高頻電子線路 第3章

高頻電子線路清華大學(xué)出版社2012.6本章導(dǎo)讀高頻功率放大電路在系統(tǒng)中起何作用？功率放大電路的工作狀態(tài)和分析方法與小信號(hào)放大電路有何不同？高頻功率放大器的輸出功率和效率與哪些因素有關(guān)？如何提高效率？高效率功率放大器的類型有哪些？它們工作特點(diǎn)是什么？第3章高頻功率放大電路丙(C)類諧振功率放大器的工作原理、特性及理論上的分析方法。丙(C)類諧振功率放大器的欠壓、臨界、過(guò)壓三種工作狀態(tài)。丙(C)類諧振功率放大器的負(fù)載特性、放大特性、集電極和基極調(diào)制特性。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。直流電路的串饋和并饋兩種形式。

功能

高頻功率放大器的主要功能是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)換為大功率高頻能量輸出，它主要應(yīng)用于各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)中。特點(diǎn)：為了獲得大功率，則輸入信號(hào)為大信號(hào)，則放大這種信號(hào)的放大器工作于非線性狀態(tài)。3.1丙(C)類諧振功率放大器的工作原理圖3-1晶體管高頻功率放大器的原理電路濾波以及阻抗變換輸入信號(hào)基極靜態(tài)偏置集電極靜態(tài)偏置丙類功放的組成：放大器＋帶通濾波器3.1.1電路組成及工作原理

晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線晶體管輸出特性曲線臨界飽和線欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)設(shè)輸入信號(hào)是頻率ω的單頻余弦信號(hào)，即可得基極回路電壓為圖3.3諧振功率放大器的轉(zhuǎn)移特性與輸入電壓、輸出電流波形晶體管輸出電流為周期脈沖形狀，將其命名為集電極余弦脈沖電流，用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為Ic0：集電極余弦電流脈沖的直流分量Ic1m：為集電極余弦電流脈沖的基波分量振幅Icnm：為集電極余弦電流脈沖的n次諧波分量振幅當(dāng)集電極LC并聯(lián)回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率ω上時(shí)，集電極余弦電流脈沖iC的基波分量產(chǎn)生較大的壓降；LC回路的電感L對(duì)直流呈現(xiàn)很小的阻抗并且可以看作短路，各高次諧波對(duì)LC回路呈現(xiàn)的阻抗很小并且可以看作短路，因此直流分量、各高次諧波分量不會(huì)在LC回路兩端產(chǎn)生壓降。由圖3.1可得集電極回路電壓為：式中，是輸出電壓的振幅。3.1.2集電極余弦電流脈沖的分解將代入得：由圖3.3可知，當(dāng)時(shí)則：當(dāng)ωt=0時(shí)則將上兩式代入集電極電流的表達(dá)式，并整理得：將展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)其中：式中，α0(θ)、α1(θ)、…、αn(θ)分別稱為余弦電流脈沖的直流分解系數(shù)、一次諧波分解系數(shù)以及n次諧波分解系數(shù)，其大小是導(dǎo)通角θ的函數(shù)。定義波形系數(shù)為(a)分解系數(shù)

(b)波形系數(shù)圖3.4尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)3.1.3輸出功率與效率放大器的輸出功率：為了提高輸出功率，需增大基波電流分解系數(shù)的值，由圖3.4(a)可知，當(dāng)導(dǎo)通角時(shí)，達(dá)到最大值，此時(shí)工作在甲乙類工作狀態(tài)。因此在丙類工作狀態(tài)時(shí)，放大器并不是輸出功率最大。集電極電源提供的直流功率：放大器的集電極效率定義：集電極利用系數(shù)則集電極效率可以表示為增大波形系數(shù)和集電極電壓利用系數(shù)是提高效率的兩個(gè)措施。由式(3.18)與式(3.5)可知，增大等效負(fù)載可提高集電極電壓利用系數(shù)。從導(dǎo)通角的角度看，導(dǎo)通角越小，波形系數(shù)越大，則效率越高。結(jié)合圖3.4(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，增大與增大是矛盾的。為了兼顧輸出功率與效率，需要選擇合適的導(dǎo)通角。忽略集電極飽和壓降，設(shè)集電極利用系數(shù)為1，當(dāng)時(shí)，此時(shí)的集電極效率可達(dá)到85.9%，而時(shí)的效率只能達(dá)到64%左右。一般將稱為最佳導(dǎo)通角，可以同時(shí)兼顧輸出功率與效率兩個(gè)指標(biāo)。當(dāng)集電極利用系數(shù)為1時(shí)，可以分別求得不同工作狀態(tài)下的效率如下：甲類：乙類：丙類（設(shè)）：【例3.1】諧振功率放大器的晶體管轉(zhuǎn)移特性斜率g=1s，開(kāi)啟電壓Uon=0.6V，該放大器的諧振回路的等效負(fù)載。求：(1)導(dǎo)通角(2)解：(1)則：而則：(2)3.1.4丙(C)類倍頻器倍頻電路是一種輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的變化電路。晶體管倍頻器的電路與圖3.1所示的諧振功率放大器的電路基本相同，區(qū)別是倍頻電路諧振回路的中心頻率不是調(diào)諧在輸入信號(hào)的頻率ω上，而是調(diào)諧在輸入信號(hào)的高次諧波頻率nω上調(diào)諧在nω上集電極輸出電流輸出n次諧波的功率當(dāng)作為諧振功率放大器時(shí)，其導(dǎo)通角時(shí)輸出功率最大；為最大時(shí)輸出功率最大當(dāng)作為二次倍頻電路使用時(shí)，其導(dǎo)通角時(shí)輸出功率最大；當(dāng)作為三次倍頻電路使用時(shí)，其導(dǎo)通角時(shí)輸出功率最大。若保持集電極電流的最大值相同，則作為二倍頻和三倍頻使用時(shí)，其獲得的最大電流振幅分別為基波電流振幅的1/2和1/3。故在相同的情況下，倍頻次數(shù)越高，獲得的輸出電流、輸出電壓以及輸出功率越小。所以，丙類倍頻器的倍頻次數(shù)不能太大，一般為2～3次，如果需要更高次數(shù)多倍頻，可采用多個(gè)倍頻器級(jí)聯(lián)的方式。由于(1)對(duì)振蕩器進(jìn)行倍頻，可得到更高頻率的輸出頻率。倍頻電路在通信系統(tǒng)以及其他電子系統(tǒng)中的應(yīng)用：(2)在調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中使用倍頻電路和混頻電路可以擴(kuò)展調(diào)頻信號(hào)的最大線性頻偏，這一點(diǎn)會(huì)在第6章進(jìn)行討論。3.2諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性分析諧振功率放大器的輸出功率、效率以及集電極功耗都與集電極負(fù)載回路的等效阻抗、輸入信號(hào)的幅度、基極偏置電壓以及集電極電源電壓的大小有關(guān)，下面就分別予以討論。3.2.1諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指加上激勵(lì)信號(hào)以及接上負(fù)載時(shí)，晶體管的集電極電流與集電極電壓的關(guān)系曲線，其在坐標(biāo)系中是一條曲線。小信號(hào)放大器是純電阻負(fù)載，由于信號(hào)很小，晶體管可以近似為線性元件，故小信號(hào)放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線即為負(fù)載線，是一條直線。而諧振功率放大器工作在非線性狀態(tài)，在對(duì)其折線化處理后，可用幾條直線對(duì)其進(jìn)行表示。圖3.5諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線圖

在圖3.5中，若放大器工作在欠壓狀態(tài)，此時(shí)放大器工作在放大與截止兩種工作狀態(tài)，故此時(shí)的動(dòng)態(tài)線即為放大區(qū)的AB直線與截止區(qū)的BC直線。對(duì)于動(dòng)態(tài)線AB的作法可用以下步驟求得。由：連接A、Q點(diǎn)，其與橫軸相交于B點(diǎn)，則A、B、C三點(diǎn)連線即為動(dòng)態(tài)特性曲線。如果A點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，如圖3.5虛線所示，與臨界飽和線相交于D點(diǎn)，進(jìn)入飽和區(qū)的線用臨界飽和線代替，則動(dòng)態(tài)特性曲線為O、D、B、C四點(diǎn)連線。由圖3.5可知，臨界飽和線、截止區(qū)的動(dòng)態(tài)線都是確定的，對(duì)于放大區(qū)內(nèi)動(dòng)態(tài)線AB的斜率可以表示為因此，在放大區(qū)內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性曲線與等效負(fù)載RE以及導(dǎo)通角θ有關(guān)。在圖3.5中，當(dāng)放大器工作在臨界狀態(tài)時(shí)，其臨界飽和線OD的斜率為3.2.2諧振功率放大器的負(fù)載特性與三種工作狀態(tài)集電極偏置電壓VCC、基極偏置電壓VBB以及激勵(lì)電壓ui固定不變，放大器的集電極電流Ic0、Ic1m、回路電壓Ucm、輸出功率Po、效率ηC隨負(fù)載電阻變化的特性稱為放大器的負(fù)載特性，它是高頻功率放大器的重要特性之一。圖3.6三種不同R∑時(shí)的放大器的波形圖

動(dòng)態(tài)特性線A1B1代表較小則動(dòng)態(tài)線斜率較大，因而Ucm也較小的情形，稱為欠壓工作狀態(tài)。它與靜態(tài)曲線交點(diǎn)A1決定了集電極電流脈沖的高度，此時(shí)電流波形為尖頂余弦脈沖如圖3.6集電極電流波形曲線1所示。在欠壓區(qū)內(nèi)的Ic0與Ic1m幾乎維持常數(shù)，緊隨的增加而略有下降，因而可以把欠壓狀態(tài)的放大器當(dāng)作一個(gè)恒流源。隨著的增加，動(dòng)態(tài)特性線斜率逐漸減小，輸出電壓Ucm也逐漸增加。直到它與臨界線交于一點(diǎn)A2時(shí)，放大器工作于臨界狀態(tài)，此時(shí)電流波形仍為尖頂余弦脈沖如圖3.6集電極電流波形曲線2所示，在放大區(qū)的動(dòng)態(tài)特性曲線為A2B2。負(fù)載電阻繼續(xù)增加，輸出電壓進(jìn)一步增大，稱為過(guò)壓工作狀態(tài)，在放大區(qū)的動(dòng)態(tài)特性曲線為A3B3。進(jìn)入過(guò)壓區(qū)后，集電極電流脈沖開(kāi)始下凹如圖3.6集電極電流波形曲線3所示，其凹陷程度隨著的增大而急劇加深，致使Ic0與Ic1m也急劇下降。進(jìn)入過(guò)壓區(qū)后，由于Ic1m隨的增加而顯著下降，因此Ucm隨的增加而很緩慢地上升，因此可以近似地把過(guò)壓狀態(tài)的放大器當(dāng)作一個(gè)恒壓源。Po、PD、PC及ηC隨負(fù)載變化關(guān)系：直流輸入功率PD=VCCIc0：由于VCC不變，因此與曲線Ic0形狀相同；交流輸出功率Po=1/2UcmIc1m，因此曲線可以從Ucm與Ic1m兩條曲線相乘求出。Po、PD、PC及隨負(fù)載的變化曲線如圖3.7(b)所示。圖3.7諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線Ic0、Ic1m及Ucm隨負(fù)載的變化曲線Po、PD、PC及ηC隨負(fù)載的變化曲線由圖3.7(b)可以看出，在臨界狀態(tài)，Po達(dá)到最大值。因此在設(shè)計(jì)高頻功率放大器時(shí)，如果希望輸出功率最大，就應(yīng)使之工作在臨界狀態(tài)。集電極功耗PC=PD-Po，在欠壓區(qū)內(nèi)，當(dāng)減小時(shí)，PC上升很快；當(dāng)RΣ＝0時(shí)，PC達(dá)到最大值，可能使晶體管燒壞，必須避免發(fā)生這種情況。效率ηC

＝Po/PD，在欠壓時(shí)，PD變化很小，所以隨Po的增加而增加；到達(dá)臨界狀態(tài)，開(kāi)始時(shí)Po的下降沒(méi)有PD下降快，因而繼續(xù)增加，但增加緩慢。隨著RΣ的繼續(xù)增加，Po因Ic1m的急劇下降而下降，因而略有減小。由此可知，在靠近臨界的弱過(guò)壓狀態(tài)出現(xiàn)的最大值。利用負(fù)載特性所反映的電流、電壓和功率的變化關(guān)系，可以幫助我們認(rèn)識(shí)功率放大器的不同特點(diǎn)。并且根據(jù)不同工作狀態(tài)的特點(diǎn)，使放大器得到合理的運(yùn)用，并能更好地滿足高頻設(shè)備提出的要求。(1)作為末級(jí)功率放大器，要求輸出足夠大的功率和具有較高的效率，采用臨界工作狀態(tài)是合理的。(2)過(guò)壓狀態(tài)具有較高的效率，并具有恒壓性質(zhì)，因此它較適合用于中間級(jí)。這時(shí)它能向后級(jí)提供比較穩(wěn)定的激勵(lì)電壓。欠壓狀態(tài)的輸出功率與效率都比較低，而且集電極耗散功率大，輸出電壓又不夠穩(wěn)定，一般不選擇在此狀態(tài)工作。但在某些場(chǎng)合，例如線性功率放大器等則必須工作在欠壓狀態(tài)才能得到非線性失真為最小的有用輸出信號(hào)。三種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)綜合如下：3.2.3諧振功率放大器的調(diào)制特性在高頻功率放大器中，有時(shí)通過(guò)改變它的某一電極直流電壓來(lái)改變高頻信號(hào)的振幅，從而實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制的目的。高頻功率放大器的調(diào)制特性分為集電極調(diào)制特性與基極調(diào)制特性。集電極調(diào)制特性圖3.8集電極電壓變化的波形圖當(dāng)VCC較小即為圖3.8的VCC1時(shí)，放大器工作于過(guò)壓工作狀態(tài)。在過(guò)壓區(qū)，集電極電流為有凹陷的尖頂余弦脈沖，隨著VCC增加時(shí)，Q點(diǎn)向右移動(dòng)，相當(dāng)于動(dòng)態(tài)線沿VCC增加的方向平移，則過(guò)壓程度降低，Ic1m、Ic0增加，由于負(fù)載電阻保持不變，此時(shí)Ucm與Ic1m、Ic0的變化規(guī)律一致。增加VCC直到VCC2，此時(shí)放大器工作在臨界狀態(tài)，集電極電流為尖頂余弦脈沖。在臨界狀態(tài)，進(jìn)一步增加VCC，此時(shí)放大器工作在欠壓狀態(tài)，集電極電流為尖頂余弦脈沖。在欠壓狀態(tài)，Ic1m、Ic0幾乎保持不變，Ucm也保持不變。根據(jù)上面的討論，Ic1m、Ic0與Ucm隨VCC的變化關(guān)系如圖3.9所示。要實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，就必須選擇輸出高頻信號(hào)的振幅與集電極電壓VCC呈現(xiàn)線性關(guān)系。在圖3.9中，要實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)制，則必須工作在過(guò)壓工作狀態(tài)。圖3.9集電極調(diào)制特性基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指僅改變基極偏置電壓VBB時(shí)，放大器的電流、電壓等的變化特性，其波形如圖3.10所示。圖3.10基極電壓變化的波形圖當(dāng)基極偏置電壓較小時(shí)，此時(shí)工作在欠壓狀態(tài)，集電極電流為尖頂余弦脈沖，電流Ic1m、Ic0隨著VBB的增加而增加；當(dāng)基極偏置電壓增加時(shí)到VBB2時(shí)，放大器工作在臨界狀態(tài)，此時(shí)集電極電流為尖頂余弦脈沖；在臨界狀態(tài)進(jìn)一步增大VBB，則放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)，集電極電流出現(xiàn)了凹陷，隨著VBB的增加，電流Ic1m、Ic0基本保持不變。Ic1m、Ic0與Ucm隨VBB的變化關(guān)系如圖3.11所示。圖3.11基極調(diào)制特性要實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，就必須選擇輸出高頻信號(hào)的振幅與基極電壓VBB呈線性關(guān)系。在圖3.11中，要實(shí)現(xiàn)基極調(diào)制，則必須工作在欠壓工作狀態(tài)。3.2.4諧振功率放大器的放大特性諧振功率放大器的放大特性是指僅改變輸入信號(hào)振幅時(shí)，放大器的電流、電壓等的變化特性，其分析過(guò)程與基極偏置電壓VBB類似。當(dāng)Uim較小時(shí)，此時(shí)放大器工作在欠壓工作狀態(tài)，集電極電流為尖頂余弦脈沖，Ic1m、Ic0隨Uim的增加而增加；當(dāng)Uim增大到過(guò)壓區(qū)時(shí)，集電極電流出現(xiàn)了凹陷，Ic1m、Ic0基本保持不變。Ic1m、Ic0與Ucm隨Uim的變化關(guān)系如圖3.12所示。圖3.12放大特性3.2.5諧振功率放大器的調(diào)諧特性在前面分析諧振功率放大器的各種特性時(shí)，都是假定負(fù)載回路調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率，因而呈現(xiàn)一純電阻，且阻值最大。在實(shí)際的諧振功率放大器使用過(guò)程中，需要通過(guò)回路電容C對(duì)其進(jìn)行調(diào)諧。諧振功率放大器的電流Ic1m、Ic0與Ucm隨回路電容C的變化特性稱為調(diào)諧特性，利用調(diào)諧特性指示放大器是否工作于諧振狀態(tài)。當(dāng)回路失諧時(shí)，回路呈現(xiàn)感性或者容性，稱為感性失諧或者容性失諧。在失諧時(shí)，回路等效阻抗的模值減小，工作狀態(tài)會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。現(xiàn)假設(shè)諧振功率放大器原先工作在臨界狀態(tài)，當(dāng)回路失諧時(shí)，根據(jù)諧振功率放大器的負(fù)載特性，此時(shí)工作在欠壓狀態(tài)，則電流Ic1m、Ic0基本不變，而輸出電壓Ucm隨等效阻抗的模值減小而減小，如圖3.13所示。圖3.13高頻功率放大器的調(diào)諧特性

由于放大器在失諧時(shí)，輸出電壓下降，而電流Ic1m、Ic0基本不變，就導(dǎo)致了直流功耗不變而輸出功率降低，則集電極功耗將增加，因此高頻功率放大器必須保持在諧振狀態(tài)。在調(diào)諧的過(guò)程中，調(diào)諧時(shí)間要迅速，在實(shí)際中可通過(guò)降低集電極電壓VCC或者減小輸入信號(hào)幅度等措施以避免損壞晶體管。【例3.2】一高頻功率放大器工作在臨界狀態(tài)，其電源電壓Vcc=18V，臨界飽和線斜率為gcr=0.6A/v，導(dǎo)通角θ=60o

，集電極電流Icm=0.45A，求等效負(fù)載RΕ、輸出功率Po、直流功率PD以及集電極效率ηc。解：得而則3.3諧振功率放大器電路高頻功率放大器與其他放大器一樣，其輸入端和輸出端的外電路由直流饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)所組成。由于工作場(chǎng)合以及工作頻率的不同，電路組成形式也不相同，下面對(duì)常用的電路形式予以討論。3.3.1直流饋電電路直流饋電電路包括集電極和基極饋電電路。直流饋電電路的作用是：一方面需在高頻諧振功率放大器的輸入回路與輸出回路加上合適的直流偏壓，以使放大器正常的工作；另一方面由于電源是作為一個(gè)系統(tǒng)的公共部分，要求高頻信號(hào)不能通過(guò)直流電源以免對(duì)其他的單元電路產(chǎn)生干擾。集電極直流饋電電路對(duì)于集電極電路，由于其電流是脈沖形狀，包含各種頻率成分，電路的組成原則如下。(1)由于直流Ic0是產(chǎn)生直流功率的，Ic0由VCC經(jīng)過(guò)外電路提供給集電極，應(yīng)該是除了晶體管的內(nèi)阻外，沒(méi)有其他電阻消耗能量。因此，要求外電路對(duì)直流Ic0的等效電路如圖3.14(a)所示。(a)直流等效電路(2)基波分量Ic1m應(yīng)通過(guò)負(fù)載電路，以產(chǎn)生所需要的高頻輸出功率。因此，Ic1m只應(yīng)在負(fù)載回路產(chǎn)生電壓降，其余部分對(duì)于Ic1m來(lái)說(shuō)，都應(yīng)該是短路的。所以對(duì)于Ic1m的等效電路如圖3.14(b)所示。(b)基波等效電路(3)外電路對(duì)高次諧波Icnm為短路到地，如圖3.14(c)所示。(c)高次諧波等效電路要滿足以上幾條原則，可以采用串聯(lián)饋電電路與并聯(lián)饋電電路兩種電路，簡(jiǎn)稱串饋與并饋。串饋是指直流電源、晶體管以及諧振負(fù)載回路三者之間是串聯(lián)連接的，如圖3.15(a)所示。并饋是將上述三部分并聯(lián)連接，如圖3.15(b)所示。在圖3.15中，Lc是大電感，稱為高頻扼流圈，其對(duì)高頻電流呈現(xiàn)很大的阻抗，阻止高頻電流通過(guò)，近似為斷路；Cc1、Cc2是大電容，分別稱為高頻旁路電容和耦合電容，其對(duì)高頻電流呈現(xiàn)很小的阻抗，近似為短路。Lc與Cc1構(gòu)成電源濾波電路，用以避免高頻信號(hào)通過(guò)直流電源而產(chǎn)生寄生干擾影響其他電路的正常工作。不管是并饋還是串饋，交流電壓與直流電壓都是串聯(lián)疊加在一起的，滿足。(a)串饋(b)并饋圖3.15集電極饋電電路基極直流饋電電路要使放大器工作在丙類，功率管基極應(yīng)加反向偏置電壓或小于導(dǎo)通開(kāi)啟電壓Uon的正向偏置電壓。當(dāng)基極的偏置電壓通過(guò)外加電壓方式實(shí)現(xiàn)的，稱為固定偏壓方式；由基極直流電流或發(fā)射極電流流過(guò)電阻而產(chǎn)生的偏壓，稱為自給偏壓方式。常見(jiàn)的自給偏壓方式如圖3.16所示。圖3.16(a)是利用基極電流脈沖iB中直流分量IB0經(jīng)RB產(chǎn)生偏置電壓，根據(jù)IB0的流向，則該偏置電壓給基極加了一個(gè)反向偏置電壓。高頻旁路電容CB使iB的基波以及各次諧波電流到地而不經(jīng)過(guò)RB，從而使RB上產(chǎn)生穩(wěn)定的直流壓降。通過(guò)改變RB的大小可以調(diào)節(jié)反向偏置電壓的大小。圖3.16(b)利用發(fā)射極電流的直流分量IE0在發(fā)射極偏置電阻RE上產(chǎn)生所需要的VBB。其分析方法與圖3.16(a)的分析類似，都是直流負(fù)反饋電路，RB、RE都是負(fù)反饋電阻，可以穩(wěn)定輸出電壓振幅。圖3.16(c)是利用高頻扼流圈LB中固有的直流電阻以及晶體管基區(qū)體電阻Rbb′對(duì)基極實(shí)現(xiàn)一個(gè)較小的反向偏置，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、元件用得少；缺點(diǎn)是數(shù)值較小且不夠穩(wěn)定，因而一般只在需要小的VBB時(shí)才采用這種電路。

3.3.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)高頻功率放大器中都采用一定形式的回路，以使它的輸出功率能有效地傳輸?shù)截?fù)載。一般來(lái)說(shuō)，放大器與負(fù)載之間所用的回路可以用圖3.17所示的四端網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。圖3.17放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)于理想的阻抗變換，即在頻率很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，一般可采用LC選頻匹配網(wǎng)絡(luò)。LC選頻匹配網(wǎng)絡(luò)有倒L形、T形以及π形等形式，下面對(duì)其阻抗變換特性予以討論。倒L形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)倒L形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)是由兩個(gè)異性電抗元件接成倒L形結(jié)構(gòu)的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，是最簡(jiǎn)單的阻抗變換電路，有兩種連接方式，可分別將低阻抗變?yōu)楦咦杩挂约案咦杩棺優(yōu)榈妥杩埂D3.18(a)所示電路為低阻抗變?yōu)楦咦杩沟倪x頻匹配網(wǎng)絡(luò)。其中X1、X2為兩個(gè)異性質(zhì)的電抗元件，RL是負(fù)載電阻，RE是二端網(wǎng)絡(luò)在工作頻率處的等效輸入電阻。(a)倒L形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)

(b)等效電路圖3.18低阻抗變高阻抗倒L形阻抗選頻匹配網(wǎng)絡(luò)將圖3.18(a)中的X2和RL的串聯(lián)電路用并聯(lián)電路來(lái)等效，得到圖3.18(b)所示電路。由串聯(lián)-并聯(lián)電路阻抗變換關(guān)系有在工作頻率上，圖3.18(b)所示電路發(fā)生并聯(lián)諧振，有由于Qe>1，則圖3.18(a)所示的倒L形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)能將低阻抗負(fù)載變換為高阻抗負(fù)載，其變換倍數(shù)取決于品質(zhì)因數(shù)Qe的大小。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在已知負(fù)載RL和等效負(fù)載RE的情況下，品質(zhì)因數(shù)Qe為：根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義，得到兩個(gè)異性質(zhì)電抗元件為如果外接負(fù)載RL較大，而放大器所要求的負(fù)載電阻RE較小，可采用圖3.19(a)所示電路。將X2與RL并聯(lián)形式等效變換為Xs與Rs的串聯(lián)形式，如圖3.19(b)所示。(a)倒L形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)

(b)等效電路圖3.19高阻抗變低阻抗倒L形阻抗選頻匹配網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)-并聯(lián)電路阻抗變換關(guān)系在工作頻率上，圖3.19(b)所示電路發(fā)生串聯(lián)諧振可得品質(zhì)因數(shù)為得到兩個(gè)異性質(zhì)電抗元件為【例3.3】已知一諧振功率放大器，其工作頻率f=20MHz，該放大器工作在臨界狀態(tài)所需要的等效阻抗為，求：

(1)當(dāng)負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)該選頻匹配網(wǎng)絡(luò)；

(2)若該負(fù)載為感性負(fù)載，由10Ω電阻和0.2μH電感串聯(lián)組成，此選頻匹配網(wǎng)絡(luò)該如何設(shè)計(jì)？解：(1)由題意可知，匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該使負(fù)載值增大，故采用圖3.18(a)所示的倒L形網(wǎng)絡(luò)。因此有由0.16μH電感和318pF電容組成的倒L形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3.20(a)所示。圖3.20（2）當(dāng)負(fù)載由10Ω電阻和0.2μH電感串聯(lián)組成時(shí)0.2μH電感在20MHz時(shí)的電抗值為因此有由1560pF和318pF兩個(gè)電容組成的倒L形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3.20(b)所示。為設(shè)計(jì)所要求的匹配網(wǎng)絡(luò)，即當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由電容C2與負(fù)載電感L的串聯(lián)部分的等效阻抗等效為圖3.20(a)所示的L2的電抗。圖3.20T型、π型選頻匹配網(wǎng)絡(luò)倒L型網(wǎng)絡(luò)電路簡(jiǎn)單，但由于只有兩個(gè)元件可以選擇，因此在滿足阻抗匹配關(guān)系時(shí)，回路的Q值就確定了，其變換關(guān)系為，當(dāng)要求變換的倍數(shù)不高時(shí)，回路的Q值低，則濾波效果不好。為了克服這一矛盾，可采用T型或者π型選頻匹配網(wǎng)絡(luò)，分別如圖3.21(a)、(b)所示。圖3.21T形和π形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)下面就以T形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)為例，說(shuō)明T形和P形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)的工作原理以及相關(guān)參數(shù)的求取。圖3.22T形拆成兩個(gè)倒L形電路將圖3.21(a)所示的T形選頻匹配網(wǎng)絡(luò)分解為兩個(gè)倒L形網(wǎng)絡(luò)的組合，如圖3.22虛線框所示，圖中。設(shè)Qe1、Qe2分別為右、左兩個(gè)倒L形網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，RE1為右邊選頻匹配網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗。由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可知，在工作頻率處，右網(wǎng)絡(luò)可以增大負(fù)載阻抗的等效值，而左網(wǎng)絡(luò)可以減小右網(wǎng)絡(luò)等效阻抗的等效值。

則有得通過(guò)兩個(gè)倒L形網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)的恰當(dāng)選擇，就可以兼顧到濾波和阻抗匹配的要求。3.3.3諧振功率放大器電路舉例圖3.23所示是頻率為160MHz的諧振功率放大器電路，該電路通過(guò)高頻扼流圈Lb給基極提供自給偏壓電路，集電極饋電采用并饋方式，電源VCC通過(guò)高頻扼流圈Lc給集電極供電，電容Cc為高頻旁路電容，濾除高次諧波以免其通過(guò)電源形成寄生干擾。圖3.23160MHz諧振功率放大器電路在高頻功率放大器的輸入端采用由C1、C2、L1組成的T形匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)諧使該網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為160MHz，一方面起濾波的作用，濾除160MHz以外信號(hào)的進(jìn)入；另一方面起阻抗變換的作用，即將放大器的輸入阻抗變換為與前級(jí)阻抗相匹配。高頻功率放大器的輸出端由C3、C4、L1組成的倒L形匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整C3、C4使該網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為160MHz，一方面濾除放大器工作在非線性狀態(tài)所產(chǎn)生的高次諧波；另一方面進(jìn)行阻抗變換，將負(fù)載變換為放大器所要求的最佳阻抗。3.4D、E類功率放大器概念高頻功率放大器的主要指標(biāo)是如何盡可能地提高其輸出功率與效率。丙類放大器是采取減小電流導(dǎo)通角θ以減小集電極電流中的直流分量的方法來(lái)提高其效率。但是導(dǎo)通角θ的減小是有一定限制的，因?yàn)閷?dǎo)通角θ減小，為了使輸出功率符合要求，就必須增大輸入信號(hào)的振幅，這樣就給前級(jí)放大器增加了負(fù)擔(dān)。放大器集電極效率為要提高放大器集電極效率，需要盡可能地減小集電極耗散功率PC，而可見(jiàn)，要減小集電極耗散功率PC，一種方法是減小PC的積分區(qū)間，即減小電流導(dǎo)通角θ，這就是丙類放大器所采用的方法；另一種方法就是減小iC與uCE的乘積，即電流導(dǎo)通角θ固定為90°，放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)：當(dāng)uCE處于高電壓時(shí)，使流過(guò)的電流iC很??；當(dāng)通過(guò)器件的電流很大時(shí)，使器件兩端電壓很低。這樣，在理想情況下，iC與uCE的乘積接近于零，其效率接近100%。3.4.1D類功率放大器D類、E類放大器有電壓開(kāi)關(guān)型和電流開(kāi)關(guān)型兩種電路，下面就以電壓開(kāi)關(guān)型電路為例，介紹D類諧振功率放大器的工作原理。圖3.24(a)所示為電壓開(kāi)關(guān)型D類功率放大器原理圖。圖3.24D類放大器原理圖及電壓、電流波形圖中輸入信號(hào)電壓ui是角頻率為的正弦信號(hào)，而且幅度足夠大。該輸入信號(hào)通過(guò)變壓器Tr在次級(jí)產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的推動(dòng)電壓ub1和ub2，分別加到兩個(gè)相同型號(hào)的同類放大器VT1和VT2的輸入端，使得當(dāng)其中一管從導(dǎo)通到飽和狀態(tài)時(shí)，另一管截止。負(fù)載電阻RL和L、C構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，調(diào)諧頻率為輸入信號(hào)的頻率。忽略VT1和VT2的飽和壓降UUES，當(dāng)在輸入信號(hào)的正半周時(shí)，VT1飽和，VT2截止，則VT2的集電極對(duì)地電壓UCE2為電源電壓VCC；當(dāng)在輸入信號(hào)的負(fù)半周時(shí)，VT1截止，VT2飽和，則VT1的集電極對(duì)地電壓UCE1為電源電壓VCC。因此，VT2輸出端的電壓在0～VCC之間輪流變化。VT1、VT2的集電極電流iC1、iC2為高頻余弦脈沖。當(dāng)串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率上，且回路等效品質(zhì)因數(shù)Qe足夠高時(shí)，通過(guò)回路的是UCE2方波電壓的基波分量，這樣在負(fù)載RL上得到與輸入信號(hào)頻率相同的正弦信號(hào)。UCE2、iC2、iC2以及輸出電壓uo如圖3.24(b)所示。由圖3.24(b)可知，在理想情況下，兩管的集電極損耗都為0，故理想的集電極效率可達(dá)100%。實(shí)際上，由于晶體管結(jié)電容的存在，在高頻工作時(shí)，晶體管VT1、VT2的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度不夠高，電壓UCE2會(huì)有一定的上升沿和下降沿，如圖3.24(b)虛線所示，這樣會(huì)導(dǎo)致兩管在瞬間同時(shí)導(dǎo)通或斷開(kāi)，將使晶體管的耗散功率增大，放大器的實(shí)際效率降低，這種現(xiàn)象會(huì)隨輸入信號(hào)頻率的增加而更嚴(yán)重。為了克服上述缺點(diǎn)，在D類放大器的基礎(chǔ)上采用特殊輸出回路，提出了E類功率放大器。3.4.2E類功率放大器E類高頻功率放大器的電路原理圖與等效電路圖分別如圖3.25(a)、3.25(b)所示，其是單管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電容C0為晶體管的結(jié)電容和外加補(bǔ)充電容；L與C為串聯(lián)諧振回路，調(diào)諧于輸入信號(hào)的頻率上；L1是激勵(lì)電感，jX是補(bǔ)償電抗，用以校正輸出電壓相位，以獲得高的集電極效率。(a)

E類功率放大器電路圖

(b)

E類功率放大器等效電路圖圖3.25E類功率放大器電路圖及等效電路圖E類功率放大器在信號(hào)一個(gè)周期的工作過(guò)程如下。(1)當(dāng)在信號(hào)的正半周時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，輸出電壓，電容C0的電流，iC將隨輸入信號(hào)的變換規(guī)律而進(jìn)行變換。(2)當(dāng)在信號(hào)的負(fù)半周時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則iC突變?yōu)?，iL1開(kāi)始向電容C0充電，充電不久后電容又給負(fù)載放電，得到輸出電壓UCE的波形，如圖3.26所示。由圖3.26可知，在E類功率放大電路中，當(dāng)UCE=0時(shí)才有集電極電流，克服了D類在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的集電極功耗，故其效率很高。圖3.26E類功率放大器波形圖3.5集成射頻功率放大器及其應(yīng)用簡(jiǎn)介

在射頻和非線性狀態(tài)下的射頻功率放大器和各種功能部件的設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的，通常需要通過(guò)大量的調(diào)整、測(cè)試工作，才能使它們的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，國(guó)內(nèi)外的制造廠商制造了大量的射頻模塊放大器，這種射頻模塊放大器組件可完成振蕩、混頻、調(diào)制、功率合成與分配等各種功能。這些組件體積小，可靠性高，輸出功率一般在幾瓦至幾十瓦之間。下面以日本三菱公司的M57704系列介紹其結(jié)構(gòu)與工作原理。三菱公司的M57704系列高頻功率放大器是一種厚膜混合集成電路，包含有多個(gè)型號(hào)，頻率范圍為335～512MHz，各種型號(hào)的工作頻率如表3.1所示。表3.1三菱公司M57704系列的工作頻率型號(hào)工作頻率/MHz型號(hào)工作頻率/MHzM57704EL335～360M57704M430～450M57704SL360～380M57704H450～470M57704UL380～4