高頻功率放大器

第3章高頻功率放大器作用：高效率地輸出足夠大的信號功率。諧振功率放大器寬帶高頻功率放大器放大固定頻率信號或窄帶信號，LC諧振網(wǎng)絡(luò)作為負載，需調(diào)諧。

放大變換頻率的信號或?qū)拵盘?，傳輸線變壓器作為負載，不需調(diào)諧。無線電發(fā)射機與超外差接收機的結(jié)構(gòu)框圖第3章高頻功率放大器

諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的特性分析諧振功率放大器電路

丁類諧振功率放大器

集成高頻放大器及其應(yīng)用寬帶高頻功率放大器3.1諧振功率放大器的工作原理主要要求：

理解諧振功放的電路組成，掌握其工作原理掌握丙類諧振功放輸出功率、管耗和效率的計算集電極耗散功率3.1.1

基本工作原理一、放大器的工作狀態(tài)2θ2θ2θ甲類（θ＝180?）乙類（θ＝90?）丙類（θ<90?）諧振功率放大器通常選擇工作在丙類，效率高。二、諧振功放的電路組成三、諧振功放的工作原理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)。tuBEOVBBuBE(on)tiBOiBmaxtiCOIC0iCmaxic1ic2VCCuctuCEOtuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEOiC為iCmax

時，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。諧振功放工作原理小結(jié)：設(shè)置VBB<UBE(on)

，使晶體管工作于丙類；當(dāng)輸入余弦信號時，集電極電流為余弦脈沖；將LC回路調(diào)諧在信號頻率上，可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC

原理電路3.1.2

余弦電流脈沖的分解假設(shè)不考慮器件極間電容的影響，將轉(zhuǎn)移特性曲線折線化。

t

=

時，iC=0，則故iC可寫為又t

=0

時，iC=iCmax，由上式可得故可將iC表示為將iC展開為傅里葉級數(shù)…00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()123.1.3

輸出功率與效率集電極電壓利用系數(shù)00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()12

例圖示電路中，VCC=24V，Po=5W，=70o，

=0.9,

求功放的C、

PD、PC、iCmax和回路諧振阻抗Rp解：iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC小結(jié)功率放大器的主要指標(biāo)：輸出功率和效率功率放大器的工作狀態(tài)：丙類（效率最高）丙類功率放大器的負載：LC諧振網(wǎng)絡(luò)（消除諧波）（負載匹配）（3.3節(jié)）常用公式：3.2諧振功率放大器的特性分析主要要求：

理解諧振功放過壓、欠壓、臨界工作狀態(tài)的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)的影響3.2.1

諧振功放的工作狀態(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、諧振功率放大器的動態(tài)特性

諧振功率放大器的動態(tài)特性：當(dāng)諧振功率放大器加上信號源及負載阻抗時，晶體管電流與電極電壓的關(guān)系曲線。

諧振功率放大器的動態(tài)特性指：晶體管內(nèi)部特性與外部特性結(jié)合的特性，即為實際的放大器的工作特性。二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線晶體管實際特性和理想折線

根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VD的一條直線來表示(VD為截止偏壓)。理想化折線（虛線）icgceb0VDic過壓區(qū)臨界線欠壓區(qū)ebec0(a)(b)gcr三、動態(tài)特性的作法(1)寫出和表達式(2)作出動態(tài)特性(3)畫出波形(4)根據(jù)圖進行討論1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。

在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。四、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)1、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)VCCOuCEωtVCCucuCEminuCEmin=VCC

－UcmuCE=VCC

－uctiCO欠壓區(qū)tiCO過壓區(qū)tiCO臨界2、諧振電阻Re對集電極電流的影響(3)討論3、負載特性VCC、VBB、Vim不變時，放大器的工作狀態(tài)、電流、電壓和功率以及效率隨Re的變化而變化的關(guān)系。tiCORe放大器從欠壓→臨界→過壓。VCC、VBB、Vim不變時，，Im，，以及IQ基本不變。諧振功放的負載特性RPOIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓RPO欠壓臨界過壓PoPDPCcPC在回路阻抗很小時很大！因此，回路失諧大時易損壞功率管！臨界時Po最大，PC較小，效率較高，功放性能最佳。3.2.2

VCC

對諧振功放工作狀態(tài)的影響tiCORP、VBB、Uim不變，

VCC，放大器從過壓區(qū)→臨界→欠壓區(qū)。用作集電極調(diào)制電路時，工作于過壓區(qū)。RP、VBB、Uim不變時，Ucm隨VCC變化的特性稱為集電極調(diào)制特性。3.2.3

Uim和VBB

對諧振功放工作狀態(tài)的影響1.Uim對放大器工作狀態(tài)的影響RP、VBB、VCC不變，

Uim

，放大器從欠壓→臨界→過壓tiCO

UimIUO欠壓臨界過壓IC0Ic1mUcmRP、VBB、VCC不變，Ucm隨Uim變化的特性稱為放大特性。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。2.VBB對放大器工作狀態(tài)的影響

VBBIUO欠壓臨界過壓UcmIc1mIC0RP、VCC、Uim不變時，Ucm隨VBB變化的特性稱為基極調(diào)制特性諧振功放用作基極調(diào)制電路時，必須工作于欠壓區(qū)。小結(jié)丙類諧振功放按晶體管是否進入飽和區(qū)分:欠壓、過壓、臨界三種狀態(tài)。Rp放大器從欠壓→臨界→過壓。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！臨界時Po最大（匹配負載），PC較小，功放性能最佳。RP、VBB、Uim不變，

VCC，放大器從過壓→臨界→欠壓。RP、VBB、VCC不變，

Uim，放大器從欠壓→臨界→過壓。應(yīng)用：諧振功放用作功放時，工作于臨界狀態(tài)；用作基極調(diào)幅電路時，必須工作于欠壓區(qū)；用作集電極調(diào)幅電路時，必須工作于過壓區(qū)；對uim而言，工作于欠壓區(qū)時，可用作線性放大電路，工作于過壓區(qū)時，可用作限幅電路。3.3諧振功率放大器電路主要要求：

了解諧振功放常用的直流饋電電路及其特點。掌握諧振功放中濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，了解其主要要求。了解基本濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的組成、分析與設(shè)計。3.3.1

直流饋電電路一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路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)生級間反饋一、集電極直流饋電電路+uCE––+LCLCCC1+uCE–+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路3.3.1

直流饋電電路雖然電路結(jié)構(gòu)形式不同，但都實現(xiàn)了：+uc–+uc–VCCVCC一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路3.3.1

直流饋電電路串饋電路特點：

LC回路接直流高電位，諧振元件不能直接接地。并饋電路特點：

LC回路接直流低電位，諧振元件能直接接地，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。二、基極偏置電路

欲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。+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB自給偏置電路分壓式基極偏置電路利用IB0流經(jīng)RB產(chǎn)生偏壓電壓：VBB=－IB0RB調(diào)節(jié)RB

，可調(diào)節(jié)反偏電壓大小。利用LB中的固有直流電阻獲得偏置電壓+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB自給偏置電路自給偏置效應(yīng)自給偏置電路中，未加輸入信號時iB=0，則偏置電壓也為零。當(dāng)輸入信號幅度加大時，iB脈沖增大，則直流分量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)。+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB分壓式基極偏置電路

由于自給偏壓效應(yīng)，圖中基極偏置電壓動態(tài)值要比靜態(tài)值小。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:

●濾除不需要的諧波成分

●阻抗變換，給放大器提供匹配電阻Rpopt注意：

在丙類諧振功放中，把RL變換為Rpopt

，以獲得最大輸出功率，稱為阻抗匹配。

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RSXSYSXPRPYP1.串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換RSXSYSXPRPYP串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變換后，品質(zhì)因數(shù)不變，電抗性質(zhì)不變。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型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)（諧振網(wǎng)絡(luò)）的阻抗變換諧振時（1）低阻變高阻型LCRLR’LCL’應(yīng)用中，根據(jù)阻抗匹配要求可確定Q：例3.3.3已知某諧振功放的f=50MHz，RL=10，所需的匹配負載為RP=200

，試確定L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。解：=139nH采用低阻變高阻L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)設(shè)計如下（2）高阻變低阻型CRLLC’R’LL諧振時應(yīng)用中，根據(jù)阻抗匹配要求可確定Q：3.π型和T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換中或故在RL和R’L相差不大時，Q很小，使濾波性能很差！這時可采用π型或T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)RPC2RLL1C1RLL1C1L2RPπ型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)C2RLL11C1L12RPR’L低阻變高阻高阻變低阻

恰當(dāng)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。3.3.3

諧振功率放大器電路舉例一、例1電路性能：160MHz，負載50，輸出功率13W，功率增益9dB輸出匹配網(wǎng)絡(luò)饋電電路：基極采用自給偏壓。集電極采用并饋電路。匹配電路：L2、C3和C4構(gòu)成L型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，調(diào)C3和C4在工作頻率上實現(xiàn)阻抗匹配。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)功放的輸入阻抗很低，且隨放大器工作狀態(tài)的改變而變化。為了減小其對前級放大器的影響，需要有輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)把低的功放輸入阻抗變?yōu)檩^穩(wěn)定的高阻抗。通常使前級工作于過壓區(qū)，從而使功放獲得較穩(wěn)定的激勵電壓。

工作于過壓區(qū)時，輸出電壓幾乎不隨負載變化。二、例2電路性能：50MHz，負載50，輸出功率25W，功率增益7dB基極饋電電路和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)類例1。集電極采用串饋電路L2、L3、C3、C4構(gòu)成π型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)小結(jié)LC濾波匹配網(wǎng)絡(luò)：諧振功率放大器直流饋電電路：集電極：串饋、并饋基極：自給偏壓（只產(chǎn)生反偏壓）、分壓式作用：將負載阻抗變換為放大器要求的最佳負載、濾波3.4丁類諧振功率放大器主要要求：

了解丁類諧振功放的工作原理一、提高功放效率的方法提高功放效率的方法：tuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO1.減小θ2.減小iCuCE

丙類；有限制

各種高效率諧振功放的設(shè)計基礎(chǔ),如丁類要減小PCtuBEOVBBuBE(on)