第三章高頻功率放大器

第一節(jié)概述第二節(jié)諧振式高頻功率放大器的工作原理第三節(jié)諧振功率放大器的折線分析法第四節(jié)諧振功率放大電路第五節(jié)丁類和戊類高頻功率放大器第六節(jié)寬頻帶高頻功率放大器第七節(jié)功率合成第三章高頻功率放大器

主要內(nèi)容

第一節(jié)概述一、高頻功率放大器的功能1.功能：用小功率的高頻輸入信號(hào)去控制高頻功率放大器將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率的高頻能量輸出。2.功能的表示方法：輸出電壓與輸入電壓的頻譜相同。二、高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)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。

1、使用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、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高功率輸出聯(lián)想對(duì)比：諧振功率放大器與高頻小信號(hào)諧振放大器；諧振功率放大器與低頻功率放大器；

3、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：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。諧振功率放大器波形圖小信號(hào)諧振放大器波形圖

小信號(hào)諧振放大器波形圖2c是在一周期內(nèi)的集電極電流流通角，因此，c可稱為半流通角或截止角(意即t=c時(shí)，電流被截止)。為方便起見(jiàn)，以后將c簡(jiǎn)稱為通角

2c

諧振功率放大器波形圖2c

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。功率放大器實(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，能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率4、高頻功率放大器與低頻功率放大器的異同之處

5、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

高頻功率放大器分類①按照負(fù)載分：②按工作狀態(tài)分

高頻功率放大器的用途提供足夠強(qiáng)的以載頻為中心的窄帶信號(hào)功率；放大窄帶已調(diào)信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)倍頻，工作在乙、丙類。窄帶功放：寬帶功放：

用于對(duì)某些載波信號(hào)頻率要求變化范圍大得短波，超短波電臺(tái)的中間各級(jí)放大級(jí)，以免對(duì)不同的繁瑣調(diào)諧。工作與甲類。

一、基本電路形式

第二節(jié)諧振高頻功率放大器的工作原理

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成。

電路中各元件作用：輸入信號(hào)（又稱為激勵(lì)信號(hào)）經(jīng)變壓器耦合到晶體管的輸入端得到；

是集電極直流電源電壓，是基極偏置電壓；

為旁路電容，為電源濾波電容；

L、C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負(fù)載回路（或匹配網(wǎng)絡(luò)），該回路又稱為槽路，負(fù)載回路既可以實(shí)現(xiàn)選頻濾波的功能，又實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；放大后的信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到負(fù)載上或通過(guò)天線向空間輻射。

二、基本特點(diǎn)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；諧振功率放大器原理圖取出基波分量，獲得正弦電壓波形。阻抗匹配。諧振于輸入信號(hào)的頻率②負(fù)載為諧振回路+-

三、工作原理VCC

1、諧振功率放大器工作在大信號(hào)非線性工作狀態(tài)（丙類）靜態(tài)時(shí)放大管處于截止?fàn)顟B(tài)動(dòng)態(tài)時(shí)（加信號(hào)）放大管處于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)2、負(fù)載為諧振回路，諧振頻率為輸入信號(hào)頻率選頻作用阻抗匹配結(jié)論：

所謂折線分析法就是將非線性器件的實(shí)際特性曲線根據(jù)需要和可能，用一條或多條直線段來(lái)近似它，然后再依據(jù)折線參數(shù)，分析輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系。折線分析法

信號(hào)較大時(shí)，所有實(shí)際的非線性元件，幾乎都會(huì)進(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，元件的非線性特性的突出表現(xiàn)是截止、導(dǎo)通、飽和等幾種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。在大信號(hào)條件下，忽略iC—vB非線性特性尾部的彎曲，用由AB、BC兩個(gè)直線段所組成的折線來(lái)近似代替實(shí)際的特性曲線，而不會(huì)造成多大的誤差，如圖。晶體三極管的轉(zhuǎn)移特性曲線用折線近似

由于折線的數(shù)學(xué)表示式比較簡(jiǎn)單，所以折線近似后使分析大大簡(jiǎn)化。當(dāng)然，如果作用于非線性元件的信號(hào)很小，而且運(yùn)用范圍又正處在我們所忽略了的特性曲線的彎曲部分，這時(shí)若采用折線法進(jìn)行分析，就必然產(chǎn)生很大的誤差。所以折線法只適用于大信號(hào)情況，例如功率放大器和大信號(hào)檢波器的分析都可以采用折線法。

第三節(jié)諧振功率放大器的折線分析法

一、諧振高頻功率放大器的折線分析法1、工作在大信號(hào)和非線性工作狀態(tài)。2、將晶體管特性曲線理想化成為折線進(jìn)行分析，稱為折線分析法如圖a是理想化的正向傳輸特性，其解析式為其中：,稱為跨導(dǎo)。稱為理想化特性的導(dǎo)通電壓。

二、晶體管特性曲線的理想化1.正向傳輸特性曲線理想化

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。2.輸出特性曲線理想化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。斜率：表征臨界線的方程：

1、余弦電流脈沖的表示式當(dāng)輸入信號(hào)時(shí),集電極電流的波形為余弦電流脈沖。余弦電流脈沖表示式:導(dǎo)通角:已知Vbb、Ubz和Ubm可確定高頻功率放大器的半通角θc，有時(shí)也稱θc為通角。通常用θc=180°表示甲類放大；θc=90°表示乙類放大；θc<90°表示丙類放大。三、集電極余弦電流脈沖的分解

2、余弦電流脈沖的分解系數(shù)周期性的電流脈沖可以用傅氏級(jí)數(shù)表示：其中…..直流分量電流基波分量電流幅值N次諧波分量幅值

稱為余弦電流脈沖分解系數(shù)。為直流分量分解系數(shù)；為基波分量分解系數(shù)；為n次諧波分量分解系數(shù)。下圖給出了、、、和與的關(guān)系。g1與的關(guān)系諧波次數(shù)越高，振幅就越小。因此，在諧振功率放大器中只需研究直流功率與基波功率。

晶體管倍頻器在前面所講的丙類諧振功率放大電路，集電極脈沖電流含有輸入信號(hào)的各次諧波，輸出電壓的建立是依靠諧振回路的選頻輸出。若諧振回路調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率，則輸出電壓的頻率等于輸入信號(hào)的頻率，同樣，若調(diào)諧回路諧振于輸入信號(hào)頻率的2倍，則輸出電壓信號(hào)便為2倍頻信號(hào)。所以當(dāng)放大器所用負(fù)載回路諧振于輸入信號(hào)的整數(shù)倍信號(hào)頻率時(shí)，就可構(gòu)成倍頻器。

四、功率與效率1、直流電源供給的直流功率

P==VccIco

2、高頻輸出功率

4、集電極效率3、晶體管集電極損耗功率其中，稱為集電極電壓利用系數(shù)；

稱為波形系數(shù)。

5、總結(jié)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=60°～80°。

五、丙類高頻放大器的動(dòng)態(tài)特性

1、動(dòng)態(tài)特性

2、動(dòng)態(tài)特性的作法在晶體管、電源電壓Vcc和Vbb、輸入信號(hào)振幅Ubm和輸出信號(hào)振幅Ucm(或Rp)一定的條件下，ic=f(ube,uce)的關(guān)系稱為放大器的動(dòng)態(tài)特性。

-+-+調(diào)諧于輸入信號(hào)的頻率ω

截距法作動(dòng)態(tài)特性：

放大器諧振回路調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率時(shí)。其外部電路的關(guān)系式為晶體管的特性是內(nèi)部條件，其正向傳輸特性為動(dòng)態(tài)特性應(yīng)同時(shí)滿足外部電路和內(nèi)部電路的關(guān)系式，則式中是動(dòng)態(tài)特性的斜率，是在軸上的截距，其值為

則AB-BC折線為動(dòng)態(tài)特性

在輸出特性的軸上取截距

得動(dòng)態(tài)特性的B點(diǎn)。通過(guò)B點(diǎn)作斜率為的直線交線于A點(diǎn)。在軸上選取為C點(diǎn)，則AB-BC折線為動(dòng)態(tài)特性。截距法作動(dòng)態(tài)特性的步驟：

動(dòng)態(tài)特性的本質(zhì)分析①點(diǎn)時(shí)A點(diǎn)②點(diǎn)時(shí)

④點(diǎn)時(shí)B點(diǎn)C點(diǎn)AB-BC折線為動(dòng)態(tài)特性AB—晶體管導(dǎo)通時(shí)的動(dòng)態(tài)曲線BC—晶體管截止時(shí)的動(dòng)態(tài)曲線

虛擬電流

虛擬電流法決定A點(diǎn)④連接AQ交橫坐標(biāo)于B點(diǎn)⑤在橫坐標(biāo)上

決定C點(diǎn)①?zèng)Q定Q點(diǎn)②③則AB－BC折線為動(dòng)態(tài)特性。

3、諧振高頻功率放大器的三種工作狀態(tài)輸出電壓波形

總結(jié):欠壓:動(dòng)態(tài)特性A1B1-B1C1在輸入信號(hào)一周內(nèi)，A點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)入晶體管的飽和區(qū)，這種工作狀態(tài)稱為欠壓工作狀態(tài)。對(duì)應(yīng)的集電極電流為尖頂脈沖。臨界：動(dòng)態(tài)特性A2B2-B2C2，A點(diǎn)正好在晶體管的臨界飽和線上，這種工作狀態(tài)稱為臨界工作狀態(tài)。對(duì)應(yīng)的集電極電流為尖頂脈沖。過(guò)壓：動(dòng)態(tài)特性MA3-A3B3-B3C3在輸入信號(hào)一周內(nèi)，A點(diǎn)已進(jìn)入晶體管的飽和區(qū)，這種工作狀態(tài)稱為過(guò)壓工作狀態(tài)。對(duì)應(yīng)的集電極電流為凹頂脈沖。

2、負(fù)載特性的分析①工作狀態(tài)隨的變化關(guān)系1、負(fù)載特性定義在、、、、一定的條件下，改變諧振回路的諧振電阻，高頻功率放大器的工作狀態(tài)、電流、電壓、功率和效率隨

的變化關(guān)系，稱為負(fù)載特性隨著Rp的增大，功率放大器的工作狀態(tài)由欠壓→臨界→過(guò)壓。

六、負(fù)載特性

②電流、電壓隨

變化的關(guān)系③功率、效率隨

變化的關(guān)系

結(jié)論欠壓工作狀態(tài)：輸出功率

和集電極效率ηc都較低，而且輸出信號(hào)電壓振幅隨

變化，因此，除了特殊場(chǎng)合以外，很少采用這種工作狀態(tài)。臨界工作狀態(tài)：輸出功率最大，且集電極效率也高，常用于發(fā)射機(jī)的功率輸出級(jí)（末級(jí)），以便獲得最大輸出功率。過(guò)壓工作狀態(tài)：在弱過(guò)壓區(qū)，達(dá)最大，下降不多，當(dāng)變化時(shí)，輸出信號(hào)電壓振幅

變化較小，多用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場(chǎng)合，如發(fā)射機(jī)的中間放大級(jí)。當(dāng)

RP=0，即負(fù)載短路時(shí)，集電極損耗功率Pc達(dá)最大值，有可能使功率晶體管燒壞。因此，在調(diào)整諧振功率放大器的過(guò)程中，必須防止負(fù)載短路。

七、各級(jí)電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響1、集電極電源電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響（在、、、、不變的條件下）①隨著Vcc的增加工作狀態(tài)由過(guò)壓→臨界→欠壓。

②改變Vcc對(duì)電流、電壓、功率、效率的影響1.工作狀態(tài)隨的變化關(guān)系

由小變大，工作狀態(tài)由過(guò)壓到臨界然后進(jìn)入欠壓。2.電流、電壓隨的變化關(guān)系在欠壓和臨界狀態(tài)，電流脈沖幅值不變，不變，和也不變，則不變，不變。在過(guò)壓區(qū)，隨減小而減小，和隨減小而減小，隨減小而減小。

①動(dòng)態(tài)特性隨的變化關(guān)系

2、改變對(duì)工作狀態(tài)的影響（在、、、、不變的條件下）?隨著的增加工作狀態(tài)由欠壓→臨界→過(guò)壓。

②改變對(duì)電流、電壓、功率、效率的影響

改變Vbb對(duì)工作狀態(tài)的影響3、改變對(duì)工作狀態(tài)的影響（在、、、、不變的條件下）

增大的含義是從負(fù)電壓向小于的正電壓變化?隨著的增加工作狀態(tài)由欠壓→臨界→過(guò)壓。

第四節(jié)諧振功率放大器

一、基本組成

諧振功率放大器是由輸入諧振回路、非線性器件（晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管）和輸出諧振回路組成。

輸入、輸出回路在諧振功率放大器中的作用是：提供放大器所需的正常偏置；實(shí)現(xiàn)濾波選取基波分量；實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。管外電路直流饋電電路濾波匹配網(wǎng)絡(luò)二、直流饋電電路直流電源加到各電極上去的線路叫饋電電路.集電極饋電電路基極饋電電路

1、集電極饋電電路饋電原則:①直流要有直流通路，交流要有交流通路，且高頻信號(hào)不能通過(guò)直流電源。②基波分量要有效地流過(guò)負(fù)載回路③諧波對(duì)于負(fù)載回路是短路饋電電路根據(jù)連接方式的不同可分為串饋和并饋集電極直流饋電串聯(lián)饋電。并聯(lián)饋電

①晶體管、負(fù)載回路和直流電源組成串聯(lián)聯(lián)接形式稱為串聯(lián)饋電饋電元件：高頻扼流圈對(duì)直流短路對(duì)交流開(kāi)路作用：阻擋高頻信號(hào)流過(guò)直流電源；高頻旁路電容對(duì)直流開(kāi)路對(duì)交流短路作用：提供交流通路，阻擋高頻信號(hào)流過(guò)直流電源缺點(diǎn)：回路處于直流的高電位，回路的電容動(dòng)片不能接地，調(diào)試不方便。優(yōu)點(diǎn)：饋電元件、和均處于高頻地電位，他們的分布電容和分布電感就不會(huì)影響回路。

②晶體管、負(fù)載回路和直流電源組成并聯(lián)聯(lián)接形式稱為并聯(lián)饋電。饋電元件：高頻扼流圈：電源濾波電容隔直電容并饋的優(yōu)點(diǎn)：回路處于直流低電位，克服了串饋的缺點(diǎn)。并饋的缺點(diǎn)：處于高頻高電位，它對(duì)地的分布電容很大，影響回路諧振頻率。

基極的反向偏壓供給方式2、基極饋電電路1、基極饋電電路：串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種形式外加偏置的并聯(lián)饋電形式。外加偏置的串聯(lián)饋電形式外加偏置自給偏置

利用發(fā)射極電流的直流分量

在上的壓降產(chǎn)生自給負(fù)偏壓。2、自給偏置電路利用輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的基極電流的直流分量在基極電阻上的壓降產(chǎn)生自給負(fù)偏壓?？偨Y(jié)：自給偏壓能隨激勵(lì)信號(hào)的大小而變化，即自動(dòng)維持放大器工作的穩(wěn)定性

2、匹配網(wǎng)絡(luò)的組成：這三種匹配網(wǎng)絡(luò)都可以采用由L和C組成的L型、π型或T型這樣的雙端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入回路：信號(hào)源與丙類功率放大器之間1、匹配網(wǎng)絡(luò)分類輸出回路：輸出級(jí)與天線負(fù)載之間級(jí)間耦合回路：丙類功率放大器的推動(dòng)級(jí)與輸出級(jí)之間。三、匹配網(wǎng)絡(luò)3、匹配網(wǎng)絡(luò)作用：選頻濾波阻抗匹配。教材上有關(guān)三種匹配網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)可以參考應(yīng)用。但是在實(shí)際應(yīng)用中尚需認(rèn)真調(diào)整。

四、實(shí)際電路舉例（一）50MHz，25W諧振功率放大器圖3-19

50MHz功率放大器

（二）175MHz兩級(jí)諧振功率放大器

第六節(jié)寬頻帶高頻功率放大器一、寬頻帶高頻功率放大器的特點(diǎn)與要求1.寬頻帶高頻功率放大器的頻帶要求覆蓋整個(gè)發(fā)射機(jī)工作頻率范圍，在發(fā)射機(jī)變換工作頻率時(shí)，不需要進(jìn)行調(diào)諧。2.利用信號(hào)源與放大器、放大器與放大器、放大器與天線負(fù)載之間的耦合必須實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配。利用寬頻帶變壓器做輸入、輸出和級(jí)間耦合電路，實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配。寬頻帶變壓器的兩種形式:①利用普通變壓器的原理,采用高頻磁芯來(lái)擴(kuò)展頻帶.可以工作到短波段.②傳輸線變壓器

二、傳輸線變壓器傳輸線變壓器是基于傳輸線原理和變壓器理論二者結(jié)合而產(chǎn)生的一種耦合元件。將傳輸線(如相互絕緣的雙導(dǎo)線)繞在高導(dǎo)磁率磁環(huán)上制成。變壓器工作方式傳輸線工作方式1、傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)及原理II

1∶1傳輸線變壓器3、阻抗變換特性①1:1傳輸線變壓器

實(shí)現(xiàn)變壓器與負(fù)載匹配的條件是實(shí)現(xiàn)信號(hào)源與傳輸線變壓器匹配的條件是1∶1傳輸線最佳匹配條件是在無(wú)損耗匹配的條件下，若傳輸線長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)相比足夠?。ǎ?，即傳輸線上任何位置的電壓和電流的振幅均相等。在實(shí)際電路中，的情況很少，因此1:1傳輸線更多用作為倒相器。

1：4傳輸線變壓器②1:4傳輸線變壓器1、4端相連對(duì)于時(shí)，采用1:4傳輸線變壓器進(jìn)行阻抗變換

③4:1傳輸線變壓器圖3-29

4∶1阻抗變換器對(duì)于時(shí)，采用4:1傳輸線變壓器進(jìn)行阻抗變換

寬帶變壓器耦合高頻功率放大器3、寬頻帶高頻功率放大器

第七節(jié)功率合成

圖3-31功率合成原理方框圖

圖中1、2、3、4、5、6、7為寬頻功率放大大器，I、II、III為功率分配網(wǎng)絡(luò)，IV、V、VI為功率合成網(wǎng)絡(luò)一、概述功率合成器由功率放大器、功率分配器和功率合成器組成。

二、功率合成網(wǎng)絡(luò)反相激勵(lì)合成網(wǎng)絡(luò)

三、功率分配網(wǎng)絡(luò)功率二分配器

一、重點(diǎn)掌握內(nèi)容

本章總結(jié)諧振功率放大器的功能、組成和工作原理折線分析法功率及效率的計(jì)算動(dòng)態(tài)特性（虛擬電流法）諧振功率放大器三種工作狀態(tài)負(fù)載特性VCC的