第三章高頻功率放大器

第3章高頻功率放大器

3.1諧振功率放大器的工作原理

3.2

諧振功率放大器的特性分析

3.3諧振功率放大器電路

3.4丁類諧振功率放大器與丙類倍頻器

3.5

寬帶高頻功率放大器

本章小結(jié)3.1諧振功率放大器的工作原理掌握諧振功率放大器的電路組成、工作原理和工作特點。掌握諧振功率放大器輸出功率和效率的估算。主要要求：

3.1.1基本工作原理一、電路組成

VBB使放大器工作于丙類。LC回路調(diào)諧于輸入信號的中心頻率，構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。

RL為功放外接等效負載電阻二、電壓、電流波形可見：設(shè)置VBB<UBE(on)

，使晶體管工作于丙類。當輸入信號較大時，可得集電極余弦電流脈沖。將LC回路調(diào)諧在信號頻率上，就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。在一個信號周期內(nèi)，只有小于半個信號周期的時間內(nèi)有集電極電流流通（丙類放大），形成余弦脈沖電流。iCmax是余弦脈沖電流的最大值，θ是導(dǎo)通角（＜90o

）。LC諧振回路的作用：（1）選頻。濾除余弦脈沖電流中的直流和各次諧波，輸出不失真的余弦波電壓；（2）阻抗匹配。通過調(diào)節(jié)L、C可將RL轉(zhuǎn)換成功放管所需的負載值Re。uc與ui

反相。當uBE為uBEmax時，iC

為iCmax

，而uCE為uCEmin。ic不僅出現(xiàn)時間短，而且只在uCE很小的時段內(nèi)出現(xiàn)，因此集電極損耗很小，功放效率較高。

諧振功率放大電路與小信號諧振放大電路有何區(qū)別？（1）作用與要求不同。小信號諧振放大器主要用于高頻小信號的選頻放大，要求有較高的選擇性和諧振增益；諧振功放主要用于高頻信號的功率放大，要求效率高，輸出功率大。（2）工作狀態(tài)不同。小信號諧振放大器輸入信號很小，要求失真小，故工作在甲類狀態(tài)；諧振功放為大信號放大器，為了提高效率，工作在丙類狀態(tài)。（3）對諧振回路要求不同。小信號諧振放大器主要用來選擇有用信號抑制干擾信號，要求它有較高的選擇，故回路的Q值較高；而諧振功放諧振回路主要用于抑制諧波，實現(xiàn)阻抗匹配，輸出大功率，所以回路的Q值低。3.1.2余弦電流脈沖的分解可證明可將iC的脈沖序列展開為查看證明過程…00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()3.1.3輸出功率與效率集電極電壓利用系數(shù)，在盡限使用時，甲類工作狀態(tài)：乙類工作狀態(tài)：丙類工作狀態(tài)：設(shè)00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()例下圖所示電路中，VCC=24V，Po=5W，=70o，

=0.9,

求該功放的C、

PD、PC、iCmax

和回路諧振阻抗Re解：00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()解：作業(yè)：1-5說明：諧振回路諧振電阻Re比較小，是因為功放需要輸出較大功率。Re小會使回路等效Qe值下降。例下圖所示電路中，VCC=24V，Po=5W，=70o，

=0.9,

求該功放的C、

PD、PC、iCmax

和回路諧振阻抗Re3.2諧振功率放大器的特性分析理解諧振功放過壓、欠壓、臨界工作狀態(tài)的概念與特點。掌握丙類諧振功放的負載特性。了解VCC、VBB

、Uim對諧振功放工作狀態(tài)及性能的影響。了解諧振功放的應(yīng)用及調(diào)試方法。主要要求：

3.2.1諧振功率放大器工作狀態(tài)與負載特性放大器工作狀態(tài)的分類：按晶體管導(dǎo)通時間長短分甲類（始終導(dǎo)通）乙類（半周導(dǎo)通）甲乙類（大半周導(dǎo)通）丙類（小半周導(dǎo)通）丙類諧振功放按晶體管是否進入飽和區(qū)分欠壓（不進入飽和區(qū)）過壓（進入飽和區(qū)）臨界（達到臨界飽和）一、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)欠壓臨界過壓欠壓：輸出電壓幅值Ucm

較小，uCEmin

較大，晶體管不會工作到飽和區(qū)。iC

為尖頂余弦脈沖。臨界：增大Ucm，uCEmin

就減小，放大器在uCE=uCEmin

時工作于放大和飽和的臨界點上。iC

為頂端變化平緩的余弦脈沖。過壓：

Ucm

過大，使uCEmin<

UCE(sat),在ωt=0附近，晶體管工作在飽和區(qū)，iC

為凹陷余弦脈沖。iC

凹陷的原因是諧振回路作負載。飽和時，uBE

對iC

的影響很小，但回路選出的uc

值繼續(xù)增大，使uCE

繼續(xù)減小，使iC

迅速減小，從而出現(xiàn)凹陷。Ucm

越大，uCEmin

越小，凹陷越深，脈沖高度越小。二、負載特性

VCC、VBB、Uim

不變時，放大器的電流、電壓、功率和效率等隨諧振回路的諧振電阻Re變化的特性稱為放大器的負載特性。Re，使Ucm，uCEmin，放大器從欠壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)過渡到過壓區(qū)。電流、電壓變化曲線功率、效率變化曲線PD與Ｉc0變化規(guī)律相同。PO在臨界時最大。PC

在回路阻抗很小時很大！因此，回路失諧大時易損壞功率管，須加以注意。臨界狀態(tài)時PO最大、PC較小、效率較高，諧振功放接近最佳性能相應(yīng)的Re值稱為諧振功放的匹配負載，由下式確定：Ucm=Ic1mRe3.2.2VCC對放大器工作狀態(tài)的影響

Re、VBB、Uim

不變，

VCC時，使uCEmin，使放大器從過壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)過渡到欠壓區(qū)。過壓欠壓把Re、VBB、Uim

不變時，Ucm

隨VCC變化的特性稱為集電極調(diào)制特性。諧振功放用作集電極調(diào)制電路時，必須工作于過壓區(qū)。過壓區(qū)變化明顯3.2.3Uim和VBB對放大器工作狀態(tài)的影響一、Uim對放大器工作狀態(tài)的影響

把Re、VBB、VCC不變時，Ucm

隨Uim

變化的特性稱為放大特性或振幅特性。過壓欠壓欠壓區(qū)變化明顯諧振功放用作線性放大器時應(yīng)工作于欠壓區(qū)，若工作于過壓區(qū)，則成為限幅器。

二、VBB對放大器工作狀態(tài)的影響

把Re、Uim

、VCC不變時，Ucm隨VBB變化的特性稱為基極調(diào)制特性。過壓欠壓欠壓區(qū)變化明顯諧振功放用作基極調(diào)制電路時，必須工作于欠壓區(qū)。思考討論題1.諧振功放原工作于臨界狀態(tài)，若集電極回路稍有失諧，放大器的IC0、IC1m、PC將如何變化？有何危險？答案：回路阻抗減小，使放大器工作于欠壓區(qū)，IC0

和IC1m

略增大；PC增大；失諧大時可能燒壞晶體管。ReOIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓RePO欠壓臨界過壓PoPomaxPDPCc2某諧振功放，當增大VCC時，發(fā)現(xiàn)輸出功率增大，則為什么？若發(fā)現(xiàn)輸出功率增大不明顯，則又為什么？答案：Po增大明顯，則表明諧振功放原來工作于過壓區(qū)；否則表明諧振功放原來工作于欠壓區(qū)（或臨界狀態(tài)）。3.3諧振功率放大器電路主要要求：

了解諧振功放的常用直流饋電電路及其特點。了解諧振功放濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，了解常用濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的組成、分析與設(shè)計方法。3.3.1直流饋電電路一、集電極直流饋電電路串饋電路并饋電路雖然電路結(jié)構(gòu)形式不同，但都實現(xiàn)了：串饋電路特點：

LC回路處于直流高電位，

回路元件不能直接接地并饋電路特點：

LC回路處于直流低電位，回路元件能直接接地，易安裝。但LC

、CC1并聯(lián)于回路，其分布參數(shù)直接影響諧振回路的調(diào)諧。

LC

、CC1構(gòu)成電源濾波器，避免信號電流通過直流電源而產(chǎn)生級間反饋。二、基極偏置電路要使晶體管工作于丙類，基極應(yīng)加反向偏壓或小于UBE(on)的正向偏壓。自給偏置電路利用IB0在RB產(chǎn)生的直流電壓獲得偏壓電壓：VBB=－IB0RB調(diào)節(jié)RB

，可調(diào)節(jié)反偏電壓大小。利用IB0在LB的固有直流電阻上產(chǎn)生的直流電壓獲得偏置電壓。自給偏置電路中，未加輸入信號時，iB=0，因此偏置電壓也為零。當輸入信號幅度由小加大時，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幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng)。二、基極偏置電路要使晶體管工作于丙類，基極應(yīng)加反向偏壓或小于UBE(on)的正向偏壓。分壓式基極偏置電路兩個電阻分壓，取RB2上的壓降作為功率管基極正向偏置電壓，為保證丙類工作，其值應(yīng)小于功率管的導(dǎo)通電壓。由于自給偏壓效應(yīng)，該圖中基極偏置電壓動態(tài)值要比靜態(tài)值小。思考討論題放大電路中自給偏置電路有何特點?說明產(chǎn)生自偏壓的條件。解：在三極管諧振功率放大器中，利用基極或發(fā)射極脈沖電流的直流成分產(chǎn)生基極偏壓的電路稱自偏壓電路，其主要特點是三極管電路工作在非線性狀態(tài)，只能提供反向偏壓，而且自偏壓的大小與輸入電壓的幅度有關(guān)。自偏壓形成的條件是電路中存在非線性導(dǎo)通現(xiàn)象。3.3.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)一、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用和要求濾波和匹配在所需頻帶內(nèi)進行有效的阻抗變換，給放大器提供Reopt

有效濾除不需要的諧波成分將有用功率高效率地傳送給負載，故其固有損耗要小。主要要求注意：在丙類諧振功放中，把RL變換為Reopt

，以獲得最大輸出功率的作用，稱為阻抗匹配。而線性電路中的阻抗匹配，指負載阻抗與信號源的輸出阻抗相等時，負載可從信號源取得最大功率。二、LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換作用1.串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗轉(zhuǎn)換RSXSYSXPRPYP串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變換后，電抗性質(zhì)不變。RSXSYSXPRPYP串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變換后，電抗性質(zhì)不變。

Qe>>1時，變換前后電抗元件參數(shù)變化不大，而將小的RS變?yōu)榇蟮腞P。串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗轉(zhuǎn)換結(jié)論：解：RSLSLPRP例3.3.1100nH10下圖中，已知f=100MHz，求LP和RP。=102.5nH解：例3.3.250pF下圖中，已知f=50MHz，求CS和RS。RPCP200RSCS=55pF2.L形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換當工作頻率為并聯(lián)諧振頻率時，應(yīng)用中，根據(jù)阻抗匹配要求確定Qe，即低阻變高阻型例3.3.3已知某諧振功放的f=50MHz，RL=10，所需的匹配負載為Re=200

，試確定L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。=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)計如下解：解：LRPCRL高阻變低阻型當工作頻率為串聯(lián)諧振頻率時，Qe根據(jù)阻抗匹配要求確定，即3.π形和T形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)或則在RL和Re相差不大時，Qe

很小，會使濾波性能很差，這時可采用π型或T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。恰當選擇兩個L型網(wǎng)絡(luò)的Q值，就可兼顧濾波和阻抗匹配的要求。低阻變高阻高阻變低阻π形T形作業(yè)：7-93.3.3諧振功率放大器應(yīng)用電路T形和L形輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)：L形和T形網(wǎng)絡(luò)使功率管的輸入阻抗在工作頻率上變換為前級要求的50Ω匹配電阻。使外接負載阻抗在工作頻率上變換為功率管所要求的最佳負載阻抗。自給偏壓并饋輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路就可使RL變換成放大器所要求的最佳負載阻抗Reopt。經(jīng)過三個L形網(wǎng)絡(luò)并恰當選擇Qe值，使：3.4丁類諧振功率放大器與丙類倍頻器主要要求：

了解提高放大器效率的方法。了解丁類諧振功放的工作原理。了解丙類倍頻器的工作原理。3.4.1丁類諧振功率放大器如何提高功放效率？提高功放效率的方法：1.減小θ2.減小iC

uCE丙類；有限制各種高效率諧振功放的設(shè)計基礎(chǔ)例如丁類要減小PCuctuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCtuCEO如何提高功放效率呢？提高功放效率的方法：1.減小θ2.減小iC

uCE要減小PCtuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO使放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，當晶體管導(dǎo)通iC≠0時，uCE最小，約為零；而當uCE≠0時，晶體管截止，iC=0。因此，iC

uCE很小，理想情況下效率可達100%。思路丁類諧振功率放大器V1、V2兩管同類型且特性相同。兩管的激勵電壓ub1和ub2大小相等，極性相反。兩管的負載是L、C、RL構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路。（有電壓開關(guān)型和電流開關(guān)型兩類）丁類放大器原理圖工作原理：設(shè)ui

為足夠大的正弦波，則兩管輪流飽和導(dǎo)通。當V1管飽和導(dǎo)通時，uA=VCC–UCE(Sat)當V2管飽和導(dǎo)通時，uA=UCE(Sat)因此uA為方波電壓，其幅值為[VCC–2UCE(Sat)]tuAOVCC丁類諧振功率放大器UCE(sat)工作原理：當回路調(diào)諧于輸入信號頻率，且Q值足夠高時，只有uA中的基波分量能在回路中產(chǎn)生電流io，因此負載RL上得到不失真的輸出電壓uo

。tuAOVCCUCE(sat)tioOtuoO丁類諧振功率放大器工作原理：io只能由V1和V2管分別導(dǎo)通時的iC1

、iC2合成。iC1

、iC2為半波電流tuAOVCCUCE(sat)tiC1OtiC2OiC1iC2丁類諧振功率放大器工作原理：可見：丁類諧振功放中的兩管均工作于開關(guān)狀態(tài)，它們均為半周導(dǎo)通、半周截止。導(dǎo)通時，電流為半個正弦波，但管壓降約為零；截止時，管壓降很大，當電流為零，因此管耗很小，功放效率很高。tuAOVCCUCE(sat)tiC1OtiC2OiC1iC2丁類諧振功率放大器將丙類諧振功放集電極諧振回路調(diào)諧在二次或三次諧波頻率上，就可以構(gòu)成二倍或三倍頻器。通常丙類倍頻器工作在欠壓或臨界狀態(tài)，其輸出功率和效率均低于基波放大器。3.4.2丙類倍頻器輸出信號的頻率比輸入信號頻率高整數(shù)倍的電子電路，稱為倍頻器。串聯(lián)諧振回路L1、C1調(diào)諧在基波，抑制基波輸出。串聯(lián)諧振回路L2、C2調(diào)諧在二次諧波，抑制二次諧波輸出。并聯(lián)諧振回路L3、C3調(diào)諧在三次諧波頻率上三倍頻輸出帶有陷波電路的三倍頻器3.5寬帶高頻功率放大器主要要求：

了解傳輸線變壓器的工作原理和應(yīng)用特點。了解用傳輸線變壓器實現(xiàn)阻抗變換的方法。了解用傳輸線變壓器實現(xiàn)功率合成與分配的方法。了解寬帶高頻功放的工作原理。寬帶功放的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和工作特點：主要用在多頻道通信系統(tǒng)、寬帶高頻設(shè)備中。無選頻濾波功能；工作于非線性失真較小的甲類或乙類狀態(tài)，單元電路的效率低、輸出功率?。徊捎霉β屎铣膳c分配技術(shù)，實現(xiàn)多個功放聯(lián)合工作以獲得大功率輸出。利用傳輸線變壓器實現(xiàn)一、傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)與工作原理將傳輸線繞在高導(dǎo)磁率、低損耗的磁環(huán)構(gòu)成。主要特點：工作頻帶極寬,可達GHz;覆蓋系數(shù)可達104。

（普通高頻變壓器上限頻率只能達幾十MHz，覆蓋系數(shù)達幾百）RLRSus4123

+

–兩根等長導(dǎo)線緊靠并繞在高導(dǎo)磁率、低損耗的磁環(huán)上。3.5.1傳輸線變壓器接負載接地接地接信號源RLRSus4123

+

–等效結(jié)論：1.在信號源與負載之間有兩種能量傳輸途徑并行存在。2.為1:1電壓倒相電路，其阻抗變比為1:1。Rsus13

+

–RL24

+

–

+

–u1u2Rs1

+

–RL234us

+

–u1

+

–u2傳輸線電路普通變壓器電路對傳輸線變壓器要求傳輸線長度小于最小工作波長的1/8傳輸線特性阻抗這樣的傳輸線可近似看成無耗且匹配的傳輸線。無耗匹配傳輸線特點：頻帶無限寬；輸入能量完全傳送到負載。i1i2Rsus13

+

–RL24

+

–

+

–u1u2i1i2Zi勵磁電流的影響勵磁電流破壞了傳輸線兩線中電流分布的對稱性。措施：采用高導(dǎo)磁率環(huán)形磁芯，以增大一次線圈電感，從而減小勵磁電流。頻率減小時，一次線圈感抗減小，io

增大，u

減小這樣不但傳輸線兩線中電流分布不對稱，而且輸入、輸出電壓很小，可見傳輸線變壓器下限頻率受到一次線圈電感限制。小結(jié)傳輸線變壓器的工作方式是傳輸線原理與變壓器工作原理的結(jié)合，高頻時勵磁感抗很大，勵磁電流可以忽略不計，傳輸線方式起主要作用，其上限頻率取決于傳輸線長度，長度越短，上限頻率越高；低頻時傳輸線和變壓器兩種方式起作用；頻率很低時，變壓器方式起主要作用，其下限頻率受勵磁電感量限制，勵磁電感量越大，下限頻率越低。二、傳輸線變壓器的應(yīng)用實現(xiàn)1:1平衡不平衡電路轉(zhuǎn)換、阻抗變換、功率的合成與分配等。1.平衡和不平衡電路的轉(zhuǎn)換不平衡—平衡轉(zhuǎn)換平衡—不平衡轉(zhuǎn)換2.阻抗變換

4:1阻抗變換器Riii2i為實現(xiàn)阻抗匹配，要求：

1:4阻抗變換器ii2iRiRsus13

+

–RL24

+

–

+

–uuRsus13

+

–RL24

+

–

+

–uuH1H4A1H2H3AA2A4HHAAAPiPoR功率合成器的原理框圖A—10W單元放大器H—功率合成和分配網(wǎng)絡(luò)R—平衡電阻5W10W5W5W10W5W5W10W10W20W20W40W一、功率的合成與分配理想功率合成電路要求：無損失地合成各功放的輸出功率；各功放間良好隔離即任一放大器工作狀態(tài)發(fā)生變化或損壞時，不會引起其它放大器工作狀態(tài)和輸出功率變化。理想功率分配電路要求：將信號功率平均地、互不影響地分配給各獨立負載。3.5.2功率合成技術(shù)二、功率合成網(wǎng)絡(luò)Rc—

平衡電阻Tr2—

平衡—不平衡變換Tr1—

混合網(wǎng)絡(luò)Rd—合成器負載功率合成網(wǎng)絡(luò)和分配網(wǎng)絡(luò)多以傳輸線變壓器為基礎(chǔ)構(gòu)成，兩者差別僅在于端口的連接方式不同。通常通稱之為“混合網(wǎng)絡(luò)”。ia=id+i

tib=id

–

i

tic=2i

tid

=(ia+i

b)/2ic=ia

–

i

bit

=(ia

–

i

b)/2

為實現(xiàn)

阻抗匹配，要求：

Ra=Rb

=Zc

Rc=Zc

/2

Rd=2Zc若電路工作在平衡狀態(tài)，則id=ia=ib

,ic=0ud=ua＋

ub=2ua=2ub

反相功率合成網(wǎng)絡(luò)若A、B端加大小和方向均相同的電壓，則C端得合成功率，D端無輸出。則為同相功率合成器。A、B端加大小相等方向相反的電壓時，D端得合成功率，C端無輸出。A、B端加大小相等方向相反的電壓D端得合成功率C端無輸出A、B端加大小相等方向相同的電壓C端得合成功率D端無輸出三、功率分配網(wǎng)絡(luò)同相功率分配網(wǎng)絡(luò)信號由C端輸入，A、B端輸出，D為平衡端

為實現(xiàn)

阻抗匹配，要求

Ra=Rb

=Zc

Rc=Zc

/2

Rd=2Zc電橋平衡時，A、B端各得一半功率，且電壓同相；D端無功率電橋平衡時，若信號由D端引入，則A、B端各得一半，但電壓反相；C端無輸出功率。稱為反相功率分配器。Tr2構(gòu)成反相功率分配網(wǎng)絡(luò)，C為平衡端。Tr3、Tr4構(gòu)成4:1阻抗變換器，將晶體管輸入阻抗約3變?yōu)?2.5。

Tr5

構(gòu)成反相功率合成網(wǎng)絡(luò)，將晶體管輸出的反相信號在D端得到合成功率，經(jīng)Tr6

輸出。3.5.3寬帶高頻功率放大器電路Tr1構(gòu)成1:1傳輸線變壓器，實現(xiàn)不平衡平衡轉(zhuǎn)換本章小結(jié)功率放大器的任務(wù)是向負載提供不失真的功率足夠大的信號，其主要性能指標是輸出功率和效率。放大器按晶體管集電極電流流通的時間不同，可分為甲類、乙類、丙類等工作狀態(tài)，其中丙類工作狀態(tài)（導(dǎo)通角θ小于90o的狀態(tài)）效率最高，但這時晶體管的集電極電流波形失真嚴重。采用LC

諧振網(wǎng)絡(luò)作為放大器的負載，可克服工作在丙類狀態(tài)所產(chǎn)生的失真，但諧振網(wǎng)絡(luò)通帶較窄，所以丙類諧振功率放大器適用于窄帶高頻信號的功率放大。諧振功放中，根據(jù)晶體管工作是否進入飽和區(qū)，分為欠壓、臨界和過壓三種工作狀態(tài)。欠壓狀態(tài)：輸出電壓幅值Ucm比較小，uCEmin>UCE(sat)，晶體管工作時將不會進入飽和區(qū)，iC電流波形為尖頂余弦脈沖。放大器輸