高頻電子線路第三章 高頻功率放大器

第3章高頻功率放大器3.1概述3.2丙類(lèi)諧振功率放大器

3.2.1工作原理3.2.2性能分析3.2.3直流饋電線路與網(wǎng)絡(luò)匹配3.3寬帶高頻功率放大器與功率合成電路思考思考1：高頻諧振功放和高頻小信號(hào)放大器的異同點(diǎn)？思考2：高頻功放和低頻功放的異同點(diǎn)？相同點(diǎn)：

1、頻率較高（高頻）；2、負(fù)載都是諧振回路。不同點(diǎn)：1、線性（A類(lèi)）和非線性（B類(lèi)或C類(lèi)）。2、小信號(hào)和大信號(hào)。相同點(diǎn)：

都是功率放大，追求的目標(biāo)都是高效、大功率。不同點(diǎn)：1、負(fù)載不同。2、頻率（頻帶）不同。3.1概述1.什么叫功率放大電路？(《模擬電路》)在實(shí)用電路中，往往要求放大電路的末級(jí)（即輸出級(jí)）輸出一定功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱(chēng)為功率放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)功放。功放實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量。同時(shí)必然存在一定的能量損耗。功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源（直流）電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。主要類(lèi)型：甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)、丙類(lèi)等。主要指標(biāo):輸出功率Po

、效率η2.高頻（諧振）功率放大器

功能：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。位置：發(fā)射機(jī)末端。3.高頻功率放大器的工作狀態(tài)：功率放大器一般分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)、丙類(lèi)等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類(lèi)與戊類(lèi)放大器。特點(diǎn)：

1、負(fù)載是諧振回路；2、工作在丙類(lèi)；3、輸入是大信號(hào)。高頻功率放大器通常工作于丙類(lèi)工作狀態(tài)，屬于非線性電路。高頻功率放大器通常用來(lái)放大窄帶高頻信號(hào),其工作狀態(tài)通常選為丙類(lèi)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。功率放大電路是大信號(hào)工作,而在大信號(hào)工作時(shí)必須考慮晶體管的非線性特性。為簡(jiǎn)化分析,可以將晶體管特性曲線理想化,即用一條或幾條直線組成折線來(lái)代替,稱(chēng)為折線近似分析法。

3.2丙類(lèi)諧振功率放大電路3.2.1工作原理1.丙類(lèi)諧振功率放大器的電路結(jié)構(gòu)晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用。諧振回路LC是晶體管的負(fù)載。電路工作在丙類(lèi)工作狀態(tài)，注意UBB的方向(負(fù)向偏置)。﹡集電極電流iC的分段表達(dá)式：iC=g(uBE-Uon)uBE≥Uon0uBE＜Uon

﹡如果將輸入信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況用對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通角度2θ來(lái)表示,則稱(chēng)θ為半通角，且0°≤θ≤180°。﹡晶體管內(nèi)部特性(也叫轉(zhuǎn)移特性)：

iC=g(UBB+Ubmcosωt-Uon)

iC(3.2.7)當(dāng)ωt=θ時(shí),iC=0，可得到導(dǎo)通角計(jì)算式:

當(dāng)ωt=0時(shí),iC=ICm，可得:

所以,式(3.2.7)可寫(xiě)成:(3.2.8)(3.2.9)(3.2.10)

從集電極電流iC的表達(dá)式可以看出,這是一個(gè)周期性的尖頂余弦脈沖函數(shù),因此可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi),即

iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt+…結(jié)論:丙類(lèi)諧振功率放大器電路結(jié)構(gòu)上跟高頻小信號(hào)放大器非常相似，負(fù)載也是諧振回路；不同之處在于輸入回路的偏置電壓UBB的方向。丙類(lèi)諧振功率放大器處于丙類(lèi)(非線性)工作狀態(tài)，放大器輸出電流是周期性的尖頂余弦脈沖，包含很多諧波分量，失真很大。由于集電極負(fù)載是并聯(lián)諧振回路(或其他形式的選頻網(wǎng)絡(luò))，如使并聯(lián)諧振回路諧振于基頻，最終輸出仍然是一個(gè)與輸入信號(hào)形狀相似的單頻正弦量。2.丙類(lèi)諧振功率放大器的功率和效率集電極電源UCC提供的直流功率由于回路對(duì)于基頻諧振，呈純阻RΣ(回路等效總電阻)狀態(tài)，對(duì)于其他諧波的阻抗很小，因此只有基頻電流和基頻電壓才能產(chǎn)生輸出功率:集電極效率集電極功耗結(jié)論：如果要增大輸出功率,在回路等效總電阻不變的情況下,需增大Ic1m，當(dāng)器件確定時(shí),就是要增大輸入信號(hào)振幅Ubm。如果要提高效率,需增大Ic1m或減小IC0。減小IC0即減小集電極平均電流,通過(guò)降低靜態(tài)工作點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)。

3.2.2性能分析（外特性）※※

若丙類(lèi)諧振功放的輸入是振幅為Ubm的單頻余弦信號(hào)，那么輸出單頻余弦信號(hào)的振幅Ucm與Ubm有什么關(guān)系?Ucm的大小受哪些參數(shù)影響？圖3.2.5折線化轉(zhuǎn)移特性和輸出特性分析放大區(qū)內(nèi)動(dòng)態(tài)線AB的表達(dá)式可用以下步驟求出。由式（3.2.1）和（3.2.2）可以寫(xiě)出：代入式（3.2.6），經(jīng)過(guò)整理可得到動(dòng)態(tài)線表達(dá)式：其中由圖（3.2.5）可以寫(xiě)出斜率值gd的另一種形式：因?yàn)樗?、負(fù)載特性若UBB、UCC和Ubm三個(gè)參數(shù)固定,RΣ發(fā)生變化,動(dòng)態(tài)線、Ucm以及Po、ηc等性能指標(biāo)會(huì)有什么變化呢?這就是諧振功放的負(fù)載特性。由圖3.2.6可知,UBB和UCC固定意味著Q點(diǎn)固定,Ubm固定進(jìn)一步意味著θ也固定。根據(jù)式(3.2.14),放大區(qū)動(dòng)態(tài)線斜率1/Rd將僅隨RΣ而變化。圖中給出了三種不同斜率情況下的動(dòng)態(tài)線。

圖3.2.6三種不同斜率情況下的動(dòng)態(tài)線及波形分析RΣ有小變大,斜率由大到小RΣ由小變大,而斜率則由大變小小大圖3.2.7諧振功放負(fù)載特性曲線2、放大特性（振幅特性）圖3.2.8放大特性分析(a)(b)3、調(diào)制特性基極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性（如圖所示）圖3.2.10集電極調(diào)制特性工作在過(guò)壓狀態(tài)圖3.2.10集電極調(diào)制特性4、結(jié)論

根據(jù)以上對(duì)丙類(lèi)諧振功放的性能分析，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）若對(duì)等幅信號(hào)進(jìn)行功率放大，應(yīng)使功放工作在臨界狀態(tài)，此時(shí)輸出功率最大，效率也接近最大。比如對(duì)第七章將介紹的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行功率放大。（2）若對(duì)非等幅信號(hào)進(jìn)行功率放大，應(yīng)使功放工作在欠壓狀態(tài)，但線性較差。若采用甲類(lèi)或乙類(lèi)工作，則線性較好。比如對(duì)第六章將介紹的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行功率放大。（3）丙類(lèi)諧振功放在進(jìn)行功率放大的同時(shí)，也可進(jìn)行振幅調(diào)制。若調(diào)制信號(hào)加在基極偏壓上，功放應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)；若調(diào)制信號(hào)加在集電極電壓上，功放應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)。（4）回路等效電阻R∑直接影響功放在欠壓區(qū)內(nèi)的動(dòng)態(tài)線斜率，對(duì)功放的各項(xiàng)性能指標(biāo)關(guān)系很大，在分析和設(shè)計(jì)功放時(shí)應(yīng)重視負(fù)載特性。例3.2某高頻功放工作在臨界狀態(tài)，已知UCC=18V，gcr=0.6S，θ=60°，R∑=100Ω，求輸出功率Po直流功率PD和集電極效率η。由圖3.2.6可以寫(xiě)出以下關(guān)系式：解：由式（3.2.14）可求得：所以故所以例3.33.2.3直流饋電線路與匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成實(shí)際的高頻功放電路必須遵循的原則：

1、保證回路電壓關(guān)系，ub、uc不能被短路或開(kāi)路。

2、正確的使用阻隔元件；

3、電源一端接地，交流不能通過(guò)直流電源。(1)集電極饋電線路

思考：為什么原理圖不能作為實(shí)際線路？有什么問(wèn)題？集電極饋電線路的兩種基本形式:高頻扼流圈Lc和高頻短路電容Cc、Cc1、Cc2的作用在于阻止高次諧波流過(guò)直流電源并為其提供短路通道,以免高次諧波影響直流電源的穩(wěn)壓性能。串聯(lián)饋電方式的優(yōu)點(diǎn)是Lc和Cc處于高頻地電位,它們對(duì)地的分布電容不會(huì)影響回路的諧振頻率,缺點(diǎn)是電容器C的動(dòng)片不能直接接地,安裝調(diào)整不方便。并聯(lián)饋電方式的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。Lc和Cc1對(duì)地的分布電容直接影響回路的諧振頻率,但回路處于直流地電位,L、C元件可接地,故安裝調(diào)整方便。(2)基極饋電線路基極饋電也有串饋與并饋兩種形式,但對(duì)于丙類(lèi)諧振功放,通常采用自給偏壓方式。下圖給出了幾種基極饋電線路,均為自給偏壓形式。

2.匹配網(wǎng)絡(luò)為了使諧振功放的輸入端能夠從信號(hào)源或前級(jí)功放得到有效的功率,輸出端能夠向負(fù)載輸出不失真的最大功率或滿(mǎn)足后級(jí)功放的要求,在諧振功放的輸入和輸出端必須加上匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是在所要求的信號(hào)頻帶內(nèi)進(jìn)行有效的阻抗變換,并充分濾除無(wú)用的雜散信號(hào)——實(shí)質(zhì)作用是“選頻匹配”。第1章已介紹了幾種基本LC選頻匹配網(wǎng)絡(luò)(倒L型、T型、π型),具體應(yīng)用時(shí)為了產(chǎn)生良好的選頻匹配效果,常采用多節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的方式。為了衡量輸出匹配網(wǎng)絡(luò)上的功率損耗，可以定義回路效率為：其中，PL、Po分別是負(fù)載上得到的功率和功放的輸出功率

例3.4分析圖例3.4所示工作頻率為175MHz的兩級(jí)諧振功率放大電路的組成。電路中的四個(gè)高扼圈,其中兩個(gè)作為基極直流偏置的組成元件,另外兩個(gè)在集電極并饋電路中對(duì)iC中的各次諧波分量起阻擋作用,并為集電極直流電源提供通路。高頻旁路電容C7和C9、穿心電容C8和C10使高次諧波分量短路接地。一般來(lái)說(shuō),在400MHz以下的甚高頻(VHF)段,匹配網(wǎng)絡(luò)通常采用第1章介紹的集總參數(shù)LC元件組成,而在400MHz以上的超高頻(UHF)段,則需使用分布參數(shù)的微帶線組成匹配網(wǎng)絡(luò),或使用微帶線和LC元件混合組成。微帶線又稱(chēng)微帶傳輸線,是用介質(zhì)材料把單根帶狀導(dǎo)體與接地金屬板隔離而構(gòu)成的,右圖給出了結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)。微帶線的電性能,如特性阻抗、帶內(nèi)波長(zhǎng)、損耗和功率容量等,與絕緣基板的介電系數(shù)、基板厚度H和帶狀導(dǎo)體寬度W有關(guān)。實(shí)際使用時(shí),微帶線是采用雙面敷銅板,在上面作出各種圖形,構(gòu)成電感、電容等各種微帶元件,從而組成諧振電路、濾波器以及阻抗變換器等的。3.3寬帶高頻功率放大電路現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢(shì)之一是在寬波段范圍能采用自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)，以便于轉(zhuǎn)換工作頻率。為了滿(mǎn)足上述要求，可以在發(fā)射機(jī)的中間各級(jí)采用寬頻帶高頻功率放大器，一般采用非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)作為其匹配網(wǎng)絡(luò),能在很寬的頻帶范圍內(nèi)獲得線性放大。此處“非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)”是個(gè)什么東東？（本節(jié)課的重點(diǎn)）非調(diào)諧——區(qū)別于“丙類(lèi)諧振功放”的諧振回路負(fù)載寬帶網(wǎng)絡(luò)——？？？非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)——傳輸線變壓器低頻功放負(fù)載經(jīng)常是一個(gè)變壓器，以構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗變換。普通變壓器依靠鐵芯中的公共磁通將初級(jí)線圈N1的能量傳輸?shù)酱渭?jí)線圈N2中。對(duì)于理想變壓器來(lái)說(shuō)，應(yīng)該對(duì)所有頻率的能量都能同樣傳輸過(guò)去，即頻帶應(yīng)無(wú)限寬。先認(rèn)識(shí)低頻變壓器但實(shí)際上其頻率特性如圖所示：在低頻段，因?yàn)槌跫?jí)電感不可能無(wú)窮大（這是理想變壓器的條件），因而頻率響應(yīng)有所下降。在高頻段，由于分布電容與線圈漏電感的影響，在某一頻率可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振，頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值；然后隨頻率的升高，其輸出電壓因分布電容的旁路作用而迅速下降。即普通的變壓器繞組間的分布電容是限制它的工作上限頻率的主要因素。因此，普通鐵芯變壓器不能用來(lái)構(gòu)成“非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)”。3.3.1傳輸線變壓器現(xiàn)代通信電路中常用的“非調(diào)諧寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)”是傳輸線變壓器,它可使功放的最高頻率擴(kuò)展到幾百兆赫甚至上千兆赫,并能同時(shí)覆蓋幾個(gè)倍頻程的頻帶寬度。即“非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)”是這么一個(gè)東東：

傳輸線變壓器是基于傳輸線原理和變壓器原理二者相結(jié)合而產(chǎn)生的一種耦合元件。它是將傳輸線(雙絞線、帶狀線或同軸線等)繞在高導(dǎo)磁率的高頻磁芯上構(gòu)成的。1.寬頻帶特性利用下圖所示一種簡(jiǎn)單的1∶1傳輸線變壓器,可以說(shuō)明這種特殊變壓器能同時(shí)擴(kuò)展上、下限頻率的原理。

在低頻時(shí),變壓器模式起主要作用,初次級(jí)線圈之間的能量傳輸主要依靠線圈的耦合作用。磁芯的導(dǎo)磁率高,所以雖傳輸線較短也能獲得足夠大的初級(jí)電感量,保證了傳輸線變壓器的低頻特性較好。在高頻時(shí)傳輸線模式起主要作用,此時(shí)初次級(jí)線圈之間的能量傳輸主要依靠線圈之間分布電容的耦合作用。分布電容成為傳輸線特性阻抗的一個(gè)組成部分,故上限頻率將不受分布電容的限制。

因而這種變壓器可以在很寬的頻帶（可達(dá)幾百M(fèi)Hz）范圍內(nèi)獲得良好的響應(yīng)。小結(jié)寬頻帶高頻功率放大器的負(fù)載是傳輸線變壓器,它可使功放的最高頻率擴(kuò)展到幾百兆赫甚至上千兆赫,并能同時(shí)覆蓋幾個(gè)倍頻程的頻帶寬度。由于無(wú)選頻濾波性能,故寬帶高頻功放只能工作在非線性失真較小的甲類(lèi)或乙類(lèi)狀態(tài),效率較低。寬帶高頻功放是以犧牲效率來(lái)?yè)Q取工作頻帶的加寬。寬頻帶高頻功率放大器一般用在發(fā)射機(jī)的中間各級(jí)，但是為了只輸出所需的工作頻率，發(fā)射機(jī)末級(jí)還要需要調(diào)諧放大器。2.阻抗變換特性與普通變壓器一樣,傳輸線變壓器也可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換,但由于受結(jié)構(gòu)的限制,只能實(shí)現(xiàn)某些特定阻抗比的變換。下圖給出了一種4∶1傳輸線阻抗變換器的原理圖。三個(gè)傳輸線變壓器均為4∶1阻抗變換器。前兩個(gè)級(jí)聯(lián)后作為第一級(jí)功放的輸出匹配網(wǎng)絡(luò),總阻抗比為16∶1,使第二級(jí)功放的低輸入阻抗與第一級(jí)功放的高輸出阻抗實(shí)現(xiàn)匹配。第三個(gè)使第二級(jí)功放的高輸出阻抗與50Ω的負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)匹配。電路當(dāng)中每一級(jí)放大都加了電壓負(fù)反饋，以改善發(fā)大器性能；為避免寄生耦合，每一級(jí)集電極電源都加了電容濾波。

3.3.2功率合成電路利用多個(gè)