高頻電路原理與分析(第六版)課件：高頻諧振放大器

高頻諧振放大器3.1高頻小信號(hào)放大器

3.2高頻功率放大器的原理和特性3.3高頻功率放大器的高頻效應(yīng)3.4高頻功率放大器的實(shí)際線(xiàn)路3.5高效功放與功率合成

3.6高頻集成功率放大器簡(jiǎn)介思考題與習(xí)題

高頻諧振放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它電子系統(tǒng)中。如在發(fā)射設(shè)備中，為了有效地使信號(hào)通過(guò)信道傳送到接收端，需要根據(jù)傳送距離等因素來(lái)確定發(fā)射設(shè)備的發(fā)射功率，這就要用高頻諧振功率放大器將信號(hào)放大到所需的發(fā)射功率。在接收設(shè)備中，從天線(xiàn)上感應(yīng)的信號(hào)是非常微弱的，一般在微伏級(jí)，要將傳輸?shù)男盘?hào)恢復(fù)出來(lái)，需要將信號(hào)放大，這就需要用高頻小信號(hào)諧振放大器來(lái)完成。本章主要介紹高頻小信號(hào)諧振放大器和高頻諧振功率放大器。3.1高頻小信號(hào)放大器高頻小信號(hào)諧振放大器的功用就是放大各種無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中的高頻小信號(hào)，以便作進(jìn)一步的變換和處理。這里所說(shuō)的“小信號(hào)”，主要是強(qiáng)調(diào)輸入信號(hào)電平較低，放大器工作在它的線(xiàn)性范圍。高頻小信號(hào)放大器按頻帶寬度可以分為窄帶放大器和寬帶放大器。通常被放大的信號(hào)是窄帶信號(hào)，比如說(shuō)信號(hào)帶寬只有中心頻率的百分之幾，甚至千分之幾，因此，高頻小信號(hào)的基本類(lèi)型是頻帶放大器。頻帶放大器是以各種選頻電路作負(fù)載，兼具阻抗變換和選頻濾波的功能。第2章討論的并聯(lián)諧振回路、耦合回路等電路就是頻帶放大器采用的選頻電路。在某些無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中，需要放大多個(gè)高頻信號(hào)，或者信號(hào)中心頻率要隨時(shí)改變，這時(shí)要用到高頻寬帶放大器，這種放大器一般采用無(wú)選頻作用的負(fù)載電路，應(yīng)用最廣的是高頻變壓器或傳輸線(xiàn)變壓器。按有源器件可以分為以分立元件為主的高頻放大器和以集成電路為主的集中選頻放大器。以分立元件為主的高頻放大器，由于單個(gè)晶體管的最高工作頻率可以很高，線(xiàn)路也較簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用仍很廣泛。集成高頻放大器由高頻或?qū)拵Ъ煞糯笃骱瓦x頻電路(特別是集中濾波器)組成，它具有增益高、性能穩(wěn)定、調(diào)整簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在高頻電路中的應(yīng)用也越來(lái)越多。對(duì)高頻小信號(hào)放大器的主要要求是:

(1)增益要高，也就是放大量要大。例如，用于各種接收機(jī)中的中頻放大器，其電壓放大倍數(shù)可達(dá)104～105，即電壓增益為80～100dB，通常要靠多級(jí)放大器才能實(shí)現(xiàn)。

(2)頻率選擇性要好。選擇性就是描述選擇所需信號(hào)和抑制無(wú)用信號(hào)的能力，這是靠選頻電路完成的，放大器的頻帶寬度和矩形系數(shù)是衡量選擇性的兩個(gè)重要參數(shù)。

(3)工作穩(wěn)定可靠。這要求放大器的性能應(yīng)盡可能地不受溫度、電源電壓等外界因素變化的影響，不產(chǎn)生任何自激。此外，在放大微弱信號(hào)的接收機(jī)前級(jí)放大器中，還要求放大器內(nèi)部噪聲要小，因?yàn)榉糯笃鞅旧淼脑肼曉降?，接收微弱信?hào)的能力就越強(qiáng)。3.1.1高頻小信號(hào)諧振放大器的工作原理圖3-1(a)是一典型的高頻小信號(hào)諧振放大器的實(shí)際線(xiàn)路。由圖可知，直流偏置電路與低頻放大器的電路完全相同，只是電容Cb、Ce對(duì)高頻旁路，它們的電容值比低頻中小得多。圖3-1(b)是它的交流等效電路，圖中采用抽頭諧振回路作為放大器負(fù)載，對(duì)信號(hào)頻率諧振，即ω=ω0，完成阻抗匹配和選頻濾波功能。由于輸入的是高頻小信號(hào)，放大器工作在A(yíng)(甲)類(lèi)狀態(tài)。圖3-1高頻小信號(hào)諧振放大器(a)實(shí)際線(xiàn)路;(b)交流等效電路3.1.2放大器性能分析

1．晶體管的高頻等效電路要分析和說(shuō)明高頻調(diào)諧放大器的性能，首先要考慮晶體管在高頻時(shí)的等效電路。圖3-2(a)是晶體管在高頻運(yùn)用時(shí)的混Π等效電路，它反映了晶體管中的物理過(guò)程，也是分析晶體管高頻時(shí)的基本等效電路。圖中Cπ=Cb′e，Cμ=Cb′c。直接用混Π等效電路分析放大器性能時(shí)很不方便，常采用Y參數(shù)等效電路，如圖3-2(b)所示。Yie是輸出端交流短路時(shí)的輸入導(dǎo)納;Yoe是輸入端交流短路時(shí)的輸出導(dǎo)納;而Yfe和Yre分別為輸出端交流短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納和輸入端交流短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納。晶體管的Y參數(shù)通?？梢杂脙x器測(cè)出，有些晶體管的手冊(cè)或數(shù)據(jù)單上也會(huì)給出這些參數(shù)量(一般是在指定的頻率及電流條件下的值)。在忽略rb′e及滿(mǎn)足Cπ>>Cμ的條件下，Y參數(shù)與混Π參數(shù)之間的關(guān)系為(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)由此可見(jiàn)，Y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓、電流值有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)，是頻率的復(fù)函數(shù)。當(dāng)放大器工作在窄帶時(shí)，Y參數(shù)變化不大，可以將Y參數(shù)看作常數(shù)。我們討論的高頻小信號(hào)諧振放大器沒(méi)有特別說(shuō)明時(shí)，都是工作在窄帶，晶體管可以用Y參數(shù)等效。由圖3-2可以得到晶體管Y參數(shù)等效電路的Y參數(shù)方程(3-5a)

(3-5b)圖3-2晶體三極管等效電路(a)混Π等效電路;(b)Y參數(shù)等效電路

2．放大器的性能參數(shù)圖3-3是圖3-1所示高頻小信號(hào)放大器的高頻等效電路，圖中將晶體管用Y參數(shù)等效電路進(jìn)行了等效，信號(hào)源用電流源表示，是電流源的內(nèi)導(dǎo)納，負(fù)載導(dǎo)為，它包括諧振回路的導(dǎo)納和負(fù)載電阻RＬ的等效導(dǎo)納。忽略管子內(nèi)部的反饋，即令Yre=0，由圖3-3可得(3-6a)(3-6b)根據(jù)式(3-5)、(3-6)可以得出高頻小信號(hào)放大器的主要性能指標(biāo)。圖3-3圖3-1高頻小信號(hào)放大器的高頻等效電路

(1)電壓放大倍數(shù)K(3-7)

(2)輸入導(dǎo)納Yi

(3-8)式中，第一項(xiàng)為晶體管的輸入導(dǎo)納，第二項(xiàng)是反向傳輸導(dǎo)納Yre引入的輸入導(dǎo)納。

(3)輸出導(dǎo)納Yo

(3-9)式中，第一項(xiàng)為晶體管的輸出導(dǎo)納，第二項(xiàng)也與Yre有關(guān)。

(4)通頻帶B0.707與矩形系數(shù)Kr0.1通頻帶B0.707為(3-10)式中，f0為諧振回路的諧振頻率，，L為回路電感，CΣ為回路的總電容，包括回路本身的電容以及Yoe等效到回路中呈現(xiàn)的電容;QL為有載品質(zhì)因數(shù)，QL=1/(ω0LgΣ)，gΣ為回路的總電導(dǎo)，包括回路本身的損耗以及Yoe、RL等效到回路中的損耗。由于圖3-1是一單調(diào)諧回路放大器，故其矩形系數(shù)Kr0.1仍為9.95。3.1.3高頻諧振放大器的穩(wěn)定性

1．放大器的穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)指出，上面分析的放大器的各種性能參數(shù)，是在放大器能正常工作前提下得到的，但是在諧振放大器中存在著不穩(wěn)定性問(wèn)題，這是因?yàn)橛捎诰w管集基間電容Cb′c(混Π網(wǎng)絡(luò)中)的反饋，也就是通過(guò)Y參數(shù)等效電路中反向傳輸導(dǎo)納Yre的反饋，使放大器存在著工作不穩(wěn)定的問(wèn)題。Yre的存在，使輸出信號(hào)反饋到輸入端，引起輸入電流的變化，如果這個(gè)反饋在某個(gè)頻率相位上滿(mǎn)足正反饋條件，且足夠大，則會(huì)在滿(mǎn)足條件的頻率上產(chǎn)生自激振蕩?，F(xiàn)在來(lái)考察輸入導(dǎo)納Yi中第二項(xiàng)，即反向傳輸導(dǎo)納Yre引入的輸入導(dǎo)納，記為忽略rbb'的影響，則由式(3－3)、(3－4)有將Yoe歸入負(fù)載中，并考慮諧振頻率ω0附近情況，有則

(3-11)由上式可以看出，當(dāng)回路諧振時(shí)Δω=0，Yir為一電容;當(dāng)ω>ω0時(shí)，

Yir的電導(dǎo)為正，是負(fù)反饋;當(dāng)ω<ω0時(shí)，Yir的電導(dǎo)為負(fù)，是正反饋，這將引起放大器的不穩(wěn)定。圖3-4是考慮反饋時(shí)的放大器的頻率特性，由圖可見(jiàn)，在ω<ω0時(shí)，由于存在正反饋，使放大器的放大倍數(shù)增加。當(dāng)正反饋嚴(yán)重時(shí)，即Yir中的負(fù)電導(dǎo)使放大器輸入端的總電導(dǎo)為零或負(fù)值，即使沒(méi)有外加信號(hào)，放大器輸出端也會(huì)有輸出信號(hào)，產(chǎn)生自激。圖3-4放大器的頻率特性

2．提高放大器穩(wěn)定性的方法為了提高放大器的穩(wěn)定性，通常從兩個(gè)方面入手，一是從晶體管本身想辦法，減小其反向傳輸導(dǎo)納Yre，Yre的大小主要取決于Ｃb′c，選擇管子時(shí)盡可能選擇Cb′c小的管子，使其容抗增大，反饋?zhàn)饔脺p弱。二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法和失配法。中和法通過(guò)在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個(gè)附加的外部反饋電路(中和電路)來(lái)抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)Yre

的反饋?zhàn)饔?。由于Yre的實(shí)部(反饋電導(dǎo))很小，可以忽略，所以常常只用一個(gè)中和電容Cn來(lái)抵消Yre的虛部(即反饋電容)的影響，就可達(dá)到中和的目的，圖3-5(a)就是利用中和電容Cn的中和電路。為了抵消Yre的反饋，從集電極回路取一與反相的電壓，通過(guò)Cn反饋到輸入端。根據(jù)電橋平衡有則中和條件為

(3-12)圖3-5中和電路(a)原理電路;(b)某收音機(jī)實(shí)際電路由于用來(lái)表示晶體管的反饋只是一個(gè)近似，而與又只是在回路完全諧振的頻率上才準(zhǔn)確反相，中和電路中固定的中和電容Cn只能在某一個(gè)頻率點(diǎn)起到完全中和的作用，對(duì)其它頻率只能有部分中和作用。另外，如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，則中和電路的效果是很有限的。中和法應(yīng)用較少，一般用在某些收音機(jī)電路中，圖3-5(b)所示的是某收音機(jī)中常用的中和電路。失配法通過(guò)增大負(fù)載導(dǎo)納，進(jìn)而增大總回路導(dǎo)納，使輸出電路失配，輸出電壓相應(yīng)減小，對(duì)輸入端的影響也就減小，可見(jiàn)，失配法是用犧牲增益來(lái)?yè)Q取電路的穩(wěn)定。為了滿(mǎn)足增益和穩(wěn)定性的要求，常用的失配法是用兩只晶體管按共發(fā)-共基方式連接成一個(gè)復(fù)合管，如圖3-6所示。由于共基電路的輸入導(dǎo)納較大，當(dāng)它和輸出導(dǎo)納較小的共發(fā)電路連接時(shí)，相當(dāng)于增大共發(fā)電路的負(fù)載導(dǎo)納而使之失配，從而使共發(fā)晶體管內(nèi)部反饋減弱，穩(wěn)定性大大提高。共發(fā)電路在負(fù)載導(dǎo)納很大的情況下，雖然電壓增益減小，但電流增益仍很大，而共基電路雖然電流增益接近于1，但電壓增益較大，所以二者級(jí)聯(lián)后，互相補(bǔ)償，電壓增益和電流增益均較大。圖3-6共發(fā)—共基電路在場(chǎng)效應(yīng)管放大器中也存在著同樣的穩(wěn)定性問(wèn)題，這是由于漏柵的電容構(gòu)成了輸出和輸入之間的反饋。如果采用雙柵場(chǎng)效應(yīng)管作高頻小信號(hào)放大器，則可以獲得較高的穩(wěn)定增益，噪聲也比較低。圖3-7示出了雙柵場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)諧放大器電路。它的第二柵(G2)對(duì)高頻是接地的。它相當(dāng)于兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作共源—共柵級(jí)聯(lián)，與共發(fā)-共基放大器類(lèi)似，也提高了放大器的穩(wěn)定性。圖3-7雙柵場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)諧放大器

在應(yīng)用時(shí)，通常將幾級(jí)調(diào)諧放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成多級(jí)放大器以滿(mǎn)足增益及頻率選擇性等方面的要求。多級(jí)諧振放大器的總增益是單級(jí)增益的乘積(若用分貝表示時(shí)，總增益為單級(jí)增益之和)，頻率特性也是由單級(jí)放大器傳輸函數(shù)決定的。3.1.4多級(jí)諧振放大器

1．多級(jí)單調(diào)諧放大器多級(jí)單調(diào)諧放大器的諧振頻率相同，均為信號(hào)的中心頻率。設(shè)各級(jí)諧振時(shí)的電壓放大倍數(shù)為K01、K02、…、K0n，則放大器總的電壓放大倍數(shù)

(3-13)由第2章分析可知，單振蕩回路的歸一化頻率特性為(3-14)式中，ξ為廣義失諧，ξ=2QΔω/ω0。設(shè)多級(jí)放大器各回路的帶寬及Q值相同，即α相同，則有n個(gè)回路的多級(jí)放大器的歸一化頻率特性為(3-15)由此可以計(jì)算出多級(jí)放大器的帶寬和矩形系數(shù)，如表3-1所示。由表3-1可見(jiàn)，隨著n的增加，總帶寬將減小，矩形系數(shù)有所改善。

2.多級(jí)雙調(diào)諧放大器采用多級(jí)雙調(diào)諧放大器可以改善放大器的頻率選擇性，設(shè)各級(jí)均采用同樣的雙回路，并選擇臨界耦合(耦合因子A=1)，由第2章分析可知，有n個(gè)雙回路的多級(jí)放大器的歸一化頻率特性為

(3-16)由此可以計(jì)算出多級(jí)放大器的帶寬和矩形系數(shù)，如表3-2所示。

3．參差調(diào)諧放大器多級(jí)參差調(diào)諧放大器，就是各級(jí)的調(diào)諧回路和調(diào)諧頻率都彼此不同。采用參差調(diào)諧放大器的目的是增加放大器總的帶寬，同時(shí)又得到邊沿較陡峭的頻率特性。圖3-8是采用單調(diào)諧回路和雙調(diào)諧回路組成的參差調(diào)諧放大器的頻率特性。雙調(diào)諧回路采用A>1(如A=2.41)的過(guò)臨界耦合，由圖可見(jiàn)，當(dāng)兩種回路采用不同的品質(zhì)因數(shù)時(shí)，總的頻率特性可有較寬的頻帶寬度，帶內(nèi)特性很平坦，而帶外又有較陡峭的特性，這種多級(jí)參差調(diào)諧放大器常用于要求帶寬較寬的場(chǎng)合，如電視機(jī)的高頻頭常用它。圖3-9示出了一彩色電視機(jī)高頻頭的調(diào)諧放大器的簡(jiǎn)化電路，由圖可見(jiàn)，晶體管輸入電路采用單調(diào)諧回路，輸出電路采用雙調(diào)諧回路，圖中C1、C2、C3是變?nèi)莨茈娙荩沁M(jìn)行電調(diào)諧使用的。圖3-8參差調(diào)諧放大器的頻率特性(a)單、雙回路特性;(b)總特性圖3-9電視機(jī)高頻放大器的簡(jiǎn)化電路3.1.5高頻集成放大器隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的高頻集成放大器，由于具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。高頻集成放大器有兩類(lèi):一種是非選頻的高頻集成放大器，主要用于某些不需要選頻功能的設(shè)備中，通常以電阻或?qū)拵Ц哳l變壓器作負(fù)載;另一種是選頻放大器，用于需要有選頻功能的場(chǎng)合，如接收機(jī)的中放就是它的典型應(yīng)用。為滿(mǎn)足高增益放大器的選頻要求，集成選頻放大器一般采用集中濾波器作為選頻電路，如第2章介紹的晶體濾波器、陶瓷濾波器或聲表面波濾波器等。當(dāng)然，它們只適用于固定頻率的選頻放大器，這種放大器也稱(chēng)為集中選頻放大器，圖3-10是集中選頻放大器的組成示意圖。圖3-10(a)中，集中選頻濾波器接于寬帶集成放大器的后面，這是一種常用的接法，這種接法要注意的問(wèn)題是，使集成放大器與集中濾波器之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這有兩重意義:從集成放大器輸出端看，阻抗匹配表示放大器有較大的功率增益;從濾波器輸入端看，要求信號(hào)源的阻抗與濾波器的輸入阻抗相等而匹配(在濾波器的另一端也是一樣)，這是因?yàn)闉V波器的頻率特性依賴(lài)于兩端的源阻抗與負(fù)載阻抗，只有當(dāng)兩端端接阻抗等于要求的阻抗時(shí)，方能得到預(yù)期的頻率特性。當(dāng)集成放大器的輸出阻抗與濾波器輸入阻抗不相等時(shí)，應(yīng)在兩者間加阻抗轉(zhuǎn)換電路，通?？捎酶哳l寬帶變壓器進(jìn)行阻抗變換，也可以用低Q的振蕩回路。采用振蕩回路時(shí)，應(yīng)使回路帶寬大于濾波器帶寬，使放大器的頻率特性只由濾波器決定。通常集成放大器的輸出阻抗較低，實(shí)現(xiàn)阻抗變換沒(méi)有什么困難。圖3-10集中選頻放大器組成框圖圖3-10(b)是另一種接法。集中濾波器放在寬帶集成放大器的前面，這種接法的好處是，當(dāng)所需放大信號(hào)的頻帶以外有強(qiáng)的干擾信號(hào)(在接收中放時(shí)常用這種情況)時(shí)，不會(huì)直接進(jìn)入集成放大器，避免此干擾信號(hào)因放大器的非線(xiàn)性(放大器在大信號(hào)時(shí)總是有非線(xiàn)性)而產(chǎn)生新的不需要干擾。有些集中濾波器，如聲表面波濾波器，本身有較大的衰減(可達(dá)十多分貝)，放在集成放大器之前，將有用信號(hào)減弱，從而使集成放大器中的噪聲對(duì)信號(hào)的影響加大，使整個(gè)放大器的噪聲性能變差。為此，如圖3-10(b)，常在濾波器之前加一前置放大器，以補(bǔ)償濾波器的衰減。

圖3-11示出了MiniCircuits公司生產(chǎn)的一集成放大器MRA8的應(yīng)用電路，MRA8是硅單片放大器，其主要指標(biāo)見(jiàn)表3-3。圖3-11集成選頻放大器應(yīng)用舉例表3-4列出了AD公司生產(chǎn)的寬帶集成運(yùn)算放大器一些產(chǎn)品。在需要進(jìn)行AGC控制的場(chǎng)合下，可以使用寬帶可變?cè)鲆娴姆糯笃鳎鏏D公司的AD603，增益范圍為－11dB~+31dB，帶寬為90MHz。3.2高頻功率放大器的原理和特性高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號(hào)，并且以高效輸出大功率為目的，它主要應(yīng)用于各種無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)中。發(fā)射機(jī)中的振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)功率很小，需要經(jīng)多級(jí)高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線(xiàn)輻射出去。高頻功率放大器的輸出功率范圍，可以小到便攜式發(fā)射機(jī)的毫瓦級(jí)，大到無(wú)線(xiàn)電廣播電臺(tái)的幾十千瓦，甚至兆瓦級(jí)。目前，功率為幾百瓦以上的高頻功率放大器，其有源器件大多為電子管，幾百瓦以下的高頻功率放大器則主要采用雙極晶體管和大功率場(chǎng)效應(yīng)管。我們知道能量(功率)是不能放大的，高頻信號(hào)的功率放大，其實(shí)質(zhì)是在輸入高頻信號(hào)的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功率放大器產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。由先修課程可知，低頻功率放大器可以工作在A(yíng)(甲)類(lèi)狀態(tài)，也可以工作在B(乙)類(lèi)狀態(tài)，或AB(甲乙)類(lèi)狀態(tài)，B類(lèi)狀態(tài)要比A類(lèi)狀態(tài)效率高(A類(lèi)ηmax=50%;B類(lèi)ηmax＝78.5％)，為了提高效率，高頻功率放大器多工作在C類(lèi)狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高高頻功率放大器的效率，近年來(lái)又出現(xiàn)了D類(lèi)、E類(lèi)和S類(lèi)等開(kāi)關(guān)型高頻功率放大器;還有利用特殊電路技術(shù)來(lái)提高放大器效率的F類(lèi)、G類(lèi)和H類(lèi)高頻功率放大器。本節(jié)主要討論C類(lèi)功率放大器的工作原理。應(yīng)當(dāng)指出，盡管高頻功放和低頻功放的共同點(diǎn)都要求輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度相差很大，因此存在著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功放的工作頻率低，但相對(duì)頻帶很寬，工作頻率一般在20~20000Hz，高頻端與低頻端之差達(dá)1000倍。所以，低頻功放的負(fù)載不能采用調(diào)諧負(fù)載，而要用電阻、變壓器等非調(diào)諧負(fù)載。而高頻功放的工作頻率很高，可由幾百千赫茲到幾百兆赫茲，甚至幾萬(wàn)兆赫茲，但相對(duì)頻帶一般很窄，例如調(diào)幅廣播電臺(tái)的頻帶寬度為9kHz，若中心頻率取900kHz，則相對(duì)頻帶寬度僅為1％。因此高頻功放一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，故也稱(chēng)為諧振功率放大器。近年來(lái)，為了簡(jiǎn)化調(diào)諧，設(shè)計(jì)了寬帶高頻功放，如同寬帶小信號(hào)放大器一樣，其負(fù)載采用傳輸線(xiàn)變壓器或其它寬帶匹配電路，寬帶功放常用在中心頻率多變化的通信電臺(tái)中，本節(jié)只討論窄帶高頻功放的工作原理。由于高頻功放要求高頻工作，信號(hào)電平高和高效率，因而工作在高頻狀態(tài)和大信號(hào)非線(xiàn)性狀態(tài)是高頻功率放大器的主要特點(diǎn)。要準(zhǔn)確地分析有源器件(晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和電子管)在高頻狀態(tài)和非線(xiàn)性狀態(tài)下的工作情況是十分困難和繁瑣的，從工程應(yīng)用角度來(lái)看也無(wú)此必要。因此，在下面的討論中，將在一些近似條件下進(jìn)行分析，著重定性地說(shuō)明高頻功率放大器的工作原理和特性。3.2.1工作原理圖3-12是一個(gè)采用晶體管的高頻功率放大器的原理線(xiàn)路，除電源和偏置電路外，它是由晶體管、諧振回路和輸入回路三部分組成的。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率fT。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，

它在較小的激勵(lì)信號(hào)電壓作用下，形成基極電流ib，ib控制了較大的集電極電流ic，ic流過(guò)諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。為了使高頻功放高效輸出大功率，常選在C類(lèi)狀態(tài)下工作，為了保證在C類(lèi)工作，基極偏置電壓Eb應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)應(yīng)為大信號(hào)，一般在0.5V以上，可達(dá)1~2V，甚至更大。也就是說(shuō)，晶體管工作在截止和導(dǎo)通(線(xiàn)性放大)兩種狀態(tài)下，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號(hào)。與低頻功放不同的是，高頻功放選用諧振回路作負(fù)載，既保證輸出電壓相對(duì)于輸入電壓不失真，還具有阻抗變換的作用，這是因?yàn)榧姌O電流是周期性的高頻脈沖，其頻率分量除了有用分量(基波分量)外，還有諧波分量和其它頻率成份，用諧振回路選出有用分量，將其它無(wú)用分量濾除;通過(guò)諧振回路阻抗的調(diào)節(jié)，從而使諧振回路呈現(xiàn)高頻功放所要求的最佳負(fù)載阻抗值，即匹配，使高頻功放高效輸出大功率。圖3-12晶體管高頻功率放大器的原理線(xiàn)路

1．電流、電壓波形設(shè)輸入信號(hào)為ub=Ubcosωt則由圖3-12得基極回路電壓為ube=Eb+Ubcosωt(3-17)由式(3-17)可以畫(huà)出ube的波形，再由晶體三極管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)可得到集電極電流ic的波形，如圖3-13所示。由于輸入為大信號(hào)，當(dāng)管子導(dǎo)通時(shí)主要工作在線(xiàn)性放大區(qū)，故轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了折線(xiàn)化近似。C類(lèi)工作時(shí)，Eb通常為負(fù)值(也可為零或小的正壓)，圖中Eb取了某一負(fù)值。由圖可見(jiàn)，只有ube大于晶體管發(fā)射結(jié)門(mén)限電壓時(shí)，晶體管才導(dǎo)通，其余時(shí)間都截止，集電極電流為周期性脈沖電流，其電流導(dǎo)通角為2θ，它小于π，通常將θ稱(chēng)為通角。這樣的周期性脈沖可以分解成直流、基波(信號(hào)頻率分量)和各次諧波分量，即ic=Ic0+Ic1cosωt+Ic2cos2ωt+…+Icncosnωt+…(3-18)圖3-13集電極電流的波形式中(3-19a)(3-19b)(3-19c)α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)分別稱(chēng)為余弦脈沖的直流、基波、n次諧波的分解系數(shù)，數(shù)值見(jiàn)附錄。由圖3-12可以看出，放大器的負(fù)載為并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率ω0等于激勵(lì)信號(hào)頻率ω時(shí)，回路對(duì)ω頻率呈現(xiàn)一大的諧振阻抗RL，因此式(3-18)中基波分量在回路上產(chǎn)生電壓;對(duì)遠(yuǎn)離ω的直流和諧波分量2ω、3ω等呈現(xiàn)很小的阻抗，因而輸出很小，幾乎為零。這樣回路輸出的電壓為uo=uc=Ic1RLcosωt=Uccosωt(3-20)按圖3-12規(guī)定的電壓方向，集電極電壓為uce=Ec－uo=Ec－Uccosωt(3-21)圖3-14給出了ube、uce、ic和uc的波形圖。由圖可以看出，當(dāng)集電極回路調(diào)諧時(shí)，ubemax、icmax、ucemin是同一時(shí)刻出現(xiàn)的，θ越小，ic越集中在ucemin附近，故損耗將減小，效率得到提高?？梢愿鶕?jù)集電極電流導(dǎo)通角θ的大小劃分功放的工作類(lèi)別。當(dāng)θ＝180°時(shí)，放大器工作于A(yíng)(甲)類(lèi);當(dāng)0°<θ<180°時(shí)，為AB(甲乙)類(lèi);當(dāng)θ＝90°時(shí)，為B(乙)類(lèi);θ＜90°時(shí)，則為C(丙)類(lèi)。對(duì)于高頻功放，通常θ＜90°。由前述分析可知，集電極電流導(dǎo)通角θ是由輸入回路決定的，方法為:當(dāng)輸入電壓

時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度即為集電極電流導(dǎo)通角θ。圖3-14C類(lèi)高頻功放的電流、電壓波形

2．高頻功放的能量關(guān)系在集電極電路中，諧振回路得到的高頻功率(高頻一周的平均功率)即輸出功率P1為(3-22)集電極電源供給的直流輸入功率P0為P0=IcoEc(3-23)

直流輸入功率與集電極輸出高頻功率之差就是集電極損耗功率Pc，即Pc=P0－P1(3-24)Pc變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結(jié)中的熱能。定義集電極效率η為(3-25)式中，稱(chēng)為波形系數(shù)，其值見(jiàn)附錄;，稱(chēng)為集電極電壓利用系數(shù)。η是表示能量轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要參數(shù)。由于ξ≤1，因此，對(duì)A類(lèi)放大器，γ(180°)=1，則η≤50%;B類(lèi)放大器，γ(90°)=1.75，η≤78.5%;C類(lèi)放大器，γ>1.75，故η可以更高。在高頻功放中，提高集電極效率η的主要目的在于提高晶體管的輸出功率。當(dāng)直流輸入功率一定時(shí)，若集電極損耗功率Pc越小，則效率η越高，輸出功率P1就越大。另外，由式(3-24)、(3-25)可以得到輸出功率P1和集電極損耗功率Pc之間的關(guān)系為

(3-26)這說(shuō)明當(dāng)晶體管的允許損耗功率Pc一定時(shí)，效率η越高，輸出功率P1越大。比如，若集電極效率η由70%提高到80%，輸出功率P1將由2.33Pc提高到4Pc，輸出功率P1增加70%。由式(3-25)可知，要提高效率η，有兩種途徑，一是提高電壓利用系數(shù)ξ，即提高Uc，這通?？刻岣呋芈分C振阻抗RL來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如何選擇RL是下面要研究的一個(gè)重要問(wèn)題;另一個(gè)是提高波形系數(shù)γ，γ與θ有關(guān)，圖3-15示出了γ、α0(θ)、α1(θ)與θ的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖可知，θ越小，γ越大，效率η越高，但θ太小時(shí)，α1(θ)將降低，輸出功率將下降，如θ=0°時(shí)，γ=γmax=2，α1(θ)=0，輸出功率P1也為零，為了兼顧輸出功率P1和效率η，通常選θ在65~75°范圍。圖3-15γ、α0(θ)、α1(θ)、α2(θ)、α3(θ)與θ的關(guān)系基極電路中，信號(hào)源供給的功率稱(chēng)為高頻功放的激勵(lì)功率。由于信號(hào)電壓為正弦波，因此激勵(lì)功率大小取決于基極電流中基波分量的大小。設(shè)其基波電流振幅為Ib1，且與ub同相(忽略實(shí)際存在的容性電流)，則激勵(lì)功率為

(3-27)此激勵(lì)功率最后變?yōu)榘l(fā)射結(jié)和基區(qū)的熱損耗。高頻功放的功率放大倍數(shù)為

(3-28)用dB表示為(3-29)也稱(chēng)為功率增益。在高頻功放中，由于高頻大信號(hào)的電流放大倍數(shù)Ic1／Ib1和電壓放大倍數(shù)Uc/Ub都比小信號(hào)及低頻時(shí)小，故功率放大倍數(shù)也小，通常功率增益(與晶體管以及工作頻率有關(guān))為十幾至二十幾分貝。3.2.2高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)

1．高頻功放的動(dòng)特性動(dòng)特性是指當(dāng)加上激勵(lì)信號(hào)及接上負(fù)載阻抗時(shí)，晶體管集電極電流ic與電極電壓(ube或uce)的關(guān)系曲線(xiàn)，它在ic～uce或ic～ube坐標(biāo)系統(tǒng)中是一條曲線(xiàn)。它的作法與小信號(hào)放大器不同，小信號(hào)放大器中，若已知負(fù)載電阻，過(guò)靜態(tài)工作點(diǎn)作一斜率為負(fù)的交流負(fù)載電阻值的倒數(shù)的直線(xiàn)，即得負(fù)載線(xiàn)，動(dòng)特性是負(fù)載線(xiàn)的一部分;而在高頻功放中是已知ube=Eb+ub和uce=Ec－uc，逐點(diǎn)(以ωt為變量，如由0至π變化)由ube、uce從晶體管輸出特性曲線(xiàn)上找出ic，并連成線(xiàn)，一般不是直線(xiàn)。當(dāng)晶體管的特性用折線(xiàn)近似時(shí)即為直線(xiàn)，此時(shí)的作法是取ωt=0，則ube=Eb+Ub，uce=Ec－Uc，得到A點(diǎn);取ωt=π/2，ube=Eb，uce=Ec，得到Q點(diǎn);取ωt=π，ic=0，uce=Ec+Uc，得到C點(diǎn);連接A、Q兩點(diǎn)，橫軸上方用實(shí)線(xiàn)表示，橫軸下方用虛線(xiàn)表示，交橫軸于B點(diǎn)，則A、B、C三點(diǎn)連線(xiàn)即為動(dòng)特性曲線(xiàn)。如果A點(diǎn)進(jìn)入到飽和區(qū)時(shí)，飽和區(qū)中的線(xiàn)用臨界飽和線(xiàn)代替，如圖3-16所示。圖3-16高頻功放的動(dòng)特性在A(yíng)點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，動(dòng)特性曲線(xiàn)的斜率為。動(dòng)特性曲線(xiàn)不僅與RL有關(guān)，而且與θ有關(guān)。

2．高頻功放的工作狀態(tài)前面提到，要提高高頻功放的功率、效率，除了工作于B類(lèi)、C類(lèi)狀態(tài)外，還應(yīng)該提高電壓利用系數(shù)ξ=Uc/Ec，也就是加大Uc，這是靠增加RL實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在討論Uc由小到大變化時(shí)，動(dòng)特性曲線(xiàn)的變化，由圖3-16可以看出，在Uc不是很大時(shí)，晶體管只是在截止和放大區(qū)變化，集電極電流ic為余弦脈沖，而且在此區(qū)域內(nèi)Uc增加時(shí)，集電極電流ic基本不變，即Ic0、Ic1基本不變，所以輸出功率P1=UcIc1/2隨Uc增加而增加，而P0=EcIc0基本不變，故η隨Uc增加而增加，這表明此時(shí)集電極電壓利用的不充分，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為欠壓狀態(tài)。當(dāng)Uc加大到接近Ec時(shí)，ucemin將小于ubemax，此瞬間不但發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正向偏置，即工作在飽和狀態(tài)，由于飽和區(qū)uce對(duì)ic的強(qiáng)烈反作用，

電流ic隨uce的下降而迅速下降，動(dòng)特性與飽和區(qū)的電流下降段重合，這就是為什么上述A點(diǎn)進(jìn)入到飽和區(qū)時(shí)動(dòng)特性曲線(xiàn)用臨界飽和線(xiàn)代替的原因。過(guò)壓狀態(tài)時(shí)ic為頂部出現(xiàn)凹陷的余弦脈沖，如圖3-17所示。通常將高頻功放的這種狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)壓狀態(tài)，這是高頻功放中所特有的一種狀態(tài)和特有的電流波形。出現(xiàn)這種狀態(tài)的原因是，振蕩回路上的電壓并不取決于ic的瞬時(shí)電流，使得在脈沖頂部期間，集電極電流迅速下降，只是采用電抗元件作負(fù)載時(shí)才有的情況。由于ic出現(xiàn)了凹陷，它相當(dāng)于一個(gè)余弦脈沖減去兩個(gè)小的余弦脈沖，因而可以預(yù)料，其基波分量Ic1和直流分量Ic0都小于欠壓狀態(tài)的值，這意味著輸出功率P1將下降，直流輸入功率P0也將下降。圖3-17過(guò)壓狀態(tài)的ic波形當(dāng)Uc介于欠壓和過(guò)壓狀態(tài)之間的某一值時(shí)，動(dòng)特性曲線(xiàn)的上端正好位于電流下降線(xiàn)上，此狀態(tài)稱(chēng)為臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)的集電極電流仍為余弦脈沖，與欠壓和過(guò)壓狀態(tài)比較，它既有較大的基波電流Ic1，也有較大的回路電壓Uc，所以晶體管的輸出功率P1最大，高頻功放一般工作在此狀態(tài)。保證這一狀態(tài)所需的集電極負(fù)載電阻RL稱(chēng)為臨界電阻或最佳負(fù)載電阻，一般用RLcr表示。由上述分析可知，高頻諧振功率放大器根據(jù)集電極電流是否進(jìn)入飽和區(qū)可以分為欠壓、臨界和過(guò)壓三種狀態(tài)，即如果滿(mǎn)足ucemin>uces時(shí)，功放工作在欠壓狀態(tài);如果ucemin=uces，功放工作在臨界狀態(tài);如果ucemin<uces，功放工作在過(guò)壓狀態(tài)。臨界狀態(tài)下，晶體管的輸出功率P1最大，功放一般工作在此狀態(tài)。例3-1

某高頻功放工作在臨界狀態(tài)，通角θ＝70°，輸出功率為3W，Ec＝24V，Eb＝－0.5V，所用高頻功率管的臨界飽和線(xiàn)斜率Sc＝0.33A/V，轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)斜率S＝0.8A/V，Eb′=0.65V，管子能安全工作。試計(jì)算：P0、η、Ub以及負(fù)載阻抗的大小。

解臨界狀態(tài)的標(biāo)志就是icmax值正好處于放大區(qū)向飽和區(qū)過(guò)渡的臨界線(xiàn)上。臨界飽和線(xiàn)的斜率為Sc，則臨界線(xiàn)可表示為圖3-18所示是工作在臨界狀態(tài)時(shí)的理想動(dòng)特性。根據(jù)此圖可以求出臨界時(shí)電壓利用系數(shù)ξ、最大電流icmax以及與輸出功率P1的關(guān)系。此時(shí)有icmax=Scucemin=Sc(Ec－Uc)=Sc(1－ξ)Ec

所以圖3-18臨界狀態(tài)參數(shù)計(jì)算另外，輸出功率P1可以表示為上面兩式聯(lián)立起來(lái)，可得因此或者至于此時(shí)所需激勵(lì)電壓Ub、基極偏置電壓UBB可以從晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)進(jìn)行求解。轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)如圖3-19所示，計(jì)算如下：圖3-19基極回路參數(shù)計(jì)算3.2.3高頻功放的外部特性高頻功放是工作于非線(xiàn)性狀態(tài)的放大器，同時(shí)也可以看成是一高頻功率發(fā)生器(在外部激勵(lì)下的發(fā)生器)。前面已經(jīng)指出，高頻功率放大器只能在一定的條件下對(duì)其性能進(jìn)行估算，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求還需通過(guò)對(duì)高頻功放的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了正確地使用和調(diào)整，需要了解高頻功放的外部特性。高頻功放的外部特性是指放大器的性能隨放大器的外部參數(shù)變化的規(guī)律，外部參數(shù)主要包括放大器的負(fù)載RL、激勵(lì)電壓Ub、偏置電壓Eb和Ec。外部特性也包括負(fù)載在調(diào)諧過(guò)程中的調(diào)諧特性，下面將在前面所述工作原理的基礎(chǔ)上定性地說(shuō)明這些特性和它們的應(yīng)用。

1．高頻功放的負(fù)載特性負(fù)載特性是指只改變負(fù)載電阻RL，高頻功放電流、電壓、功率及效率η變化的特性。在RL較小時(shí)，Uc也較小，高頻功放工作在欠壓狀態(tài)。在欠壓狀態(tài)下，RL增加，功率放大器的集電極電流ic的大小和形狀基本不變，電流Ic0、Ic1也基本不變，所以Uc隨RL的增加而增加，近似為正比關(guān)系。當(dāng)RL增加到RL＝RLcr時(shí)，

即ucemin=Ec－Uc等于晶體管的飽和壓降uces，放大器工作在臨界狀態(tài)，此時(shí)的集電極電流ic仍為一完整的余弦脈沖，與欠壓狀態(tài)時(shí)的ic基本相同，Ｉc0、Ic1也就與欠壓狀態(tài)時(shí)的基本相同，但此時(shí)的Uc大于欠壓狀態(tài)的Uc。

在臨界狀態(tài)下再增加RL，勢(shì)必會(huì)使Uc進(jìn)一步地增加，這樣會(huì)使晶體管在導(dǎo)通期間進(jìn)入到飽和區(qū)，從而使放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)，集電極電流ic出現(xiàn)凹頂，進(jìn)入飽和區(qū)越深，凹頂現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此從ic中分解出的Ic0、Ic1就越小。Ic1的迅速下降，從RL＝Uc/Ic1可見(jiàn)，這意味著RL應(yīng)有較大的增加。換句話(huà)說(shuō)，RL增加時(shí)，Uc只是緩慢地增加，因此負(fù)載特性曲線(xiàn)如圖3-20(a)所示。圖3-20(b)是根據(jù)圖3-20(a)而得到的功率、效率曲線(xiàn)。直流輸入功率P0(Ic0Ec)與Ic0的變化規(guī)律相同。在欠壓狀態(tài)，輸出功率隨RL增加而增加，至臨界RLcr時(shí)達(dá)到最大值。在過(guò)壓狀態(tài)，由于

，輸出功率隨RL增加而減小。集電極效率η變化可用η=γξ/2分析，在欠壓狀態(tài)，γ=Ic1/Ic0基本不變，η與ξ=Uc/Ec及RL近似線(xiàn)性關(guān)系。在過(guò)壓狀態(tài)，因ξ隨RL增加稍有增加，所以η也稍有增加，但RL很大，到達(dá)強(qiáng)過(guò)壓狀態(tài)，此時(shí)ic波形強(qiáng)烈畸變，波形系數(shù)γ要下降，η也會(huì)有所減小。圖3-20高頻功放的負(fù)載特性由圖3-20的負(fù)載特性可以看出高頻功放各種狀態(tài)的特點(diǎn):臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高，通常應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作。過(guò)壓狀態(tài)的特點(diǎn)是效率高、損耗小，并且輸出電壓受負(fù)載電阻RL的影響小，近似為交流恒壓源特性。欠壓狀態(tài)時(shí)電流受負(fù)載電阻RL的影響小，近似為交流恒流源特性，但由于效率低、集電極損耗大，一般不選擇在此狀態(tài)工作。在實(shí)際調(diào)整中，高頻功放可能會(huì)經(jīng)歷上述各種狀態(tài)，利用負(fù)載特性就可以正確判斷各種狀態(tài)，以進(jìn)行正確的調(diào)整。

2．高頻功放的振幅特性高頻功放的振幅特性是指只改變激勵(lì)信號(hào)振幅Ub時(shí)，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。在放大某些振幅變化的高頻信號(hào)時(shí)，必須了解它的振幅特性。由于基極回路的電壓ube=Eb+Ubcosωt，因此當(dāng)Eb(設(shè))不變時(shí)，ubemax隨Ub的增加而增加，從而導(dǎo)致icmax和θ的增加。在欠壓狀態(tài)下由于ubemax較小，因而集電極電流ic的最大值icmax與通角θ都較小，ic的面積較小，從中分解出來(lái)的Ic0和Ic1都較小。增大Ub，icmax和θ及ic的面積增加，Ic0和Ic1

隨之增加。當(dāng)Ub增加到一定程度后，電路的工作狀態(tài)由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)。在過(guò)壓狀態(tài)，隨Ub的增加，ubemax增加，雖然此時(shí)ic的波形產(chǎn)生凹頂現(xiàn)象，但icmax與θ還會(huì)增加，從ic中分解出來(lái)的Ic0、Ic1隨Ub的增加略有增加。圖3-21給出了Ub變化時(shí)ic波形和Ic0、Ic1、Uc隨Ub變化的特性曲線(xiàn)。由于RL不變，因此Uc的變化規(guī)律與Ic1相同。圖3-21高頻功放的振幅特性由圖3-21可以看出，在欠壓區(qū)，Ic0、Ic1、Uc隨Ub增加而增加，但并不一定是線(xiàn)性關(guān)系。而在放大振幅變化的高頻信號(hào)時(shí)，應(yīng)使輸出的高頻信號(hào)的振幅Uc與輸入的高頻激勵(lì)信號(hào)的振幅Ub成線(xiàn)性關(guān)系。為達(dá)到此目的，就必須使Uc與Ub

特性曲線(xiàn)為線(xiàn)性關(guān)系，這只有在θ＝90°的乙類(lèi)狀態(tài)下才能得到。因?yàn)樵谝翌?lèi)狀態(tài)工作時(shí)，，θ＝90°，Ub變化時(shí)，θ不變，而只有icmax隨Ub線(xiàn)性變化時(shí)，才能使Ic1隨Ub線(xiàn)性變化。在過(guò)壓區(qū)，Uc基本不隨Ub變化，可以認(rèn)為是恒壓區(qū)，所以，放大等幅信號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作。

3．高頻功放的調(diào)制特性在高頻功放中，有時(shí)希望用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。高頻功放的調(diào)制特性分為基極調(diào)制特性和集電極調(diào)制特性。

1)基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指僅改變Eb時(shí)，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。由于基極回路的電壓ube=Eb+Ubcosωt，Eb和Ub決定了放大器的ubemax，因此，改變Eb的情況與改變Ub的情況類(lèi)似，不同的是Eb可能為負(fù)。圖3-22給出了高頻功放的基極調(diào)制特性。圖3-22高頻功放的基極調(diào)制特性

2)集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指僅改變Ec，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。在Eb、Ub及RL不變時(shí)，動(dòng)特性曲線(xiàn)將隨Ec的變化左右平移，當(dāng)Ec由大到小變化時(shí)，功放的工作狀態(tài)由欠壓工作狀態(tài)到臨界，再進(jìn)入到過(guò)壓狀態(tài)，集電極電流ic從一完整的余弦脈沖變化到凹頂脈沖。因此，放大器的集電極調(diào)制特性曲線(xiàn)可如圖3-23所示。圖3-23高頻功放的集電極調(diào)制特性要實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，就必須使高頻信號(hào)振幅Uc與直流電壓(Eb或Ec)成線(xiàn)性關(guān)系(或近似線(xiàn)性)，因此在基極調(diào)制特性中，則應(yīng)選擇在欠壓狀態(tài)工作;在集電極調(diào)制特性中，應(yīng)選擇在過(guò)壓狀態(tài)工作。在直流電壓Eb(或Ec)上疊加一個(gè)較小的信號(hào)(調(diào)制信號(hào))，并使放大器工作在選定的工作狀態(tài)，則輸出信號(hào)的振幅將會(huì)隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，從而完成振幅調(diào)制，使功放和調(diào)制一次完成，通常稱(chēng)為高電平調(diào)制。

4．高頻功放的調(diào)諧特性在前面所說(shuō)的高頻功放的各種特性時(shí)，都認(rèn)為其負(fù)載回路處于諧振狀態(tài)，因而呈現(xiàn)為一電阻RL，但在實(shí)際使用時(shí)需要進(jìn)行調(diào)諧，這是通過(guò)改變回路元件(一般是回路電容)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。功放的外部電流Ic0、Ic1和電壓Uc等隨回路電容C的變化特性稱(chēng)為調(diào)諧特性，利用這種特性可以指示放大器是否調(diào)諧。

當(dāng)回路失諧時(shí)，不論是容性失諧還是感性失諧，阻抗ZL的模值要減小，而且會(huì)出現(xiàn)一幅角

，工作狀態(tài)將發(fā)生變化。設(shè)諧振時(shí)功放工作在弱過(guò)壓狀態(tài)，當(dāng)回路失諧后，由于阻抗ZL的模值減小，根據(jù)負(fù)載特性可知，功放的工作狀態(tài)將向臨界及欠壓狀態(tài)變化，此時(shí)Ic0和Ic1要增大，而Uc將下降，如圖3-24所示。由圖可知，可以利用Ic0或Ic1最小，或者利用Uc最大來(lái)指示放大器的調(diào)諧。通常因Ic0變化明顯，又只用直流電流表，故采用Ic0指示調(diào)諧的較多。圖3-24高頻功放的調(diào)諧特性應(yīng)該指出，回路失諧時(shí)直流輸入功率P0=Ic0Ec隨Ic0的增加而增加，而輸出功率P1=UcIc1cos

/2將主要因cos因子而下降，因此失諧后集電極功耗Pc將迅速增加。這表明高頻功放必須經(jīng)常保持在諧振狀態(tài)。調(diào)諧過(guò)程中失諧狀態(tài)的時(shí)間要盡可能短，調(diào)諧動(dòng)作要迅速，以防止晶體管因過(guò)熱而損壞，為防止調(diào)諧時(shí)損壞晶體管，在調(diào)諧時(shí)可降低Ec或減小激勵(lì)電壓。3.3高頻功率放大器的高頻效應(yīng)前面分析是以靜特性為基礎(chǔ)的分析，雖能說(shuō)明高頻功放的原理，但卻不能反映高頻工作時(shí)的其它現(xiàn)象。分析和實(shí)踐都說(shuō)明，當(dāng)晶體管工作于“中頻區(qū)”(0.5fβ<f<0.2fT)甚至更高頻率時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)輸出功率下降，效率降低，功率增益降低以及輸入、輸出阻抗為復(fù)阻抗等現(xiàn)象。所有這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是由于功放管性能隨頻率變化引起的，通常稱(chēng)它為功放管的高頻效應(yīng)。功放管的高頻效應(yīng)主要有以下幾方面。

1.少數(shù)載流子的渡越時(shí)間效應(yīng)晶體管本質(zhì)上是電荷控制器件。少數(shù)載流子的注入和擴(kuò)散是晶體管能夠進(jìn)行放大的基礎(chǔ)。少數(shù)載流子在基區(qū)擴(kuò)散而到達(dá)集電極需要一定的時(shí)間τ，稱(chēng)τ為載流子渡越時(shí)間。晶體管在低頻工作時(shí)，渡越時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)周期?；鶇^(qū)載流子分布與外加瞬時(shí)電壓是一一對(duì)應(yīng)的，因而晶體管各極電流與外加電壓也一一對(duì)應(yīng)，靜特性就反映了這一關(guān)系。功放管在高頻工作時(shí)，少數(shù)載流子的渡越時(shí)間可以與信號(hào)周期相比較，某一瞬間基區(qū)載流子分布決定于這以前的外加變化電壓。因而各極電流并不取決于此刻的外加電壓?，F(xiàn)在觀(guān)察功放在低頻和高頻時(shí)的電流波形變化。設(shè)功放工作在欠壓狀態(tài)，為了便于說(shuō)明問(wèn)題，假設(shè)兩種情況下等效發(fā)射結(jié)上加有相同的正弦電壓

。少數(shù)載流子的渡越效應(yīng)可以用渡越角ωτ的大小來(lái)衡量。圖3-25(a)、(b)是兩種情況下的電流波形，圖3-25(b)相當(dāng)于ωτ為10°～20°范圍的情況。當(dāng)

大于

時(shí)發(fā)射結(jié)正向?qū)?。近似地看，發(fā)射極的正向?qū)娏魅Q于。當(dāng)基區(qū)中的部分少數(shù)載流子還未完全到達(dá)集電結(jié)時(shí)，

已改變方向，于是基區(qū)中靠近集電結(jié)的載流子將繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，靠近發(fā)射結(jié)的載流子將受

反向電壓的作用返回發(fā)射結(jié)。這樣就造成發(fā)射結(jié)電流ie的反向流通，即出現(xiàn)ie<0的部分。由于渡越效應(yīng)，集電極電流ic的最大值將滯后于ie的最大值，且最大值比低頻時(shí)要小。由于最后到達(dá)集電極的少數(shù)載流子比ub′e=時(shí)要晚，形成ic脈沖的展寬?；鶚O電流是ie與ic之差，與低頻時(shí)比較，它有明顯的負(fù)的部分，而且其最大值也比ube的最大值提前。可以看出基極電流的基波分量要加大，而且其中有容性分量(超前

90°的電流)。圖3-25載流子渡越效應(yīng)對(duì)電流波形的影響(a)低頻時(shí);(b)高頻時(shí)從高頻時(shí)ic、ib的波形可以看出，高頻功放的性能要惡化。由于集電極基波電流的減小，輸出功率要下降;通角的加大，使集電極效率降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在晶體管的“中頻區(qū)”和“高頻區(qū)”，功率增益大約按每倍頻程6dB的規(guī)律下降。此外，由于基極電流Ib1的超前，功率的輸入阻抗Zi呈現(xiàn)非線(xiàn)性容抗。非線(xiàn)性表現(xiàn)為Zi隨激勵(lì)電壓Ub的大小而變化;而電抗分量表示Zi還隨頻率變化。在高頻功放中Zi隨激勵(lì)和頻率的變化通常要靠實(shí)際測(cè)量來(lái)確定。

2.非線(xiàn)性電抗效應(yīng)功放管中存在集電結(jié)電容，這個(gè)電容是隨集電結(jié)電壓Ube變化的非線(xiàn)性勢(shì)壘電容。在高頻大功率晶體管中它的數(shù)值可達(dá)幾十至一二百皮法拉。它對(duì)放大器的工作主要有兩個(gè)影響:一個(gè)是構(gòu)成放大器輸出端與輸入端之間的一條反饋支路，頻率越高，反饋越大。這個(gè)反饋在某些情況下會(huì)引起放大器工作不穩(wěn)定，甚至?xí)a(chǎn)生自激振蕩。另一個(gè)影響就是通過(guò)它的反饋會(huì)在輸出端形成一輸出電容Co?？紤]到非線(xiàn)性變化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輸出電容為

Cb≈2Cc(3-30)式中，Cc為對(duì)應(yīng)于uce=Ec的集電結(jié)的靜電容。

3.發(fā)射極引線(xiàn)電感的影響我們知道，一段長(zhǎng)為l，直徑為d的導(dǎo)線(xiàn)，其引起的電感Le可用下式表示

(3-31)當(dāng)晶體管工作在很高頻率時(shí)，發(fā)射極的引線(xiàn)電感產(chǎn)生的阻抗ωLe不能忽略。此引線(xiàn)既包括管子本身的引線(xiàn)，也包括外部電路的引線(xiàn)。在通常的共發(fā)組態(tài)功放中，ωLe構(gòu)成輸入、輸出之間的射極反饋耦合。通過(guò)它的作用使一部分激勵(lì)功率不經(jīng)放大直接送到輸出端，從而使功放的激勵(lì)加大，增益降低;同時(shí)，又使輸入阻抗增加了一附加的電感分量。

4.飽和壓降的影響晶體管工作于高頻時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其飽和壓降隨頻率提高而加大。圖3-26表示不同頻率時(shí)的飽和特性。在同一電流處，高頻飽和壓降大于低頻時(shí)的飽和壓降uces。飽和壓降增加的原因可以解釋如下:晶體管的飽和壓降是由結(jié)電壓(發(fā)射結(jié)與集電結(jié)正向電壓之差)和集電極區(qū)的體電阻上壓降兩部分組成。當(dāng)工作頻率增加時(shí)，由于基區(qū)的分布電阻和電容，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電壓在平面上的分布是不均勻的，中心部分壓降小，邊緣部分壓降大。

這就是集電極電流的“趨膚”效應(yīng)。頻率越高，“趨膚”效應(yīng)越顯著，電流流通的有效截面積也越小，體電阻和壓降就大。由圖3-26可看出，飽和壓降增大的結(jié)果，使放大器在高頻工作時(shí)的臨界電壓利用系數(shù)ξcr減小。由前面分析可知，這使功放的效率降低，最大輸出功率減小。圖3-26晶體管的飽和特性由上述分析可知，利用靜特性分析必然會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的誤差，但分析出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為實(shí)際的調(diào)整測(cè)試提供了一系列可供參考的數(shù)據(jù)，也是有其實(shí)際意義的(一般高頻功放輸入電路估算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與實(shí)際調(diào)試的數(shù)據(jù)偏差更大些)。高頻功放以高效率輸出最大功率的最佳狀態(tài)的獲得，在很大程度上要依靠實(shí)際的調(diào)整和測(cè)試。3.4高頻功率放大器的實(shí)際線(xiàn)路

高頻功率放大器和其它放大器一樣，其輸入和輸出端的管外電路均由直流饋電線(xiàn)路和匹配網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。3.4.1直流饋電線(xiàn)路直流饋電線(xiàn)路包括集電極和基極饋電線(xiàn)路。它應(yīng)保證在集電極和基極回路能使放大器正常工作，即保證集電極回路電壓uce=Ec－uc和基極回路電壓ube=Eb+ub，以及在回路中集電極電流的直流和基波分量有各自正常的通路。并且要求高頻信號(hào)不要流過(guò)直流源，以減少不必要的高頻功率的損耗。為了達(dá)到上述目的，需要設(shè)置一些旁路電容Cb和阻止高頻電流的扼流圈(大電感)Lb。在短波范圍，Cb一般為0.01～0.1μF，Lb一般為幾十至幾百微亨。下面結(jié)合集電極饋電線(xiàn)路和基極饋電線(xiàn)路說(shuō)明Cb、Lb的應(yīng)用方法。

1．集電極饋電線(xiàn)路圖3-27是集電極饋電線(xiàn)路的兩種形式:串聯(lián)饋電線(xiàn)路和并聯(lián)饋電線(xiàn)路。圖3-27(a)中，晶體管、諧振回路和電源三者是串聯(lián)連接的，故稱(chēng)為串聯(lián)饋電線(xiàn)路，集電極電流中的直流電流從Ec出發(fā)經(jīng)扼流圈Lb和回路電感L流入集電極，然后經(jīng)發(fā)射極回到電源負(fù)端;從發(fā)射極出來(lái)的高頻電流經(jīng)過(guò)旁路電容Cb和諧振回路再回到集電極。Lb的作用是阻止高頻電流流過(guò)電源，因?yàn)殡娫纯傆袃?nèi)阻，高頻電流流過(guò)電源會(huì)無(wú)謂地?fù)p耗功率，而且當(dāng)多級(jí)放大器共用電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不希望的寄生反饋。Cb的作用是提供交流通路，Cb的值應(yīng)使它的阻抗遠(yuǎn)小于回路的高頻阻抗。為有效地阻止高頻電流流過(guò)電源，Lb呈現(xiàn)的阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于Cb的阻抗。圖3-27集電極饋電線(xiàn)路兩種形式(a)串聯(lián)饋電;(b)并聯(lián)饋電圖3-27(b)中晶體管、電源、諧振回路三者是并聯(lián)連接的，故稱(chēng)為并聯(lián)饋電線(xiàn)路。由于正確使用了扼流圈Lb和耦合電容Cb，圖3-27(b)中交流有交流通路，直流有直流通路，并且交流不流過(guò)直流電源。串聯(lián)饋電的優(yōu)點(diǎn)是Ec、Lb、Cb處于高頻地電位，分布電容不影響回路;并聯(lián)饋電的優(yōu)點(diǎn)是回路一端處于直流地電位，回路L、C元件一端可以接地，安裝方便。需要指出的是，圖3-27中無(wú)論何種饋電形式，均有uce=Ec－uc。

2．基極饋電線(xiàn)路基極饋電線(xiàn)路也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。圖3-28示出了幾種基極饋電形式，基極的負(fù)偏壓既可以是外加的，也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過(guò)電阻產(chǎn)生。前者稱(chēng)為固定偏壓，后者稱(chēng)為自給偏壓。圖3-28(a)是發(fā)射極自給偏壓，Cb為旁路電容;圖3-28(b)為基極組合偏壓;圖3-28(c)為零偏壓。自給偏壓的優(yōu)點(diǎn)是偏壓能隨激勵(lì)大小變化，使晶體管的各極電流受激勵(lì)變化的影響減小，電路工作較穩(wěn)定。圖3-28基極饋電線(xiàn)路的幾種形式3.4.2輸出匹配網(wǎng)絡(luò)高頻功放的級(jí)與級(jí)之間或功放與負(fù)載之間是用輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接的，一般用雙端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該雙端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有這樣的幾個(gè)特點(diǎn):

(1)以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大，即起到阻抗匹配的作用;

(2)抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即有良好的濾波作用;

(3)大多數(shù)發(fā)射機(jī)為波段工作，因此雙端口網(wǎng)絡(luò)要適應(yīng)波段工作的要求，改變工作頻率時(shí)調(diào)諧要方便，并能在波段內(nèi)保持較好的匹配和較高的效率等。常用的輸出線(xiàn)路主要有兩種類(lèi)型:LC匹配網(wǎng)絡(luò)和耦合回路。

1.LC匹配網(wǎng)絡(luò)圖3-29是幾種常用的LC匹配網(wǎng)絡(luò)。它們是由兩種不同性質(zhì)的電抗元件構(gòu)成的L、T、Π型的雙端口網(wǎng)絡(luò)。由于LC元件消耗功率很小，可以高效地傳輸功率。同時(shí)，由于它們對(duì)頻率的選擇作用，決定了這種電路的窄帶性質(zhì)。有關(guān)LC匹配電路的詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)第2章。圖3-29幾種常見(jiàn)的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)Π型

L型匹配網(wǎng)絡(luò)按負(fù)載電阻與網(wǎng)絡(luò)電抗的并聯(lián)或串聯(lián)關(guān)系，可以分為L(zhǎng)-I型網(wǎng)絡(luò)(負(fù)載電阻Rp與Xp并聯(lián))與L-Π型網(wǎng)絡(luò)(負(fù)載電阻Rs與Xs串聯(lián))兩種，如圖2-30所示。在諧振時(shí)，串聯(lián)或并聯(lián)電抗相抵消。在負(fù)載電阻Rp大于高頻功放要求的最佳負(fù)載阻抗RLcr時(shí)，采用L-Ι型網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整Q值，可以將大的Rp變換為小的以獲得阻抗匹配(

)。在負(fù)載電阻Rs小于高頻功放要求的最佳負(fù)載阻抗RLcr時(shí)，采用L-Π型網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整Q值，可以將小的Rs變換為大的以獲得阻抗匹配(

)。

L型網(wǎng)絡(luò)雖然簡(jiǎn)單，但由于只有兩個(gè)元件可選擇，因此在滿(mǎn)足阻抗匹配關(guān)系時(shí)，回路的Q值就確定了，當(dāng)阻抗變換比不大時(shí)，回路Q(chēng)值低，對(duì)濾波不利，可以采用Π型、T型網(wǎng)絡(luò)。它們都可以看成兩個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，其阻抗變換在此不再詳述。由于T型網(wǎng)絡(luò)輸入端有近似串聯(lián)諧振回路的特性，因此一般不用作功放的輸出電路，而常用作各高頻功放的級(jí)間耦合電路。

圖3-30是一超短波輸出放大器的實(shí)際電路，它工作于固定頻率。圖中L1、C1、C2構(gòu)成一Π型匹配網(wǎng)絡(luò)，L2是為了抵消天線(xiàn)輸入阻抗中的容抗而設(shè)置的。改變C1和C2就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和阻抗匹配的目的。圖3-30一超短波輸出放大器的實(shí)際電路

2．耦合回路圖3-31是一短波發(fā)射機(jī)的輸出放大器，它采用互感耦合回路作輸出電路，多波段工作。由第2章分析可知，改變互感M，可以完成阻抗匹配功能。圖3-31短波輸出放大器的實(shí)際線(xiàn)路3.4.3高頻功放的實(shí)際線(xiàn)路舉例采用不同的饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成高頻功放的各種實(shí)用電路。圖3-32(a)是工作頻率為50MHz的晶體管諧振功率放大電路，它向50Ω外接負(fù)載提供25W功率，功率增益達(dá)7dB。這個(gè)放大電路基極采用零偏，集電極采用串饋，并由L2、L3、C3、C4組成Π型網(wǎng)絡(luò)。

圖3-32(b)是工作頻率為175MHz的VMOS場(chǎng)效應(yīng)管諧振功放電路，可向50Ω負(fù)載提供10W功率，效率大于60％，柵極采用了C1、C2、C3、L1組成的T型網(wǎng)絡(luò)，漏極采用L2、L3、C5、C7、C8組成的Π型網(wǎng)絡(luò);柵極采用并饋，漏極采用串饋。圖3-32高頻功放實(shí)際線(xiàn)路

(a)50MHz諧振功放電路;圖3-32高頻功放實(shí)際線(xiàn)路

(b)175MHz諧振功放電路3.5高效功放與功率合成對(duì)高頻功率放大器的主要要求是高效率和大功率。在提高效率方面，除了通常的C類(lèi)高頻功放外，近年來(lái)又出現(xiàn)了兩大類(lèi)高效率(η≥90%)高頻功率放大器。一類(lèi)是開(kāi)關(guān)型高頻功放，這里有源器件不是作為電流源，而是作為開(kāi)關(guān)使用的，這類(lèi)功放有D類(lèi)、E類(lèi)和S類(lèi)開(kāi)關(guān)型功放。還有一類(lèi)高效功放是采用特殊的電路設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)功放的負(fù)載回路，以降低器件功耗，提高功放的集電極效率，這類(lèi)功放有F類(lèi)、G類(lèi)和H類(lèi)功放。本節(jié)著重介紹電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器和電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器。在提高晶體管的功率方面，除了研制和生產(chǎn)高頻大功率晶體管(可承受更大的電流、電壓和功耗)外，一個(gè)可行的方法就是采用多個(gè)晶體管高頻功率放大器，把它們產(chǎn)生的高頻功率在一個(gè)公共負(fù)載上相加，這種技術(shù)稱(chēng)為功率合成技術(shù)，本節(jié)也將介紹功率合成的基本原理。3.5.1D類(lèi)高頻功率放大器在C類(lèi)高頻功放中，提高集電極效率是靠減小集電極電流的通角(θ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使集電極電流只在集電極電壓uce為最小值附近的一段時(shí)間內(nèi)流通，從而減小了集電極損耗。若能使集電極電流導(dǎo)通期間，集電極電壓為零或者是很小的值，則能進(jìn)一步減小集電極損耗，提高集電極效率。D類(lèi)高頻功放就是工作于這種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的放大器。當(dāng)晶體管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，晶體管兩端的電壓和脈沖電流當(dāng)然是由外電路，也就是由晶體管的激勵(lì)和集電極負(fù)載所決定。通常根據(jù)電壓為理想方波波形或電流為理想方波波形，可以將D類(lèi)放大器分為電流開(kāi)關(guān)放大器和電壓開(kāi)關(guān)放大器。

1.電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器圖3-33是電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器的原理線(xiàn)路和波形圖，線(xiàn)路通過(guò)高頻變壓器T1，使晶體管V1、V2獲得反向的方波激勵(lì)電壓。在理想狀態(tài)下，兩管的集電極電流ic1和ic2為方波開(kāi)關(guān)電流波形，ic1和ic2交替地流過(guò)LC諧振回路，由于LC回路對(duì)方波電流中的基頻分量諧振，因而在回路兩端產(chǎn)生基頻分量的正弦電壓。晶體管V1、V2的集電極電壓uce1、uce2波形示于圖3-33(d)、(e)。由圖可見(jiàn)，在V1(V2)導(dǎo)通期間的uce1(uce2)等于晶體管導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降uces;在V1(V2)截止期間的，uce1(uce2)為正弦波電壓的一部分。

回路線(xiàn)圈中點(diǎn)A對(duì)地的電壓為(uce1+uce2)/2，為如圖3-33(f)的脈動(dòng)電壓uA，可見(jiàn)A點(diǎn)不是地電位，它不能與電源Ec直接相連，而應(yīng)串入高頻扼流圈Lb后，再與電源Ec相連。在A(yíng)點(diǎn)，脈動(dòng)電壓的平均值應(yīng)等于電源電壓Ec，即由此可得(3-32)集電極回路兩端的高頻電壓峰值為(3-33)集電極回路兩端的高頻電壓有效值為(3-34)圖3-33電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器的線(xiàn)路和波形

V1(V2)的集電極電流為振幅等于Ic0的矩形，它的基頻分量振幅等于(2/π)Ic0。V1、V2的ic1、ic2中的基頻分量電流在集電極回路阻抗(考慮了負(fù)載RL的反射電阻)兩端產(chǎn)生的基頻電壓振幅為(3-35)將式(3-33)代入式(3-35)，得

(3-36)輸出功率為(3-37)輸入功率為(3-38)集電極損耗功率為(3-39)集電極效率為(3-40)這種線(xiàn)路由于采用方波電壓激勵(lì)，集電極電流為方波開(kāi)關(guān)波形，故稱(chēng)此線(xiàn)路為電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器。由集電極效率公式(3-42)可見(jiàn)，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，若飽和電壓降uces=0，

此時(shí)，電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器可獲得理想集電極效率為100%。實(shí)際D類(lèi)放大器的效率低于100%。引起實(shí)際效率下降的主要原因有兩個(gè):一個(gè)是晶體管導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降uces不為零，導(dǎo)通時(shí)有損耗。另一個(gè)是激勵(lì)電壓大小總是有限的，且由于晶體管的電容效應(yīng)，由截止變飽和，或者由飽和變截止，電壓uce1和uce2實(shí)際上有上升邊和下降邊，在此過(guò)渡期間已有集電極電流流通，有功率損耗。工作頻率越高，上升邊和下降邊越長(zhǎng)，損耗也越大。這是限制D類(lèi)放大器工作頻率上限的一個(gè)重要因素。通常，考慮這些實(shí)際因素后，D類(lèi)高頻功放的實(shí)際效率仍能達(dá)到90%，甚至更高些。

D類(lèi)放大器的激勵(lì)電壓可以是正弦波，也可以是其它脈沖波形，但都必須足夠大，使晶體管迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。

2．電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器圖3-34為一互補(bǔ)電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功放的線(xiàn)路及電流電壓波形。兩個(gè)同型(NPN)管串聯(lián)，集電極加有恒定的直流電壓Ec。兩管輸入端通過(guò)高頻變壓器T1加有反相的大電壓，當(dāng)一管從導(dǎo)通至飽和狀態(tài)時(shí)，另一管截止。負(fù)載電阻RL與L0、C0構(gòu)成一高Q串聯(lián)諧振回路，這個(gè)回路對(duì)激勵(lì)信號(hào)頻率調(diào)諧。如果忽略晶體管導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降，兩個(gè)晶體管就可等效于圖3-34(b)的單刀雙擲開(kāi)關(guān)。

晶體管輸出端的電壓在零和Ec間輪流變化，如圖3-34(c)所示。在uce2方波電壓的激勵(lì)下，負(fù)載RL上流過(guò)正弦波電流iL，這是因?yàn)楦逹串聯(lián)回路阻止了高次諧波電流流過(guò)RL(直流也被C0阻隔)的緣故。這樣在RL上仍然可以得到信號(hào)頻率的正弦波電壓，

實(shí)現(xiàn)了高頻放大的目的。在理想情況下，兩管的集電極損耗都為零(因uce2ic2=uce1ic1=0)，理想的集電極效率為100%。這也可以從輸入功率和輸出功率計(jì)算中得出。圖3-34電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功放的線(xiàn)路及波形由圖可見(jiàn)，因ic1、ic2都是半波余弦脈沖(θ=90°)，所以?xún)晒艿闹绷麟妷汉拓?fù)載電流分別為兩管的直流輸入功率為負(fù)載上的基波電壓UL等于uce2方波脈沖中的基波電壓分量。對(duì)uce2分解可得負(fù)載上的功率為(3-41)可見(jiàn)此時(shí)匹配的負(fù)載電阻為(3-42)影響電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器實(shí)際效率的因素與電壓開(kāi)關(guān)型基本相同，即主要由晶體管導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降uces不為零和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間(脈沖上升和下降邊沿)的損耗功率所造成。開(kāi)關(guān)型D類(lèi)放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是集電極效率高，輸出功率大。但在工作頻率很高時(shí)，隨著工作頻率的升高，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間的功耗增大，集電極效率下降，高效功放的優(yōu)點(diǎn)就不明顯了。由于D類(lèi)放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而也不適于放大振幅變化的信號(hào)。

F類(lèi)、G類(lèi)和H類(lèi)放大器是另一類(lèi)高效功率放大器。在它們的集電極電路設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的包括負(fù)載在內(nèi)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一定形狀的電壓波形，使晶體管在導(dǎo)通和截止的轉(zhuǎn)換期間，電壓uce和ic同時(shí)具有較小的數(shù)值，從而減小過(guò)渡狀態(tài)的集電極損耗。同時(shí)，還設(shè)法降低晶體管導(dǎo)通期間的集電極損耗。這幾類(lèi)放大器的原理、分析和計(jì)算可參看有關(guān)文獻(xiàn)。各種高效功放的原理與設(shè)計(jì)為進(jìn)一步提高高頻功率放大器的集電極效率提高提供了方法和思路。當(dāng)然，實(shí)際器件的導(dǎo)通飽和電壓降不為零，實(shí)際的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間也不為零，在采取各種措施后，高效功放的集電極效率可達(dá)90%以上，但仍不能達(dá)到理想放大器的效率。3.5.2功率合成器目前，由于技術(shù)上的限制和考慮，單個(gè)高頻晶體管的輸出功率一般只限于幾十瓦至幾百瓦。當(dāng)要求更大的輸出功率時(shí)，除了采用電子管外，一個(gè)可行的方法就是采用功率合成器。所謂功率合成器，就是采用多個(gè)高頻晶體管，使它們產(chǎn)生的高頻功率在一個(gè)公共負(fù)載上相加。圖3-35是常用的一種功率合成器組成方框圖。圖上除了信號(hào)源和負(fù)載外，還采用了兩種基本器件:一種是用三角形代表的晶體管功率放大器(有源器件)，另一種是用菱形代表的功率分配和合并電路(無(wú)源器件)。在所舉的例子中，輸出級(jí)采用了4個(gè)晶體管。根據(jù)同樣原理，也可擴(kuò)展至8個(gè)、16個(gè)，甚至更多的晶體管。圖3-35功率合成器組成由圖可見(jiàn)，在末級(jí)放大器之前是一個(gè)功率分配過(guò)程;末級(jí)放大器之后是一個(gè)功率合并過(guò)程。通常，功率合成器所用的晶體管數(shù)目較多。為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，晶體管放大器都不帶調(diào)諧元件，也就是通常采用寬帶工作方式。圖中的分配和合并電路，就是在第2章中介紹的由傳輸線(xiàn)變壓器構(gòu)成的3dB耦合器。它也保證了所需的寬帶特性。由圖3-35可以看出，功率合成器是由圖上虛線(xiàn)方框中所示的一些基本單元組成的，掌握它們的線(xiàn)路和原理也就掌握了合成器的基本原理。圖3-36就是功率合成器基本單元的一種線(xiàn)路，稱(chēng)為同相功率合成器。T1是作為分配器用的傳輸線(xiàn)變壓器，T2是作為合并器用的。由3dB耦合器原理可知，當(dāng)兩晶體管輸入電阻相等時(shí)，則兩管輸入電壓與耦合器輸入電壓相等在正常工作時(shí)平衡電阻RT1兩端無(wú)電壓，不消耗功率。由第2章