《高頻電子線路簡明教程》課件3

第三章高頻諧振放大器第一節(jié)晶體三極管高頻等效電路第二節(jié)高頻小信號放大器第三節(jié)高頻功率放大器原理第四節(jié)高頻功放的外部特性第五節(jié)高頻功率放大器實(shí)際線路第六節(jié)高頻集成功率放大器簡介思考題與練習(xí)題

Cb’c

為集電結(jié)電容，也有參考書用Cπ

表示，約為2~10pF；gm為跨導(dǎo)，反映Ub’e

對輸出電流ic的控制能力，約為幾十mS。把圖3-1(a)接成共射接法就得到晶體管共發(fā)射極混合π型等效電路，如圖3-1(b)所示。如果三極管工作頻率較低時，圖中各電容均看作開路，即可簡化為微變等效電路，如圖3-1(c)所示。

圖3-1(b)中rb’c和Cb’c把輸出回路和輸入回路連接起來了，必須通過解聯(lián)立方程式才能求出輸出電壓和電流，不便于分析；混合π型等效電路中各參數(shù)隨器件的不同有不少的差異。但是，各參數(shù)物理意義明確，在較寬的頻率范圍內(nèi)，參數(shù)值基本不隨頻率改變，適用于分析寬頻帶小信號放大器。圖3-1晶體管高頻混合π型等效電路二、Y參數(shù)等效電路

Y參數(shù)等效電路是將晶體管看作一個有源線性二端口網(wǎng)絡(luò)，用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)構(gòu)成等效電路，如圖3-2所示。圖3-2

Y參數(shù)等效電路由圖可見：

其中，Yie為輸出端交流短路時的輸入導(dǎo)納，

Yre為輸入端交流短路時的反向傳輸導(dǎo)納，

Yfe為輸出端交流短路時的正向傳輸導(dǎo)納，

(3-1);;;

。

由此可見，Y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓、電流值有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)，是頻率的復(fù)函數(shù)。當(dāng)放大器工作在窄帶時，Y參數(shù)變化不大，可以將Y參數(shù)看作常數(shù)；當(dāng)放大器工作在寬帶時，不能將Y參數(shù)看作常數(shù)。需要注意的是，手冊中給出的Y參數(shù)是在一定工作條件下的值。(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)

第二節(jié)高頻小信號放大器

一、高頻小信號放大器的主要性能指標(biāo)

1)增益

為了提高放大微弱信號的能力，要求高頻小信號具有足夠的電壓放大倍數(shù)或功率放大倍數(shù)。電壓放大倍數(shù)Au的定義為

式中：Uo為放大器輸出電壓振幅度，Ui為放大器輸入電壓振幅度。功率放大倍數(shù)是指輸出功率Po

與輸入功率Po

之比，記為Ap。即(3-6)

放大倍數(shù)常用dB（分貝）來表示，稱為增益，定義如下：

用于各種接收機(jī)中的中頻放大器，其電壓放大倍數(shù)可達(dá)到104~105，即電壓增益為80~100dB。放大器工作頻率的改變，放大器的放大倍數(shù)將發(fā)生變化，再考慮到放大器(3-7)(3-8)(3-9)的穩(wěn)定性，單級放大器的放大倍數(shù)一般設(shè)計在10~30dB，因此放大器通常要靠多級級聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)。

2)通頻帶和選擇性

高頻小信號放大器一般放大的是具有一定帶寬的信號，因此要求放大器的帶寬應(yīng)大于或等于待放大的信號帶寬，以便讓信號中各頻率分量都能得到均勻的放大。如圖3-3所示，放大器的帶寬B0.707定義為：放大器的電壓增益下降到最大值的0.707處所對應(yīng)的頻率范圍。圖3-3放大器的選擇性在放大有用信號的同時，還必須對帶寬以外的信號進(jìn)行抑制，放大器理想的頻率選擇性應(yīng)如圖3-3中高度為１、寬度為B0.707的矩形虛線所示：在帶寬內(nèi)放大倍數(shù)與頻率無關(guān)，即帶寬內(nèi)不同頻率的信號得到相同的放大；帶寬以外的信號放大倍數(shù)為零，即帶寬以外的所有無用信號得到全部抑制。但實(shí)際上的放大器頻率響應(yīng)不可能是矩形，如圖中的實(shí)線所示，由此可見，實(shí)際曲線越接近矩形，放大器的頻率響應(yīng)越理想，為了衡量實(shí)際曲線接近矩形的程度，一般采用矩形系數(shù)來評價，它定義為(3-10)式中：B0.707就是3dB帶寬，而B0.1

是曲線下降到最大值的0.1倍所對應(yīng)的頻帶寬度。理想矩形時，

B0.707=B0.1，矩形系數(shù)K0.1

=１。因此，實(shí)際的矩形系數(shù)K0.1

總是大于１，K0.1越接近于１越好。

3)噪聲系數(shù)NF

在接收機(jī)中，小信號放大器位于接收機(jī)的前端。由第二章的討論可知，接收機(jī)的靈敏度主要取決于前端電路。因此要求放大器的內(nèi)部噪聲要?。悍糯笃鞅旧淼脑肼曉降停邮瘴⑷跣盘柕哪芰驮綇?qiáng)。4)穩(wěn)定性

當(dāng)外部因素如溫度、電源電壓等變化時，放大器的特性不應(yīng)發(fā)生變化，這就要求設(shè)計高頻小信號放大器時應(yīng)采取措施保證放大器的工作穩(wěn)定性，即模擬電子技術(shù)中已經(jīng)介紹過的穩(wěn)定工作點(diǎn)措施。需要特別指出的是，高頻小信號放大器放大的信號頻率較高，在圖3-1所示的電路中Cπ

呈現(xiàn)的阻抗較小，晶體管內(nèi)部的反饋和寄生反饋較強(qiáng)，高頻應(yīng)用時很容易自激，因此需要采取其他措施來保證放大器在頻率較高時能穩(wěn)定工作。二、高頻小信號諧振放大器的工作原理

圖3-4(a)是一典型的高頻小信號諧振放大器的實(shí)際線路。其直流偏置電路與低頻放大器的電路完全相同，只是電容CB、CE對高頻旁路，它們的電容值比低頻小信號放大器中小得多。為了得到較大的放大量，一般采用共射極電路。抽頭諧振回路作為晶體管放大器負(fù)載，完成阻抗匹配和選頻濾波功能。由于輸入的是高頻小信號，放大器工作在甲類狀態(tài)。諧振回路對信號頻率諧振，即ω0＝ω。對信號頻率ω，它呈現(xiàn)大阻抗，對其他頻率呈現(xiàn)的阻抗很小，因而使信號頻率的電壓得到放大，其他頻率信號受到抑制。圖3-4(b)是它的交流等效電路。圖3-4高頻小信號諧振放大器

(3-11)(3-12)圖3-5高頻小信號放大器的高頻等效電路

(3-13)(3-14)(3-15)

(3-16)(3-17)式中，第一項(xiàng)為晶體管的輸入導(dǎo)納，第二項(xiàng)為考慮Yre時輸出負(fù)載導(dǎo)納對輸入導(dǎo)納的影響。

3)輸出導(dǎo)納Yo

放大器的輸出導(dǎo)納就是考慮信號源內(nèi)部導(dǎo)納時輸出端呈現(xiàn)的導(dǎo)納，即

式中，第一項(xiàng)為晶體管的輸出導(dǎo)納，第二項(xiàng)也與Yre有關(guān)。

(3-18)

4)穩(wěn)定性

前面已經(jīng)講過，在高頻小信號諧振放大器中，由于晶體管集基間電容Cb’c

（混π網(wǎng)絡(luò)中）的反饋，也就是通過等效電路中反向傳輸導(dǎo)納Yre的反饋，使放大器容易自激，即存在著工作不穩(wěn)定的問題。

由式(3-17)可知，如果令Yre=0，則放大器的輸入導(dǎo)納即為晶體管的輸入導(dǎo)納。但考慮Yre時，它將輸出信號反饋到輸入端，如果這個反饋在某個頻率相位上滿足正反饋條件，且足夠大，則會在滿足條件的頻率上產(chǎn)生自激振蕩。即式(3-17)中，如果Yre達(dá)到一定程度，Yi的實(shí)部將出現(xiàn)負(fù)數(shù)，這即使沒有輸入信號，放大器也將有輸出，形成了振蕩，放大器產(chǎn)生了自激現(xiàn)象。為了提高放大器的穩(wěn)定性，通常從兩個方面入手。一是從晶體管本身想辦法，減小其反向傳輸導(dǎo)納Yre。Yre的大小主要取決于Cb’c，選擇管子時盡可能選擇Cb’c

小的管子，使其容抗增大，反饋?zhàn)饔脺p弱。二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有失配法和中和法。

高頻放大器的增益雖然是重要指標(biāo)，但這只是在放大器穩(wěn)定工作時才有意義。為了保證穩(wěn)定工作，一個有效的方法就是適當(dāng)降低放大器的電壓增益。而降低增益的有效方法就是使電路失配，這樣輸出電壓相應(yīng)減小，從而使輸出端反饋到輸入端的電流減小，這就是失配法?？梢姡浞ㄊ且誀奚鲆鎭頁Q取電路的穩(wěn)定，失配法電路如圖3-6所示。圖3-6失配電路

圖3-7中和電路由于Yre是隨頻率而變化的，所以固定的中和電容Cn

只能在某一個頻率點(diǎn)起到完全中和的作用，對其他頻率只能有部分中和作用。又因?yàn)閅re是一個復(fù)數(shù)，中和電路應(yīng)該是一個由電阻和電容組成的電路，但這給調(diào)試增加了困難。另外，如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，則中和電路的效果是很有限的。三、高頻集成放大器

高頻集成放大器有兩類：一種是非選頻的高頻集成放大器，主要用于某些不需有選頻功能的設(shè)備中，通常以電阻或?qū)拵Ц哳l變壓器作負(fù)載；另一種是選頻放大器，用于需要有選頻功能的場合，如接收機(jī)的中放就是它的典型應(yīng)用。

為滿足高增益放大器的選頻要求，集成選頻放大器一般采用集中濾波器作為選頻電路，如晶體濾波器、陶瓷濾波器或聲表面波濾波器等。當(dāng)然，它們只適用于固定頻率的選頻放大器。這種放大器也稱為集中選頻放大器。圖3-8是集中選頻放大器的組成示意圖。圖3-8(a)中，集中選頻濾波器接于寬帶集成放大器的后面，這是一種常用的接法。這種接法要注意的問題是使集成放大器與集中濾波器之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這有兩重意義：從集成放大器輸出看，阻抗匹配表示放大器有較大的功率增益；從濾波器輸入端看，要求信號源的阻抗與濾波器的輸入阻抗相等而匹配（在濾波器的另一端也是一樣），這是因?yàn)闉V波器的頻率特性依賴于兩端的源阻抗與負(fù)載阻抗，只有當(dāng)兩端所接阻抗等于要求的阻抗時，方能得到預(yù)期的頻率特性。當(dāng)集成放大器的輸出阻抗與濾波器輸入阻抗不相等時，應(yīng)在兩者間

加阻抗轉(zhuǎn)換電路。通常可用高頻寬帶變壓器進(jìn)行阻抗變換，也可以用低Q的振蕩回路。采用振蕩回路時，應(yīng)使回路帶寬大于濾波器帶寬，使放大器的頻率特性只由濾波器決定。通常集成放大器的輸出阻抗較低，實(shí)現(xiàn)阻抗變換沒有什么困難。

圖3-8(b)是另一種接法。集中濾波器放在寬帶集成放大器的前面。這種接法的好處是，當(dāng)所需放大信號的頻帶以外有強(qiáng)的干擾信號（在接收中放時常用這種情況）時，不會直接進(jìn)入集成放大器，避免此干擾信號因放大器的非線性（放大器在大信號時總是有非線性）而產(chǎn)生新的不需要干擾。有些集中濾波器，如聲表面波濾波器，本身有較大的衰減（可達(dá)十多分貝），放在集成放大器之前，將有用信號減弱，從而使集成放大器中的噪聲對信號的影響加大，使整個放大器的噪聲性能變差。為此，如圖3-8(b)，常在濾波器之前加一前置放大器，以補(bǔ)償濾波器的衰減。圖3-8集中選頻放大器組成框圖圖3-9示出了MiniCircuits公司生產(chǎn)的一低噪聲、高動態(tài)范圍的集成放大器PGA-106-75+的應(yīng)用電路。由圖可見，PGA-106-75+有四個引腳：兩個接地腳。一個輸入腳及一個輸出腳，輸出腳需要外加偏置電路，應(yīng)用非常簡單。PGA-106-75+主要指標(biāo)見表3-1。圖3-9集成選頻放大器應(yīng)用舉例表3-1

PGA-106-75+主要性能指標(biāo)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多寬帶集成運(yùn)算放大器，表3-2列出了AD公司生產(chǎn)的一些產(chǎn)品。表3-2

AD公司生產(chǎn)的寬帶集成運(yùn)算放大器簡介

第三節(jié)高頻功率放大器原理

一、工作原理

圖3-10是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管、諧振回路和輸入回路組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN

高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率fT。晶體管作為一個電流控制器件，它在較小的激勵信號電壓作用下，形成基極電流ib，ib控制了較大的集電極電流ic，ic流過諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源供給的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的功能。為了使高頻功放高效輸出大功率，一般選在丙類狀態(tài)下工作，這時的集電極電流ic是一系列高頻脈沖電流；此時，高頻功放要求的最佳負(fù)載阻抗也是一定的。為了保證在丙類狀態(tài)工作，基極偏置電壓UBB應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，發(fā)射結(jié)在正向和反向兩種偏置狀態(tài)之間變化，因此UBB一般為負(fù)值，即靜態(tài)時發(fā)射結(jié)為反偏。因此，當(dāng)輸入激勵信號電壓較小時，高頻功率放大器將始終處于截止?fàn)顟B(tài)，高頻功放將不能正常工作，所以高頻功放的輸入激勵信號電壓必須為大信號，一般在0.5V以上（可達(dá)1~2V，甚至更大），這樣使晶體管在截止和導(dǎo)通（線性放大）兩種狀態(tài)下工作，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號。圖3-10晶體管高頻功率放大器的原理線路由圖3-10可見，與低頻功放不同，高頻功放選用諧振回路作負(fù)載，完成阻抗匹配和濾波的作用。阻抗匹配是通過諧振回路阻抗的調(diào)節(jié)，使諧振回路呈現(xiàn)高頻功放所要求的最佳負(fù)載阻抗值，從而使高頻功放以高效率輸出大功率。由于集電極電流是周期性的高頻脈沖，其頻率分量除了有用分量（基波分量）外，還有諧波分量和其他頻率成分，用諧振回路選出有用分量，將其他分量濾除，這就是諧振回路的濾波功能。

要了解高頻功放的原理，必須了解晶體管的電流、電壓波形對應(yīng)關(guān)系。由圖3-10可知，基極回路電壓ube：

在丙類工作時，UBB通常為負(fù)值（若考慮門限電壓U’BB的影響，也可為零值或小的正值）。

如果高頻功放的工作頻率遠(yuǎn)低于晶體管的特征頻率fT，則可以忽略晶體管的極間電容、引線電感等高頻效應(yīng)，近似認(rèn)為晶體管在工作頻率下只呈現(xiàn)非線性電阻特性。另外，考慮到高頻功放的輸入激勵信號較大，晶體管將工作在導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)。晶體管在大信號工作時，其輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線可以折線化近似。圖3-11畫出了折線化近似的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。

(3-19)圖3-11晶體管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性由式(3-19)及晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線，可以得到晶體管的輸出電流ic，如圖3-12所示。圖3-12輸出電流ic

波形由圖3-12可見，高頻功率放大器中集電極電流為脈沖電流，其最大值icmax與ube的最大值對應(yīng)，其電流流通角為２θ，小于π，通常將θ稱為通角。將余弦脈沖放大，重新畫圖，如圖3-13所示。圖3-13

ic余弦電流脈沖波形由圖3-13可得

ic是ωt的周期性函數(shù)，可以將其展開成傅里葉級數(shù)形式，ic可以寫成：

(3-20)(3-21)(3-22)

(3-23)(3-24)(3-25)(3-26)(3-27)

(3-28)

按圖3-10規(guī)定的電壓方向，集電極電壓為

圖3-14給出了ic、ic1、uc和uce的波形圖。由圖可以看出，當(dāng)集電極回路調(diào)諧時，icmax、ucemin是同一時刻出現(xiàn)的，這一點(diǎn)對理解晶體管如何轉(zhuǎn)換能量是很重要的。

根據(jù)集電極電流流通角θ的大小劃分功放的工作類別：當(dāng)θ=180°時，放大器工作于甲類；當(dāng)90°＜θ＜180°時為甲乙類；當(dāng)θ=90°時為乙類；θ＜90°時則為丙類。θ越小，ic

越集中在ucemin最小值附近，集電極損耗越小，效率越高。因此高頻功放，通常θ＜90°。(3-29)(3-30)圖3-14丙類高頻功放的電流、電壓波形二、高頻功放的能量關(guān)系

在集電極電路中，諧振回路得到的高頻功率為

集電極電源供給的直流輸入功率為

直流輸入功率與集電極輸出高頻功率之差就是集電極損耗功率Pc，即(3-31)(3-32)(3-33)它變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結(jié)中的熱能。表示能量轉(zhuǎn)換的一個重要參數(shù)就是集電極效率η：

從上式可見，集電極效率決定于兩個比值Ic1/Ic0和Uc/

Ucc的乘積。前者稱為波形系數(shù)：

后者稱為集電極電壓利用系數(shù)：(3-34)(3-35)(3-36)

(3-37)圖3-15余弦脈沖分解系數(shù)與θ的關(guān)系曲線

此激勵功率最后變?yōu)榘l(fā)射結(jié)和基區(qū)的熱損耗。

高頻功放的功率放大倍數(shù)為

用dB表示時：(3-38)(3-39)(3-40)它也稱為功率增益。

在高頻功放中，由于高頻大信號的電流放大倍數(shù)Ic1/Ib1和電壓放大倍數(shù)Uc/Ub都比小信號及低頻時小，故功率放大倍數(shù)也小，通常功率增益（與晶體管以及工作頻率有關(guān)）為十幾至二十幾分貝。

圖3-16高頻功放的動特性2)工作狀態(tài)

前面提到，要提高高頻功放的功率、效率，除了工作于B類、C類狀態(tài)外，還應(yīng)該提高電壓利用系數(shù)ξ＝Uc/UCC，也就是加大Uc，這是靠增加RL實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在討論Uc由小到大變化時，動特性曲線的變化。由圖3-16可以看出，在Uc不是很大時，晶體管只是在截止和放大區(qū)變化，集電極電流ic為余弦脈沖，而且在此區(qū)域內(nèi)Uc增加時，集電極電流ic基本不變，即Ic0、Ic1基本不變，所以輸出功率P1=UcIc1/2隨Uc增加而增加，而P0=UCCIc0基本不變，故η隨Uc增加而增加，這表明此時集電極電壓利用得不充分，這種工作狀態(tài)稱為欠壓狀態(tài)。當(dāng)Uc加大到接近UCC時，ucemin將小于ubemax，此瞬間不但發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正向偏置，即工作到飽和狀態(tài)，由于飽和區(qū)uce對ic的強(qiáng)烈反作用，電流ic隨uce的下降而迅速下降，動特性與飽和區(qū)的電流下降段重合，這就是為什么上述Ａ點(diǎn)進(jìn)入到飽和區(qū)時動特性曲線用臨界飽和線代替的原因。過壓狀態(tài)時ic為頂部出現(xiàn)凹陷的余弦脈沖，如圖3-17所示。通常將高頻功放的這種狀態(tài)稱為過壓狀態(tài)，這是高頻功放中所特有的一種狀態(tài)和特有的電流波形。出現(xiàn)這種狀態(tài)的原因是：振蕩回路上的電壓并不決定于ic的瞬時電流，使得在脈沖頂部期間，集電極電流迅速下降，只是采用電抗元件作負(fù)載時才有的情況。由于ic出現(xiàn)了凹陷，它相當(dāng)于一個余弦脈沖減去兩個小的余弦脈沖，因而可以預(yù)料，其基波分量Ic1和直流分量Ico都小于欠壓狀態(tài)的值，這意味著輸出功率P1將下降，直流輸入功率P0也將下降。圖3-17過壓狀態(tài)的ic波形當(dāng)Uc

介于欠壓和過壓狀態(tài)之間的某一值時，動特性曲線的上端正好位于電流下降線上，此狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)的集電極電流仍為余弦脈沖。與欠壓和過壓狀態(tài)比較，它既有較大的基波電流Ic1，也有較大的回路電壓Uc，所以晶體管的輸出功率P1最大，高頻功放一般工作在此狀態(tài)。保證這一狀態(tài)所需的集電極負(fù)載電阻RL稱為臨界電阻或最佳負(fù)載電阻，一般用RLcr表示。

由上述分析可知，高頻諧振功率放大器根據(jù)集電極電流是否進(jìn)入飽和區(qū)可以分為欠壓、臨界和過壓三種狀態(tài)，即如果滿足ucemin>uces時，功放工作在欠壓狀態(tài)；如果

ucemin=uces，功放工作在臨界狀態(tài)；如果ucemin<uces，功放工作在過壓狀態(tài)。臨界狀態(tài)下，晶體管的輸出功率P1最大，功放一般工作在此狀態(tài)。

例3-1設(shè)計一高頻功率放大器，要求輸出功率30w。選用高頻大功率管3DA77，已知此管的有關(guān)參數(shù)如下：UCC=24v，Sc=1.67S，集電極最大允許損耗PcM=50W，集電極最大允許電流IcM=5A。試計算集電極的電流、電壓以及功率、效率和臨界負(fù)載電阻。

解為了能以高效率輸出大功率，功放應(yīng)設(shè)計在臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)下的動態(tài)特性曲線如圖3-18所示。由圖可知：圖3-18臨界狀態(tài)動特性

由此式可解得臨界電壓利用系數(shù)：

輸出功率P1可以表示為

將式（3-42）代入，得(3-41)(3-42)解方程得

選擇通角θ＝75°，由式（3-26）、式（3-27）或者查余弦分解表，可得分解系數(shù)為α0（θ）＝0.29，α1（θ）＝0.455，γ＝1.69。將各參數(shù)代入式（3-43）有

其他電壓、電流計算如下：(3-43)

因icmax是瞬時電流，可以瞬時超過IcM。

臨界狀態(tài)的負(fù)載電阻：可見，大功率功放臨界負(fù)載電阻通常是很小的。

最后，高頻功放還有一個極限參數(shù)應(yīng)該考慮，即高頻功放工作時的最大集電極電壓不允許超過晶體管允許的集電極反向擊穿電壓。根據(jù)高頻功放的原理，集電極最大電壓為ucemax=UCC+Uc，近似為兩倍電源電壓，即ucemax≈2UCC，它應(yīng)小于集電極允許反向擊穿電壓BVce0。實(shí)際上由于高頻功放中存在著某些特殊現(xiàn)象，實(shí)際ucemax有時可能大于2UCC。還有，晶體管中還可能出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，因此，通常應(yīng)選晶體管的反向擊穿電壓大于（3~4）UCC才比較安全。

第四節(jié)高頻功放的外部特性

一、高頻功放的負(fù)載特性

負(fù)載特性是指當(dāng)偏置電壓UBB、UCC和基極激勵電壓Ub不變的條件下，負(fù)載電阻RL變化時，高頻功放電流Ic1、Ic0，電壓Uc

以及集電極功率P1、P0、Pc以及效率η變化的特性。

當(dāng)諧振回路諧振阻抗RL從小到大增加時，集電極回路的輸出電壓Uc=RLIc1要隨之變化。當(dāng)RL較小時，Uc比較小，此時高頻功放工作在欠壓狀態(tài)。動特性曲線如圖3-19中折線段ABC所示。在欠壓狀態(tài)時，UBB、Ub固定，ubemax不變，則θ、Icmax不變，Ic1、Ic0

不變，因此Uc隨RL的增加而線性增加。

當(dāng)RL增加到RL=RLcr時，使ucemax=UCC-Uc等于晶體管的飽和壓降uces時，放大器工作在臨界狀態(tài)，此時的集電極電流ic仍為一完整的余弦脈沖，與欠壓狀態(tài)時的ic基本相同。動特性曲線如圖中折線段A’BC’所示。

在臨界狀態(tài)下再增加RL，勢必會使Uc進(jìn)一步地增加，這樣會使晶體管在導(dǎo)通期間進(jìn)入到飽和區(qū)，從而使放大器工作在過壓狀態(tài)，此時圖3-19所示的動特性曲線最高點(diǎn)A’’進(jìn)入到飽和區(qū)，集電極電流ic出現(xiàn)凹頂。與欠壓以及臨界狀態(tài)相比，θ、icmax不變，但出現(xiàn)了凹陷，從而分解出的Ic1、Ic0迅速減小，Ic1的迅速減小又會減緩Uc的增加，因此在過壓狀態(tài)下RL增加，Uc

基本不變（略微有些增加）。圖3-19

RL變化時動特性曲線變化綜上所述，RL由小到大變化，在欠壓狀態(tài)，Ic1、Ic0基本不變，Uc隨RL增加近似為線性增加；在過壓狀態(tài)時，由于ic產(chǎn)生凹頂現(xiàn)象，RL

增加，凹陷越深，Ic1、Ic0

減小，但由于Uc=Ic1RL，這結(jié)果使得RL增加，Uc緩慢增加（或基本不變）。Ic1、Ic0、Uc隨RL的變化曲線如圖3-20（a）所示。根據(jù)功率與電流電壓之間的關(guān)系，可以得到圖3-20（b）所示的功率、效率隨RL的變化曲線。需要指出的是，圖3-20中曲線與上述討論有區(qū)別，但變化趨勢一致，這是因?yàn)樯鲜鲇懻撌窃谡劬€化近似三極管特性曲線后得到的。圖3-20高頻功放的負(fù)載特性由圖3-20的負(fù)載特性可以看出高頻功放各種狀態(tài)的特點(diǎn)：臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高，通常應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作，RLcr是一個重要參數(shù)；過壓狀態(tài)的特點(diǎn)是效率高、損耗小，并且輸出電壓受負(fù)載電阻RL的影響小；欠壓狀態(tài)由于效率低、集電極損耗大，一般不選擇在此狀態(tài)工作。在實(shí)際調(diào)整中，高頻功放可能會經(jīng)歷上述各種狀態(tài)，利用負(fù)載特性就可以正確判斷各種狀態(tài)，以便進(jìn)行正確的調(diào)整。例3-2高頻諧振功率放大器工作在臨界狀態(tài)，負(fù)載為并聯(lián)諧振回路，諧振電阻為RLcr，若

（１）負(fù)載突然開路，功率放大器工作在什么狀態(tài)？輸出功率如何變化？功率放大器有無危險？

（２）負(fù)載電阻為RLcr減小為原來的1/2，功率放大器工作在什么狀態(tài)？輸出功率如何變化？功率放大器有無危險？

（３）回路失諧，功率放大器工作在什么狀態(tài)，輸出功率如何變化？功率放大器有無危險？解根據(jù)高頻功放的負(fù)載特性可知：

（１）負(fù)載電阻增加，功放的工作狀態(tài)由臨界狀態(tài)向過壓狀態(tài)變化，在此過程中輸出功率將下降，集電極耗散功率也將下降，功率放大器不會損壞；

（２）負(fù)載電阻減小，功放的工作狀態(tài)由臨界狀態(tài)向欠壓狀態(tài)變化，在此過程中輸出功率將下降，集電極耗散功率將上升，功率放大器有可能損壞。

（３）并聯(lián)諧振回路失諧，由并聯(lián)諧振回路的幅頻特性可知，負(fù)載阻抗值將減小，因此功率放大器的變化同（２）。二、高頻功放的振幅特性

高頻功放的振幅特性是指當(dāng)UCC、UBB、RL保持不變，激勵信號振幅Ub變化時，放大器電流Ic0、Ic1，電壓Uc

以及功率、效率的變化特性。

在Ub較小時，功放工作在欠壓狀態(tài)。隨著Ub的增加，icmax增加，θ也略微增加，因此隨Ub的增加，Uc也將增加；但Ub大到一定程度，功放將工作到臨界狀態(tài)；隨Ub

的增加，ubemax增加，雖然icmax增加，但此時ic的波形將產(chǎn)生凹頂現(xiàn)象，從ic中分解出來的Ic0和Ic1隨Ub的增加略有增加。也可以這樣理解，在過壓狀態(tài)下，Ub增加，Uc應(yīng)該增加，但由于飽和區(qū)較窄，Uc只能略有增加，而RL

不變，因此Ic1隨Ub增加略有增加，Ic0也略有增加。圖3-21給出了Ic0、

Ic1隨Ub

變化的特性曲線。對Uc

而言，由于RL不變，因此其變化規(guī)律與Ic1相同。根據(jù)功率、效率與電流、電壓之間的關(guān)系，可以很容易地得出功率、效率隨Ub變化的特性曲線，讀者自行推導(dǎo)。圖3-21高頻功放的振幅特性從圖3-21可以看出，在欠壓區(qū)，Ic0、Ic1、Uc隨Ub

增加而增加，但并不一定是線性關(guān)系。而在放大振幅變化的高頻信號時，應(yīng)使輸出的高頻信號的振幅Uc與輸入的高頻激勵信號的振幅Ub成線性關(guān)系。為達(dá)到此目的，就必須使Uc與Ub

特性曲線為線性關(guān)系，這只有在θ=90°的乙類狀態(tài)下才能得到。在過壓區(qū)，Uc基本不隨Ub變化，可以認(rèn)為是恒壓區(qū)，放大振幅恒定的高頻信號時，應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作。

例3-3

（１）高頻諧振功率放大器放大振幅調(diào)制信號時，應(yīng)工作在什么狀態(tài)，為什么？

（２）高頻諧振功率放大器放大頻率調(diào)制信號時，應(yīng)工作在什么狀態(tài)，為什么？

解（１）高頻諧振功率放大器放大振幅調(diào)制信號時，由于輸入信號的幅度發(fā)生變化，輸出的信號幅度也應(yīng)該線性變化，這樣才不會產(chǎn)生失真，故根據(jù)振幅特性可知，功率放大器應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)，在欠壓狀態(tài)時輸出信號幅度與輸入信號幅度成線性關(guān)系。（２）高頻諧振功率放大器放大頻率調(diào)制信號時，此時輸出信號的幅度不發(fā)生變化，為了最大限度地輸出功率，此時功率放大器應(yīng)工作在臨界狀態(tài)；或者為了高效、輸出大功率，也可以工作在弱過壓狀態(tài)。上述情況下，輸出電壓幅度均不變。三、高頻功放的調(diào)制特性

１．集電極調(diào)制特性

集電極調(diào)制特性是指UBB、RL、Ub不變，改變UCC時，放大器電流Ic0和Ic1，電壓Uc以及功率、效率的變化特性。

圖3-18示出的臨界狀態(tài)動特性中，如果將UCC減小，可以看到動特性曲線將左移，功放工作到過壓狀態(tài)，ic從一完整的余弦脈沖變化到凹頂脈沖，UCC越小，ic凹陷越深，因此Ic0和Ic1將越?。蝗绻麍D3-18中UCC增大，動特性曲線將右移，ic脈沖不發(fā)生變化，Ic0、Ic1將不變。圖3-22（a）示出了UCC從小到大的變化過程中，集電極電流ic從凹頂脈沖變成穩(wěn)定的余弦脈沖；圖3-22（b）給出UCC變化過程中Ic0、Ic1

、UC的變化曲線。圖3-22高頻功放的集電極調(diào)制特性

２．基極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指UCC、RL、Ub不變，UBB變化時，放大器Ic0

、Ic1

、Uc以及功率、效率的變化特性。由于基極回路的電壓ube=UBB+Ubcoswt，UBB和Ub決定了放大器的ubemax，因此，改變UBB的情況與改變Ub的情況類似，不同的是UBB可能為負(fù)。圖3-23給出了高頻功放的基極調(diào)制特性。圖3-23高頻功放的基極調(diào)制特性在高頻功放中，要實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，就必須使輸出高頻信號振幅Uc與直流電壓成線性關(guān)系（或近似線性）。由前面的分析可見，在集電極調(diào)制特性中，應(yīng)選擇在過壓狀態(tài)工作；在基極調(diào)制特性中，則應(yīng)選擇在欠壓狀態(tài)工作。在直流電壓UCC（或UBB）上疊加一個較小的信號（調(diào)制信號），并使放大器工作在選定的工作狀態(tài)，這樣在放大器的輸出端，輸出信號的振幅就會隨調(diào)制信號的規(guī)律變化，從而完成了振幅調(diào)制，使功放和調(diào)制同時完成。

圖3-24高頻功放的調(diào)諧特性

例3-4功率放大器在負(fù)載諧振時工作在臨界狀態(tài)，負(fù)載為LC并聯(lián)諧振回路，如果由某種原因使負(fù)載失諧，問高頻功率放大器的工作狀態(tài)如何改變？此時應(yīng)用什么指示調(diào)諧？

解

LC并聯(lián)諧振回路不論是容性失諧，還是感性失諧，阻抗均將減小，根據(jù)功率放大器的負(fù)載特性可知，功率放大器失諧后將工作在欠壓狀態(tài)，輸出電壓將顯著減小，而電流變化不明顯，因此進(jìn)行調(diào)諧時用輸出電壓指示最好。輸出電壓值達(dá)到最大時，表明放大器諧振。第五節(jié)高頻功率放大器實(shí)際線路

一、直流饋電線路

１．集電極饋電線路

圖3-25是集電極的兩種形式的饋電線路：并聯(lián)饋電線路和串聯(lián)饋電線路。在圖3-25（a）中，從形式上看，晶體管、諧振回路和電源三者是串聯(lián)連接的，這使直流電壓和回路上的高頻電壓串聯(lián)加到晶體管的集電極上。集電極電流中的直流電流從UCC出發(fā)經(jīng)扼流圈LB和回路電感L流入集電極，然后經(jīng)發(fā)射極回到電源負(fù)端。通常不希望高頻電流流過電源，這是因?yàn)殡娫纯傆袃?nèi)阻，高頻電流流過電源會無謂地?fù)p耗功率，而且當(dāng)多級放大器共用電源時，會產(chǎn)生不希望的寄生反饋。為此要設(shè)置一些旁路電容和扼流圈。從發(fā)射極出來的高頻電流經(jīng)過旁路電容CB和諧振回路再回到集電極。CB

的值應(yīng)使它的阻抗遠(yuǎn)小于回路的高頻阻抗。圖3-25集電極饋電線路圖3-25（b）是并饋線路。晶體管、電源、諧振回路三者是并聯(lián)連接的，但同樣可以完成饋電任務(wù)。一方面由于與回路串聯(lián)的阻隔電容CB

是阻止直流電流通過的，它兩端加有直流電壓UCC；另一方面與電源UCC串聯(lián)的扼流圈LB可以阻止高頻電流流過電源UCC，它兩端加有高頻電壓。因此無論從哪一個回路看，均有uce=UCC-uc。

串饋的優(yōu)點(diǎn)是UCC、L、C處于高頻電位，分布電容不易影響回路；并饋的優(yōu)點(diǎn)是回路處于直流地電位，L、C元件可以接地，安裝方便。

２．基極饋電線路

與集電極饋電線路類似，基極饋電線路也有串饋和并饋兩種，如圖3-26所示。圖3-26基極饋電線路與集電極饋電線路不同的是，基極的負(fù)偏壓除了圖3-26外加以外，也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過電阻產(chǎn)生。前者稱為固定偏壓，后者稱為自給偏壓。圖

3-27（a）是發(fā)射極自給偏壓，CB

為旁路電容；圖3-27（b）為基極組合偏壓；圖3-27（c）為零偏壓。自給偏壓的優(yōu)點(diǎn)是它能隨激勵大小變化，使晶體管的各極電流受激勵變化的影響減小。圖3-27基極饋電線路圖3-28

例3-4圖

例3-5改正圖3-28（a）線路中的錯誤，不得改變饋電形式，重新畫出正確的線路。

解這是一個兩級功放，分析時需要一級一級的考慮，且要分別考慮輸入回路和輸出回路是否滿足交流要有交流通路，直流要有直流通路，而且交流不能流過直流電源的原則。

第一級放大器的基極回路：輸入的交流信號將流過直流電源，應(yīng)加扼流圈和濾波電容；直流電源被輸入互感耦合回路的電感短路，應(yīng)加隔直電容。

第一級放大器的集電極回路：輸出的交流將流過直流電源，應(yīng)加扼流圈；加上扼流圈后，交流沒有通路，故還應(yīng)加一旁路電容。第二級放大器的基極回路：沒有直流通路，加一扼流圈。

第二級放大器的集電極回路：輸出的交流將流過直流電源，應(yīng)加扼流圈及濾波電容；直流電源將被輸出回路的電感短路，加隔直電容。

正確線路如圖3-28（b）所示。二、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

高頻功放的級與級之間或放大器與負(fù)載之間需要用匹配網(wǎng)絡(luò)連接，這個匹配網(wǎng)絡(luò)一般由雙端口網(wǎng)絡(luò)來擔(dān)當(dāng)。如果這雙端口網(wǎng)絡(luò)是用來與下級放大器的輸入端相連接，則叫做級間耦合網(wǎng)絡(luò)；如果是將輸出功率傳輸至負(fù)載，則叫做輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。雙端口網(wǎng)絡(luò)的作用是：①使負(fù)載阻抗與放大器所需的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大，即起到匹配網(wǎng)絡(luò)的作用；②抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它應(yīng)有良好的濾波作用；③大多數(shù)發(fā)射機(jī)都為波段工作，因此雙端口網(wǎng)絡(luò)要適應(yīng)波段工作的要求，改變工作頻率時調(diào)諧要方便，并能在波段內(nèi)都保持較好的匹配和較高的效率等。常用的輸出線路主要有兩種類型：LC匹配網(wǎng)絡(luò)和耦合回路。

圖3-29是幾種常用的犔犆匹配網(wǎng)絡(luò)。它們是由兩種不同性質(zhì)的電抗元件構(gòu)成的Ｌ、Ｔ、π型的雙端口網(wǎng)絡(luò)。由于LC元件消耗功率很小，可以高效地傳輸功率。同時，由于它們對頻率的選擇作用，決定了這種電路的窄帶性質(zhì)。作輸出電路應(yīng)用時，它能在指定的工作頻率上將負(fù)載電阻RL

變換為輸入端（即放大器）所要求的負(fù)載電阻。圖3-29幾種常見的LC匹配下面以Ｌ型網(wǎng)絡(luò)為例說明阻抗變換的功能。Ｌ型匹配網(wǎng)絡(luò)按負(fù)載電阻與網(wǎng)絡(luò)電抗的并聯(lián)或串聯(lián)關(guān)系，可以分為L-I型網(wǎng)絡(luò)（負(fù)載電阻Rp

與Xp

并聯(lián)）與L-II型網(wǎng)絡(luò)（負(fù)載電阻Rs與Xs串聯(lián)）兩種，如圖3-30所示。網(wǎng)絡(luò)中Xs和Xp分別表示串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的電抗，由于需要完成選頻的功能，故兩者性質(zhì)相異。圖3-30Ｌ型匹配網(wǎng)絡(luò)對于圖3-30（a）所示的L-I型網(wǎng)絡(luò)可以作圖示的等效，由圖可知：

由實(shí)部和虛部相等，可以得到：

(3-44)(3-45)(3-46)由此可見，在負(fù)載電阻Rp大于前級電路要求的最佳負(fù)載阻抗PLcr時，采用L-I型網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整Q值，可以將大的Rp變換為小的R’s以獲得阻抗匹配（R’s＝RLcr）。諧振時，應(yīng)有Xs+X’s=0。

對于L-II型網(wǎng)絡(luò)，同樣分析可得(3-47)(3-48)(3-49)

在負(fù)載電阻Rs小于高頻功放要求的最佳負(fù)載阻抗RLcr時，采用L-II型網(wǎng)絡(luò)，可以將小的Rs變換為大的R’p以獲得阻抗匹配（R’p＝RLcr）。諧振時，應(yīng)有Xp+X’p=0。

三、高頻功放的實(shí)際線路舉例

采用不同的饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成高頻功放的各種實(shí)用電路。圖3-31（a）是工作頻率為50MHz的晶體管諧振功率放大電路，它向50Ω外接負(fù)載提供25

Ｗ功率，功率增益達(dá)7dB。這個放大電路基極采用零偏，集電極采用串饋，并由L2、L3、C3、C4

組成π型網(wǎng)絡(luò)。圖3-31（b）是工作頻率為175

MHz的VMOS場效應(yīng)管諧振功放電路，可向50Ω負(fù)載提供10Ｗ功率，效率大于