(fù)載之間，作用是將負(fù)載變換為功率放大器工作狀態(tài)所需的最佳負(fù)載電阻Rp。用于兩級(jí)功率放大器之間，實(shí)現(xiàn)本級(jí)功放的輸出阻抗與下級(jí)放大器的輸入阻抗之間的匹配。2021/5/9601.L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)電路在工作頻率上達(dá)到并聯(lián)諧振，即（1）低阻變高阻型LCRL應(yīng)用中，根據(jù)阻抗匹配要求確定Q，即這三種匹配網(wǎng)絡(luò)都可采用L和C組成的L型、T型、或型這樣的網(wǎng)絡(luò)及由它們組成的混合網(wǎng)絡(luò)。2021/5/961例1已知某諧振功放的f=50MHz，RL=10

，所需的匹配負(fù)載為RP=200

，試確定L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。解：=139nH=146nH應(yīng)采用低阻變高阻型L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)設(shè)計(jì)如下2021/5/962（2）高阻變低阻型CRLL電路在工作頻率上達(dá)到串聯(lián)諧振，即Q根據(jù)阻抗匹配要求確定，即1.L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)在RL和R’L相差不大時(shí)，Q只能很小，會(huì)使濾波性能很差這時(shí)可采用

型或T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。