第三章 高頻電子

第二章高頻功率放大器2.1概述2.2高頻功率放大器的工作原理2.3高頻功率放大器的分析2.4高頻功率放大器的動態(tài)分析和外部特性2.5高頻功率放大器的饋電電路和輸出回路2.6高頻功率放大器實用電路舉例2.7丙類倍頻器2.1概述在無線電廣播和通信發(fā)射機中，為了獲得大功率的高頻信號，必須采用高頻功率放大器。

按工作頻帶的寬窄一、分類窄帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器（以LC并聯(lián)諧振回路作為負載，又稱諧振功率放大器）（以傳輸線變壓器或者是電阻作為負載，無諧振回路，因此無選頻功能）（學習的重點）按導通時間分甲類工作狀態(tài)乙類工作狀態(tài)丙類工作狀態(tài)甲、乙、丙主要就是通過導通角的大小來判斷。導通角：晶體管導通時間的一半。甲類工作狀態(tài)：當晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)導通時，導通角為１８０度。乙類工作狀態(tài)：當晶體管在輸入信號的半個周期內(nèi)導通時，導通角為９０度。丙類工作狀態(tài)：當晶體管的導通周期小于半個周期但大于四分致意周期時候。二、高頻功放的工作狀態(tài)高頻功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)。解釋：在低頻電路里面我們學過，功率放大器實質(zhì)就是將直流電源供給的直流功率轉(zhuǎn)換為交流輸出功率。在轉(zhuǎn)換過程中，由于三極管存在功耗，當三極管處于導通階段的時候，有許多能量是通過三極管的內(nèi)阻轉(zhuǎn)換成熱量散發(fā)了。這樣就降低了轉(zhuǎn)換的效率，甚至會使三極管因為發(fā)熱過多而燒掉。因此，希望：三極管的導通時間盡量的少，這樣可以減少由其內(nèi)阻引起的能量損失。因此，一般采用丙類工作狀態(tài)。存在一個問題值得思考:如果工作在丙類狀態(tài),也就是三極管的導通時間非常短,則信號進入以后肯定要失真,但事實上,功率放大器確實是工作在丙類狀態(tài)的,那么如何來克服失真問題?答案:用LC諧振回路作為負載信號失真的原因是在輸出的電壓中產(chǎn)生了許多偕波分量,利用LC諧振回路的選頻作用,可以濾除這些諧波分量,得到我們所需要的已調(diào)信號.由此可以看出:功率放大器的主要部件也是三極管和LC諧振回路。和高頻小信號調(diào)諧放大器非常類似。那么是不是完全一樣呢？三、與高頻小信號調(diào)諧放大器的區(qū)別功率放大器調(diào)諧放大器相同點都工作在高頻段、負載均采用LC諧振回路諧振回路的作用選擇基波、濾除諧波選擇有用信號、濾除干擾信號信號大小大信號，工作在非線性狀態(tài)小信號，工作在線性狀態(tài)工作狀態(tài)丙類甲類主要指標效率、輸出功率增益、選擇性、通頻帶2.2高頻功率放大器的工作原理2.2.1高頻功率放大器的電路組成

高頻功率放大器一般工作在發(fā)射機的末級,以保證需要發(fā)送的信號具有足夠的輸出功率通過天線有效地輻射出去。圖2.2所示為高頻功率放大器的實際電路。圖2.2高頻功率放大器的實際電路高頻功率放大器主要組成：①晶體管：它在電路中主要起開關(guān)控制作用，控制直流能量向交流能量的轉(zhuǎn)變。②電源：高頻功率放大器包括兩個電源，基極電源UBB和集電極電源UCC。其中UBB主要是設(shè)置合理的工作狀態(tài)，即保證晶體管工作在丙類狀態(tài)（是個負電源）；UCC則是提供直流能量（將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能）。③饋電電路：饋電電路包括基極饋電電路（由C1、L1、C2構(gòu)成）和集電極饋電電路（由C3、L2、C4構(gòu)成）。其作用是既保證把電流UBB和UCC饋送到晶體管的各極，又防止交流信號進入直流電源。④耦合回路：高頻功率放大器的輸入端和輸出端均有耦合回路，其中，輸出端的耦合回路也稱為輸出回路（由C5、C6、L3、L4、L5、CA、RA組成）。主要起無損耗地傳輸高頻信號及其能量，濾除諧波成分及阻抗匹配的作用。高頻功率放大器的耦合回路可以是LC并聯(lián)諧振回路，也可以是互感耦合回路或各種LC匹配網(wǎng)絡(luò)。輸出回路是集電極負載，應調(diào)諧在推動級輸出電壓的頻率上，且諧振回路的諧振阻抗應滿足工作狀態(tài)所要求的負載阻抗。C5、L3構(gòu)成諧振回路，其輸出信號通過L4、C6、L5耦合到天線發(fā)射出去，故L4、C6、L5也稱為天線回路，CA、RA為天線阻抗。由圖2.2所示的實際線路可以得出高頻功率放大器的原理電路圖，如圖2.3所示。圖2.3高頻功率放大器原理電路圖

2.2.2高頻功率放大器的工作原理剛才講到高頻功率放大器必須工作在丙類狀態(tài)，也就是要使晶體管在信號輸入一段時間后才會導通。一般操作：通常使晶體管的發(fā)射結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。若設(shè)高頻功率放大器的輸入電壓ub（t）為則晶體管基-射間的總電壓為式中，UBB為負值。只有當uBE的瞬時值大于晶體管的導通電壓Uj時，基極導通，才產(chǎn)生基極電流iB和集電極電流iC。由于晶體管只在輸入信號的部分周期內(nèi)導通，故iB為余弦脈沖，同理，iC也為余弦脈沖。將iB和iC用傅里葉級數(shù)展開得高頻功率放大器的輸出回路具有選頻作用，若正好諧振在基波頻率上，則其對于基波電流而言，等效為一個純電阻；對各次諧波而言，回路失諧，呈現(xiàn)很小的阻抗。輸出回路中有電感存在，對直流可看成短路。這樣當集電極脈沖電流iC流經(jīng)輸出回路時，只有基波分量在回路兩端產(chǎn)生較大的電壓降，此電壓為式中，IC1m為基波電流分量的振幅值，Re為輸出回路的有載諧振電阻。集-射間的瞬時電壓為圖2.4高頻功率放大器的工作原理示意圖

圖2.5高頻功率放大器的電流、電壓工作波形2.3高頻功率放大器的分析2.3.1折線分析法為了對高頻功率放大器進行分析和計算，通常采用折線法對晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進行處理，即將轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線用折線來近似代替，如圖2.6所示。圖2.6折線化后的晶體管特性曲線由圖可見，晶體管在放大區(qū)的轉(zhuǎn)移特性可用一條交橫軸于Uj且斜率為gc的直線來表示，其函數(shù)式為式中，Uj為晶體管導通電壓，gc為晶體管跨導。折線法的好處在于用直線方程取代曲線方程近似表示晶體管特性，使高頻功率放大器的分析和計算大為簡化。由于高頻功率放大器工作在大信號非線性狀態(tài)，因此，工程上采用這一近似方法進行定性分析是可行的。2.3.2集電極余弦脈沖電流的分析由前面的討論可知，高頻功率放大器的集電極電流為余弦脈沖形式，將晶體管的轉(zhuǎn)移特性折線化后，iC的波形與uBE的波形在正半周的一部分成線性關(guān)系，其電流和電壓波形示意圖如圖2.7所示，集電極余弦脈沖波形的詳細示意圖如圖2.8所示。圖2.7晶體管轉(zhuǎn)移特性折線化后的iC和uBE波形圖2.8余弦脈沖波形根據(jù)圖2.8所示的余弦脈沖電流波形可得且所以可見，集電極余弦脈沖電流iC

的大小和形狀完全由最大值ICmax和導通角θ決定。利用傅里葉級數(shù)將iC展開可得式中，各電流分量的幅值為

將代入上面式子進行積分式中，、、……分別稱為余弦脈沖的直流、基波，n次諧波的電流分解系數(shù)。可將，，，與通角的關(guān)系制成曲線，如圖2.9所示。

圖2.9余弦脈沖分解系數(shù)與θ關(guān)系曲線

2.3.3高頻功率放大器的功率和效率1.直流功率直流功率直流是指由直流供電電源提供的功率。2.輸出功率p0輸出功率p0是指由電子器件送給諧振回路的基波信號功率。3.集電極損耗功率Pc高頻功率放大器的工作過程實際上是直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率的過程。在轉(zhuǎn)換過程中，大部分直流功率變成了交流輸出功率，小部分變成了熱能消耗在晶體管的集電極上，集電極損耗功率PC就是指消耗在集電極上的功率。4.集電極效率ηc為了說明高頻功率放大器的能量轉(zhuǎn)換能力，定義集電極效率為式中，ξ

稱為集電極電壓利用系數(shù)，g1(θ)為集電極電流利用系數(shù)，大小與θ有關(guān)。由圖2.9可見，θ越小，g1越大，則效率越高。但當θ很小時，g1增加不多，且造成α1(θ)小，使輸出功率過小，因此，為了兼顧功率和效率，丙類功率放大器的導通角θ一般在60°~90°之間選擇。2.3.4提高高頻功率放大器效率的途徑根據(jù)效率的定義式中，PC為晶體管集電極損耗功率。上式說明，要提高放大器的效率，應盡可能減小集電極損耗功率PC。而可見，減小損耗功率的有效方法有以下兩種。①減小PC的積分區(qū)間θ，即減小集電極電流的導通角，但導通角θ過小，會導致輸出功率過低，故導通角一般不應小60°。②減小iC與uCE的乘積，即減小晶體管的瞬時管耗。由圖2.5可以看出，當晶體管集電極電流iC為最大時，管壓降uCE最小，這時它們的乘積，即瞬時管耗最小。而要達到這個要求，晶體管的集電極負載回路必須工作在諧振狀態(tài)。因為諧振的時候回路兩端的電壓最大,此時,Uce就最小了.可見，一旦負載回路失諧，將導致放大器的損耗功率增加，效率降低。

2.4高頻功率放大器的動態(tài)分析和外部特性晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性實際上是在其集電極沒有外接負載的情況下獲得的，也稱為靜態(tài)特性。由前面的討論可知，晶體管在放大區(qū)的靜態(tài)特性為

上式表明，在沒有外接負載時，在放大區(qū)，晶體管集電極電流主要受uBE控制，而與uCE無關(guān)。（2-23）如果集電極接有負載，則當改變uBE使iC變化時，由于負載上有電壓降，就必然同時引起uCE的變化。因此，在考慮了負載的反作用后，所獲得的uCE、uBE與iC的關(guān)系曲線就叫動態(tài)特性曲線。最常用的是當uCE、uBE同時變化時，表示iC-uCE關(guān)系的動態(tài)特性曲線，也稱為負載線。下面推導高頻功率放大器的動態(tài)線方程。由下圖可知，當放大器工作于諧振狀態(tài)時，其外部電路的關(guān)系為

解上述方程，消去cosωt，得

將式（2-25）代入晶體管在放大區(qū)的特