高频电子线路第三章高频功率放大器全解

iC
iC
iC
A
斜 率g ICm
斜 率－gd
UBB 0
0
uBE
0 t 0 C
uBE
0
D B UCC uCE
Q
uCE
Ubm
t
Ucm
t
图3.2.5 折线化转移特性和输出特性分析
放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求出。 由式（3.2.1）和（3.2.2）可以写出：
uBE
U BB
如果要提高效率, 需增大Ic1m或减小IC0。 减小IC0即减小集电极平均电流, 通过降低静态工作点可
以实现。
3.2.2 性能分析（外特性）※※
若丙类谐振功放的输入是振幅为 Ubm的单频余弦信号，那么 输出单频余弦信号的振幅 Ucm与 Ubm 有什么关系? Ucm 的大小受 哪些参数影响？
匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变 换, 并充分滤除无用的杂散信号——实质作用是“选频匹配”。
第1章已介绍了几种基本LC选频匹配网络(倒L型、T型、π 型), 具体应用时为了产生良好的选频匹配效果, 常采用多节 匹配网络级联的方式。
为了衡量输出匹配网络上的功率损耗，可以定义回路效率为：
主要类型：甲类、乙类、甲乙类、丙类等。
主要指标:输出功率Po 、效率η
2. 高频（谐振）功率放大器
功能：放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射 功率。
位置：发射机末端。
特点：
1、负载是谐振回路； 2、工作在丙类； 3、输入是大信号。
3. 高频功率放大器的工作状态：
功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式， 为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。
第3章 高频功率放大器
3.1 概述 3.2 丙类谐振功率放大器
3.2.1 工作原理 3.2.2 性能分析 3.2.3 直流馈电线路与网络匹配
3.3 宽带高频功率放大器与功率合成电 路
思考
思考1：高频谐振功放和高频小信号放大器的异同点？
相同点： 1、频率较高（高 （B类或C类）。
2、小信号和大信号。
思考2：高频功放和低频功放的异同点？
相同点： 都是功率放大，追求的
目标都是高效、大功率。
不同点： 1、负载不同。 2、频率（频带）不同。
3.1 概述
1.什么叫功率放大电路？(《模拟电路》) 在实用电路中，往往要求放大电路的末级（即输出级）
所以
1
gd
19
由图3.2.6可以写出以下关系式：
ICm gcr (UCC Ucm) gdUcm(1 cos )
故
Ucm

gd
gcrU CC
(1 cos )
gcr
所以
I Cm

g cr [VCC

g crVCC
] 0.45 A
gd (1 cos ) gcr
Po
3.2 丙类谐振功率放大电路
3.2.1 工作原理 1.丙类谐振功率放大器的电路结构
晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能 量的过程中起开关控制作用。
谐振回路LC是晶体管的负载。 电路工作在丙类工作状态，注意UBB的方向(负向偏置)。
﹡集电极电流iC的分段表达式：
iC iC=g(uBE-Uon) 0
（4）回路等效电阻R 直接影响功放在欠压区内的动态线斜
例3.2 某高频功放工作在临界状态，已知 UCC=18V， gcr=0.6S，θ=60°，R∑=100Ω，求输出功率Po直流功率PD和 集电极效率η。
解：由式（3.2.14）可求得：
Rd
(60 )(1 cos60 ) 100 19 1
(2) 基极馈电线路
基极馈电也有串馈与并馈两种形式, 但对于丙类谐振功放, 通常采用自给偏压方式。
下图给出了几种基极馈电线路, 均为自给偏压形式。
2 .匹配网络
为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效 的功率, 输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后 级功放的要求,在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网 络。
Po

I c1m 2
Ucm 2

1 2 Ic1mUcm

1 2
I2 c1m
R

1

U
2 cm
2 R

集电极效率
c

Po PD
1 Ic1mUcm 2 IC0UCC
集电极功耗 PC PD Po
结论：
如果要增大输出功率, 在回路等效总电阻不变的情况下, 需增大Ic1m，当器件确定时, 就是要增大输入信号振幅 Ubm。
串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们 对地的分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电 容器C的动片不能直接接地, 安装调整不方便。
并布联电馈容电直方接式影的响优 回缺 路点 的正 谐好 振相 频率反。, 但L回c和路C处c1对于地直的流分地 电位, L、C元件可接地, 故安装调整方便。
由于集电极负载是并联谐振回路(或其他形式的选频网络)， 如使并联谐振回路谐振于基频，最终输出仍然是一个与 输入信号形状相似的单频正弦量。
2.丙类谐振功率放大器的功率和效率
集电极电源UCC提供的直流功率
PD UCC IC 0
由于回路对于基频谐振，呈纯阻RΣ(回路等效总电阻)状态， 对于其他谐波的阻抗很小，因此只有基频电流和基频电 压才能产生输出功率:
因为 I c1m I Cm 1 ( )
R
U cm I c1m
所以
Rd

1 gd
1 ( )(1 cos )R
1、负载特性
若UBB、UCC和Ubm三个参数固定, RΣ发生变化, 动态 线、Ucm以及Po、ηc等性能指标会有什么变化呢?这 就是谐振功放的负载特性。
由图3.2.6可知, UBB和UCC固定意味着Q点固定, Ubm 固定进一步意味着θ也固定。根据式(3.2.14), 放大 区动态线斜率1/ Rd将仅随RΣ而变化。图中给出了 三种不同斜率情况下的动态线。
Ubm
UCC uCE Ucm
代入式（3.2.6），经过整理可得到动态线表达式：
iC gd (uCE U0 )
其中
gd

g U bm U cm
U0

U CCU bm
U BBUcm U bm
U onU cm
由图（3.2.5）可以写出斜率值gd的另一种形式：
gd

I Cm
U cm (1 cos )
开路。
2、正确的使用阻隔元件； 3、电源一端接地，交流不能通过直流电源。
(1)集电极馈电线路
思考：为什么原理图不能作为实际线路？有什么问题？
集电极馈电线路的两种基本形式:
高于频阻扼止流高圈次谐Lc和波高流频过短直路流电电容源C并c、为C其c1提、供Cc短2的路作通用道在, 以免高次谐波影响直流电源的稳压性能。
U bm
当ωt=0时, iC=ICm，可得:
gUbm

I Cm
1 cos
所以, 式(3.2.7)可写成:
(3.2.8) (3.2.9)
iC

gUbm

cost

Uon UBB Ubm


ICm
cost cos 1 cos
(3.2.10)
从集电极电流iC的表达式可以看出, 这是一个周期性的 尖顶余弦脉冲函数, 因此可以用傅里叶级数展开, 即

1 2
ICm
2 2 1
(
)
R
1 0.452 0.382 100 1.46W 2
PD ICm0 ( )VCC 0.45 0.22 18 1.78W
c

Po PD
1.46 1.78
82%
例3.3
3.2.3
构成实际的高频功放电路必须遵循的原则： 1、保证回路电压关系，ub、uc不能被短路或
iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt+…
结论:
丙类谐振功率放大器电路结构上跟高频小信号放大器非 常相似，负载也是谐振回路；不同之处在于输入回路的 偏置电压UBB的方向。
丙类谐振功率放大器处于丙类(非线性)工作状态，放大器 输出电流是周期性的尖顶余弦脉冲，包含很多谐波分量， 失真很大。
uBE≥Uon uBE＜Uon
﹡如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角 度
2θ来表示, 则称θ为半通角，且 0°≤θ≤180°。
﹡晶体管内部特性(也叫转移特性)：
iC=g(UBB+Ubmcosωt-Uon)
(3.2.7)
当ωt=θ时, iC=0，可得到导通角计算式:
arccos Uon U BB
RΣ由小RΣ有变小大变,而大,斜斜率率由则大由到大小 变小
iC
iC
uBE
A2 A1
A3
小
Ubm
B2 B1
0
0大
t
B3
UCC
uCE
0
t
Q
UBB
0
uCE
Ucm 1
Ucm 2
t
Ucm 3
图 3.2.6 三种不同斜率情况下的动态线及波形分析
图3.2.7 谐振功放负载特性曲线
2、放大特性（振幅特性）
H
用双面敷铜板, 在上面作
出各种图形, 构成电感、
电容等各种微带元件, 从
而组成谐振电路、 滤波器
以及阻抗变换器等的。