高频电子线路高频功率放大器课件

4.1 4.1 概概 述述1 1、使用高频功率放大器的目的、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。是输出功率大和高。联想对比：联想对比：icebtooictVBZ3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQebtooicticQebtooict小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 icebtooictVBZ谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图4 4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带信号的通带宽度只有其中心频率的宽度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选为丙，其工作状态通常选为丙类工作状态类工作状态(c c9090)，为了不失真的放大信号，它的负载，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。载。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。表2-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 c=180 50%电阻 低频 乙类 c=90 78.5%推挽，回路 低频，高频 甲乙类 90c180 50%h78.5%推挽 低频 丙类 c90 h78.5%选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100%选频回路 高频 工作状态工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工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。大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路4.2 4.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理1、原理电路原理电路谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。量的过程中起开关控制作用。谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：tVVetVVecmCCcbmBBbcoscos)(BZbccVegi+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEiceb故晶体管的转移特性曲线表达式：故晶体管的转移特性曲线表达式：Vbmcosc=BBV+VBZ谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：故得：bmBZBBcVVVcos必须强调指出，集电极电流必须强调指出，集电极电流i ic c虽虽然是脉冲状，但由于谐振回路的然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示流的波形图如下页的图所示转移特性icVBZo理想化ic maxicto+cco+ccVbmVbmebvcVBBt VBZ VBB t VCC t t t eb ib ic ec Vcm Vcm vb 高频功率放大器中各分电高频功率放大器中各分电压与电流的关系压与电流的关系cCCcvVe（a a）t或电压电流VBZoic maxec miniccecVcmVCCicvceb max2ppVBZvBVbmvb23p2p25p(b)高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系LCLC回路能量转换过程回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由回路是由L L、C C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感由于回路中电感L L的电流不能突变，的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过因此，输出脉冲电流的大部分流过电容电容C C，即使，即使C C充电。充电电压的方充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源向是下正上负。这时直流电源V VCCCC给给出的能量储存在电容出的能量储存在电容C C之中。过了一之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到段时间，当电容两端的电压增大到一定程度一定程度(接近电源电压接近电源电压)，晶体管，晶体管截止。截止。由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。+C+icL+iL2、谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。信号功率输出去。由前述所知：由前述所知：有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。电极耗散功率。P PDCDC=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；P Po o=交流输出信号功率；交流输出信号功率；P Pc c=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：cooDCocPPPPPh由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：1)1)设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率P Pc c，则集电极效率，则集电极效率h hc c自然自然 会提高。这样，在给定会提高。这样，在给定P PDCDC时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率P Po o 就会增大；就会增大；2 2）由式由式cccoP1Phh可知可知 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值，那不超过规定值，那么提高集电极效率么提高集电极效率h hc c，将使交流输出功率，将使交流输出功率P Po o大为增加。谐振大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 可见使可见使i ic c在在e ec c最低的时候才能通过，那么，集电极耗散最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：dteT1T0cci 故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180180，处于丙类，处于丙类工作状态。工作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c c9090，集，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：ic=Ico+Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：p21cmp2cm1cmcmoRI21R2VIV21PVcm 回路两端的基频电压回路两端的基频电压 Icm1 基频电流基频电流Rp 回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：)(g21IVIV21PPc10cCC1cmcmochCCcmVV集电极电压利用系数集电极电压利用系数0c1cmc1II)(g波形系数，通角波形系数，通角 c c的函数；的函数；c c越小越小g g1 1(c c)越大越大 越大越大(即即V Vcmcm越大或越大或e ecmincmin越小越小)c c越小效率越小效率h hc c越高。因此，丙越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率类谐振功率放大器提高效率h hc c的途径即为减小的途径即为减小 c c角；使角；使LCLC回路谐振在信号的基频上，即回路谐振在信号的基频上，即i ic c的最大值应对应的最大值应对应e ec c的最小值。的最小值。基极偏置为负值；半通角基极偏置为负值；半通角 c c9090，即丙类工作状态；负，即丙类工作状态；负载为载为LCLC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：故谐振功率放大器的工作特点：4.3 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。分析法。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。法。折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1 1、测出晶体管的转移特性曲线、测出晶体管的转移特性曲线ic eb及输出特性曲线及输出特性曲线ic ec，并将这两组曲线作理想折线化处理并将这两组曲线作理想折线化处理2 2、作出动态特性曲线、作出动态特性曲线3 3、是根据激励电压、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2由给定的负载谐由给定的负载谐 振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标直流供给功率、效率等指标二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线 根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。理想化折线（虚线）icgceb0VBZic过压区临界线欠压区ebec0(a)(b)gcr若临界线的斜率为若临界线的斜率为g gcrcr，则临界线方程可写为，则临界线方程可写为 ic=gcrec1)1)欠压工作状态：欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。压较低且变化较大。在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：饱和区，将放大区的工作状态分为三种：由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。则则 ic=gc(ebVBZ)(ebVBZ)常数cbcceegi3)3)临界工作状态：临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。集电极最大点电流正好落在临界线上。2)2)过压工作状态：过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大。交流输出电压较高且变化不大。三、集电极余弦电流脉冲的分解三、集电极余弦电流脉冲的分解 当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。尖顶余弦脉冲尖顶余弦脉冲晶体管的内部特性为：晶体管的内部特性为：它的外部电路关系式它的外部电路关系式当当 t=0时，时，ic=ic max ic=gc(ebVBZ)eb=VBB+Vbmcos tec=VCCVcmcos t因此，因此，ic max=gcVbm(1cos c)ic maxto2c若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数ic=Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+Icmncosnt+由傅里叶级数的求系数法得由傅里叶级数的求系数法得)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1(sincos)()cos1(cossin)(210ccccccnccccccccccnnnnnppp其中：其中：尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数)()(maxmax10max0CnCcmnCCcmCCCiIiIiIn2.01.00.50.40.30.20.102040 60 80100c10180120 160100123140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时，时，Icm1/icmax达到最大值。在达到最大值。在Ic max与与负载阻抗负载阻抗Rp为某定值的为某定值的情况下，输出功率将达情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，到最大值。这样看来，取取 c=120 应该是最佳通应该是最佳通角了。但此时放大器处角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太于甲级工作状态效率太低。低。右图可见：右图可见：n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数)(g21)()(21IVIV21PPc1cnc10cCC1cmcmoch由于：由于：)()()(gc0c1c1波形系数波形系数由曲线可知：由曲线可知：极端情况极端情况 c c=0=0时，时，2)()()(gc0c1c1此时此时=1，h hc可达可达100%因此，为了兼顾功率与效率，因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取70 左右。左右。n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c101801201601001231401.1.谐振功率放大器的动态特性谐振功率放大器的动态特性 高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗R Rp p、激励电压、激励电压vb、供电电压供电电压VCC、VBB等等4 4个参量决定的。个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。样的变化。如果如果VCC、VBB、vb 3 3个参变量不变，则放大器的工作个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。载特性。四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为eb=VBB+Vbmcos t ec=VCCVcmcos t消去消去cos t可得，可得，cmcCCVeVeb=VBB+Vbm另一方面，晶体管的折线化方程为另一方面，晶体管的折线化方程为 ic=gc(ebVBZ)得出在得出在icec坐标平面上的动态特性曲线坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路负载线或工作路)方程：方程：BZcmcCCbmBBccVV)eV(VVgibmcmBBcmBZCCbmccmbmcVVVVVVVeVVg=gd(ec V0)icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：从负载方面看从负载方面看来，放大器相当于一个来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以交流电能发生器，可以输出电能至负载。输出电能至负载。用类似的方法，可用类似的方法，可得出在得出在ic eb坐标平面的坐标平面的动态特性曲线。动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm2.功率放大器的负载特性功率放大器的负载特性 在其他条件不变在其他条件不变(VCC、VBB、vb为一定为一定)，只变化放大器的负载电只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特的变化特性称为负载特性。性。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形1)1)vc、ic随负载变化的波形随负载变化的波形vc、ic随负载变化的波形如图所随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是一定的，其最大值为示，放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在，在负载电阻负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同。不同的负载，放大器的工作状态是不同的的,所得的所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。不一样的。2)2)欠压、过压、临界三种工作状态欠压、过压、临界三种工作状态 欠压状态欠压状态 B B 点以右的区域。在欠压区至临界点点以右的区域。在欠压区至临界点 的范围内，根据的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电，放大器的交流输出电 压在欠压区内必随负载电阻压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。其输出功率、效率的变化也将如此。临界状态临界状态 负载线和负载线和 eb max正好相交于临界正好相交于临界 线的拐点。放大器工线的拐点。放大器工 作在临界线状态时，作在临界线状态时，输出功率大，管子损输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率耗小，放大器的效率 也就较大。也就较大。过压状态过压状态 放大器的放大器的 负载较大，在过压负载较大，在过压 区，随着负载区，随着负载Rp的加的加 大，大，Ic1要下降，因此要下降，因此 放大器的输出功率和放大器的输出功率和 效率也要减小。效率也要减小。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线负载特性曲线负载特性曲线 欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。欠压过压0临界Ic 1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压临界Rp欠压过压0临界Ic 1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压临界Rp过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。态。负载特性曲线负载特性曲线临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。态为例。负载特性曲线负载特性曲线 掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。指标是很有帮助的。欠压过压0临界Ic 1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压临界Rp五、放大器工作状态及导通角的调整五、放大器工作状态及导通角的调整1.1.导通角导通角 c的调整的调整bBBBZ1cVVVcos由由 若保持若保持Vb不变增大偏置不变增大偏置VBB；或保持；或保持VBB不变增大激励、不变增大激励、电压振幅电压振幅Vb；或同时增大；或同时增大VBB和和Vb，这三种情况均可使导，这三种情况均可使导通角通角 c增大，若相反，则可使增大，若相反，则可使 c减小。但是采取上述三种减小。但是采取上述三种方法中的任一个方法，当方法中的任一个方法，当 c增大时，增大时，ic脉冲电流的振幅脉冲电流的振幅Im会加大，输出功率会加大，输出功率Po当然也会加大，而当当然也会加大，而当 c减小时，减小时，Im和和Po均将减小。有时希望增大均将减小。有时希望增大 c，但要保持，但要保持Im不变，则应在不变，则应在增加增加VBB的同时，适当减小激励的同时，适当减小激励Vb。2.欠压、临界、过压工作状态的调整欠压、临界、过压工作状态的调整 调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压；改变供电电压VCC；改变偏压；改变偏压VBB；改变激励；改变激励Vb。(1)(1)改变改变Rp，但，但Vb、VCC、VBB不变不变 当负载电阻当负载电阻Rp由小至大由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。状态时输出功率最大。(2)(2)改变改变VCC，但，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压不变当集电极供电电压VCC由由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠压临界过压V VCCCC变化时对工作状态的影响变化时对工作状态的影响在欠压区内，输出电流的在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随振幅基本上不随VCC变化变化而变化，故输出功率基本而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出不变；而在过压区，输出电流的振幅将随电流的振幅将随VCC的减的减小而下降，故输出功率也小而下降，故输出功率也随之下降。随之下降。在过压区中输出电压随在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变靠改变VCC来实现调幅过程的。改变来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。和电流、功率的变化如上图所示。00(a)(b)欠压状态过压状态VCC欠压状态过压状态VCCIc 0Icm1PoP=Pc(3)(3)Vbm变化，但变化，但VCC、VBB、Rp不变或不变或VBB变化，但变化，但VCC、Vb、Rp不变不变 这两种情况所引起放这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。大器工作状态的变化是相同的。因为无论是因为无论是Vbm还是还是VBB的变化，的变化，其结果都是引起其结果都是引起eb的变化。的变化。由由 eb=VBB+Vbmcos t eb max=VBB+Vbm 当当VBB或或Vbm由小到大变化时，由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。界转入过压。iceb4 maxvceVCCeb3 maxeb2 maxeb1 max0VC4VC3VC2VC1tQVbm变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化(a)过压状态欠压状态VbmIC0OIcm1(b)过压状态欠压状态VbmPoOP=Pcip六、谐振功率放大器的计算六、谐振功率放大器的计算谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。以临界状态为例：以临界状态为例：1)1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和和 cbBZBB1cVVVcos导通角导通角 c集电极电流脉冲幅值集电极电流脉冲幅值Icmic max=gcVb(1cosc)2)2)电流余弦脉冲的各谐波分量系数电流余弦脉冲的各谐波分量系数 0(c)、1(c)、n(c)可查表求得，并求得个分量的实际值。可查表求得，并求得个分量的实际值。3)3)谐振功率放大器的功率和效率谐振功率放大器的功率和效率直流功率：直流功率：PDC=Ic0 VCC交流输出功率：交流输出功率：maxcc1CC1cmcmo)(V21IV21Pi集电极效率：集电极效率：)(21ccDCocgPPh4)4)根据根据p2CCp2cmoR)V(21RV21P可求得最佳负载电阻：可求得最佳负载电阻：o2CCpP2)V(R在临界工作时，在临界工作时，接近于接近于1 1，作为工作估算，可设定，作为工作估算，可设定=1。“最佳最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。的效率较高，输出功率较大。可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角 c c改变改变而变化的。而变化的。c小，小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。大器具有大的最佳负载电阻值。在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载网络和终端负载(如天线等如天线等)相匹配。相匹配。4.4 4.4 晶体管功率放大器的高频效应晶体管功率放大器的高频效应一、概述一、概述 用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差，低用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差，低频时误差还是允许的。但随着工作频率的提高，由于晶体频时误差还是允许的。但随着工作频率的提高，由于晶体管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大，管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大，严重时，使放大器无法工作。严重时，使放大器无法工作。一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶体管的体电阻体管的体电阻(特别是特别是rbb 的影响的影响)。饱和压降及引线电感等。饱和压降及引线电感等因素的影响；另一方面，功率放大管基本工作在大信号，因素的影响；另一方面，功率放大管基本工作在大信号，即大注入条件下，必须考虑大注入所引起的基极电流和饱即大注入条件下，必须考虑大注入所引起的基极电流和饱和压降增加的影响。上述的这些影响都会使放大器的功率和压降增加的影响。上述的这些影响都会使放大器的功率增益、最大输出功率及效率的急骤下降。增益、最大输出功率及效率的急骤下降。二、基区渡越时间的影响二、基区渡越时间的影响 在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来表示基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可表示基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可等效成线性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线等效成线性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线性特性。性特性。通过实验，可以用示波通过实验，可以用示波器观察功率放大器放大管各器观察功率放大器放大管各极电流波形随工作频率变化极电流波形随工作频率变化而变化的情况。而变化的情况。高频情况下功放管高频情况下功放管 各电极电流波形各电极电流波形t0ct0(t0=10 20)ibicie2t0 在工作频率很高，在工作频率很高，渡越角在渡越角在tt0=10 20 时，功放管各时，功放管各电极电流的变化情况：电极电流的变化情况：(1)(1)发射极电流发射极电流ie 随着工作频率提高，存贮在基区中的载随着工作频率提高，存贮在基区中的载 流子由于输入信号流子由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极，迅速向负极性变化而返回发射极，因而因而ie出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越 高高,ie反向脉冲的宽度就越大，幅值也越南高，导通角也反向脉冲的宽度就越大，幅值也越南高，导通角也 越扩展。越扩展。(2)(2)集电极电流集电极电流ic ic 的的 峰峰 值滞后于值滞后于Ie 的峰值，二的峰值，二 者者 差一渡越角差一渡越角tt0，ic 的导通角也由低频时的的导通角也由低频时的 c c增大到：增大到：c+2tt0高频情况下功放管各电极电流波形高频情况下功放管各电极电流波形t0ct0(t0=1020)ibicie2t0(3)(3)基极电流基极电流ib 由于由于ie出现反出现反向脉冲，根据向脉冲，根据ib=ie ic，所以，所以ib也也出现反向电流脉冲，反向出现反向电流脉冲，反向电流的出现，使其基波分量电流的出现，使其基波分量Ib1大大增加，大大增加，Ib1的增加将提的增加将提高了对激励功率的要求。高了对激励功率的要求。上述分析表明，上述分析表明，ic的导通角加大，将使功率管的导通角加大，将使功率管的效率大大降低；的效率大大降低；Ib1的加大将使激励功率增加，的加大将使激励功率增加，这会使放大器的功率增益降低，这种现象将随工这会使放大器的功率增益降低，这种现象将随工作频率升高而加剧。作频率升高而加剧。高频情况下功放管高频情况下功放管 各电极电流波形各电极电流波形t0ct0(t0=10 20)ibicie2t0三、晶体管基极体电阻三、晶体管基极体电阻rbb 的影响的影响 当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值Ib1是迅是迅速增加的，这表明速增加的，这表明b e间呈现的交流阻抗显著减小，因此间呈现的交流阻抗显著减小，因此rbb 的影响便相对增加，要求的激励功率将更大，这会使功的影响便相对增加，要求的激励功率将更大，这会使功率增益进一步减小。率增益进一步减小。四、饱和压降四、饱和压降Vces 大信号注入时，功率管的饱和压降将增大，在高频工作时，大信号注入时，功率管的饱和压降将增大，在高频工作时，集电极体电阻也要提高，致使饱和压降进一步增加。集电极体电阻也要提高，致使饱和压降进一步增加。例如例如:当当f=30MHz时，时，实测某管的实测某管的Vces=1.5V，当当f=200MHz时，时，Vces则可大到则可大到3.5V。Vces的增加，会使功率放大器的输出功率、效率、功率的增加，会使功率放大器的输出功率、效率、功率增益均减少。增益均减少。五、引线电感的影响五、引线电感的影响 在更高频率工作时，要考虑管子各电极引线电感的影响，在更高频率工作时，要考虑管子各电极引线电感的影响，其中以发射极的引线电感影响最严重，因为它能使输出输入其中以发射极的引线电感影响最严重，因为它能使输出输入电路之间产生寄生耦合。电路之间产生寄生耦合。一般长度为一般长度为10mm的引线，其电感约为的引线，其电感约为103 H，在工作，在工作频率为频率为300MHz时，感抗值约为时，感抗值约为1.9，若通过，若通过1A高频电流，高频电流，则会在此感抗上产生约则会在此感抗上产生约1.9V的负反馈电压。这种负反馈当的负反馈电压。这种负反馈当然会使输出功率及功率增益下降，并使激励增加。然会使输出功率及功率增益下降，并使激励增加。1.1.集电极馈电电路集电极馈电电路 根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。为串联馈电和并联馈电两种。一、直流馈电电路一、直流馈电电路LCC1LC+VCCALCCC1+VCCLC2(a)串馈(b)并馈4.5 4.5 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成(1)串馈电路串馈电路 指直流电源指直流电源VCC、负载回路负载回路(匹配网络匹配网络)、功、功 率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。C1、LC为低通为低通 滤波电路，滤波电路，A A点为高频地电位，既阻止电源点为高频地电位，既阻止电源VCC中的高频中的高频 成分影响放大器的工作，又避免高频信号在成分影响放大器的工作，又避免高频信号在LC负载回路负载回路 以外不必要的损耗。以外不必要的损耗。C1、LC的选取原则为的选取原则为 1/LC 回路阻抗回路阻抗 1/10 LC1/c 10(2)并馈电路并馈电路 指直流电源指直流电源VCC、负载回路负载回路(匹配网络匹配网络)、功、功 率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图LC为高频扼为高频扼 流圈流圈，C1为高频旁路电容为高频旁路电容，C2为隔直流通高频电容为隔直流通高频电容，LC、C1、C2的选取原则与串馈电路基本相同的选取原则与串馈电路基本相同。(3)串并馈直流供电路的优缺点串并馈直流供电路的优缺点 在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容安装比较方便，调谐电容C C上无高压，安全可靠；缺点是在上无高压，安全可靠；缺点是在并馈电路中，并馈电路中，L LC C处于高频高电位上，它对地的分布电容较处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特点正好与并馈电路相反。点正好与并馈电路相反。2.基极馈电电路基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极偏置电压基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，也可以由可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源集电极电源VCC分压供给。在功放级输出功率大于分压供给。在功放级输出功率大于1W时，时，基极偏置常采用自给偏置电路。基极偏置常采用自给偏置电路。1.级间耦合网络级间耦合网络 多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。状态变化而变化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。于负载的变化，其输出电压将不稳定。对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。次要问题。二、输出回路和级间耦合回路二、输出回路和级间耦合回路对于中间级应采取如下措施：对于中间级应采取如下措施：1)1)使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒 压源。压源。2)2)降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本 身的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回身的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回 路本身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路路本身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路 的效率一般为的效率一般为h hk k=0.1=0.10.50.5，平均在，平均在0.30.3上下。也就是说，上下。也就是说，间级的输出功率应为后一级所需激励功率的间级的输出功率应为后一级所需激励功率的3 31010倍。倍。2.输出匹配网络输出匹配网络 输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络，这种匹配网络有间的网络，这种匹配网络有L L型、型、p p型、型、T T型网络及由它们组型网络及由它们组成的多级网络，也有用双调谐耦合回路的。成的多级网络，也有用双调谐耦合回路的。输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗Z ZL L转换成放大管转换成放大管所要求的最佳负载阻抗所要求的最佳负载阻抗R Rp p，使管子送出的功率，使管子送出的功率P P0 0能尽可能多能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数不足之处是电路的品质因数Q值很低值很低(通常通常Q10)，因此电路，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型或p p型网络作匹配之用。型网络作匹配之用。RpRpLLCRL(小)CRL(大)(b)RLRp匹配网络(a)RLRp匹配网络 下图是两种下图是两种p p形网络是其中的形式之一形网络是其中的形式之一(也可以用也可以用T型网型网络络)。图中。图中R2代表终端代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1代表由代表由R2折合到左端折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。的等效电阻，故接线用虚线表示。2CXLQ2R112LQ1RLQ1LX)3(1)12LQ(1R2R2R2CX)2(LQ1R1CX)1(R1C1C2R2L1(a)下图是两种下图是两种p p形网络是其中的形式之一形网络是其中的形式之一(也可以用也可以用T T型网型网络络)。图中。图中R2代表终端代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1代表由代表由R2折合到左端折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。的等效电阻，故接线用虚线表示。1)12LQ(1R2R2R1LX)3(12CXLQ2R12LQ1RLQ2CX)2(LQ1R1CX)1(R1C1R2C2L1(b)最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。图中，介于电子器件与天线回图中，介于电子器件与天线回路之间的路之间的L1C1 1回路就叫做中介回路就叫做中介回路；回路；RACA分别代表天线的辐分别代表天线的辐射电阻与等效电容；射电阻与等效电容；Ln、cn为为天线回路的调谐元件，它们的天线回路的调谐元件，它们的作用是使天线回路处于串联谐作用是使天线回路处于串联谐振状态，以获得最大的天线回振状态，以获得最大的天线回路电流路电流iA，亦即使天线辐射功，亦即使天线辐射功率达到最大。率达到最大。复合输出回路复合输出回路(为了简化电路，省略了为了简化电路，省略了 直流电源及辅助元件直流电源及辅助元件L、C、C 等等)这种电路是将天线这种电路是将天线(负载负载)回路通过互感或其他形式与集电回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。极调谐回路相耦合。LnC1CARACnL1r1L2 可以看到：两种输出网络，从晶体管集电极向右方看去，可以看到：两种输出网络，从晶体管集电极向右方看去，都应等效为一个并联谐振回路，如图所示。都应等效为一个并联谐振回路，如图所示。等效电路等效电路由耦合电路的理论可知，当天线回路调由耦合电路的理论可知，当天线回路调谐到串联谐振状态时，它反映到谐到串联谐振状态时，它反映到L1C1中中介回路的等效电阻为介回路的等效电阻为A22RM r因而等效回路的谐振阻抗为因而等效回路的谐振阻抗为A22111111pRMCL)(CLRrrrC1L1rr1ik 改变改变M(晶体管电路由于元件小，实现可变晶体管电路由于元件小，实现可变M是较困难是较困难的，这时里为了便于说明问题，因而仍采用了改变的，这时里为了便于说明问题，因而仍采用了改变M的讲的讲法法)，就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的，就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。耦合越紧，即互感耦合越紧，即互感M越大，则反映等效电阻越大，回越大，则反映等效电阻越大，回路的等效阻抗也就下降越多。路的等效阻抗也就下降越多。为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载RA上就希望上就希望 反射电阻反射电阻r 回路损耗电阻回路损耗电阻r1 2121122)()()(MRMIIAkkkhrrrrrrr功率功率电子器件送至回路的总电子器件送至回路的总回路送至负载的功率回路送至负载的功率 衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率中介回路的传输效率h hk，简称中介回路效率。，简称中介回路效率。rrrrrr11111110111 )(LQQCLRLQQCLRLpp值值有有负负载载时时的的回回路路抗抗有有负负载载时时的的回回路路谐谐振振阻阻值值无无负负载载时时的的回回路路抗抗无无负负载载时时的的回回路路谐谐振振阻阻 从回路传输效率高的观点来看，应使从回路传输效率高的观点来看，应使QL尽可能地小。尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于值一般不应小于1010。在功率很大。在功率很大的放大器中，的放大器中，QL也有低到也有低到1010以下的。以下的。0111111QQRRrLppkrrrrrh故有故有:本本 章章 小小 节节1.高频谐振功率放大器电路可以工作在甲类、乙类或丙高频谐振功率放大器电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。类状态。相比之下丙类谐振功放的失真度虽不及甲类和乙类相比之下丙类谐振功放的失真度虽不及甲类和乙类大，但输出功率大、效率高，节约能源，大，但输出功率大、效率高，节约能源，所以是高频功率放所以是高频功率放大器中经常选用的一种电路形式。大器中经常选用的一种电路形式。2.丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小，也就是晶丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小，也就是晶体管导通时间短，集电极功耗减小。体管导通时间短，集电极功耗减小。但导通角但导通角越小，将导越小，将导致输出功率越小。致输出功率越小。所以选择合适的所以选择合适的角，是丙类谐振功放在角，是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标的一个重要考虑，综合考虑兼顾效率和输出功率两个指标的一个重要考虑，综合考虑=70作为最佳导通角。作为最佳导通角。3.折线分析法是工程上常用的一种近似方法。折线分析法是工程上常用的一种近似方法。利用折线利用折线分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析，得出它的负载特分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析，得出它的负载特性、放大特性和调整特性。性、放大特性和调整特性。4.丙类谐振功放的输入回路采用自给负偏方式，输出回丙类谐振功放的输入回路采用自给负偏方式，输出回路有串馈和并馈两种直流馈电方式。路有串馈和并馈两种直流馈电方式。为了实现和前后级电为了实现和前后级电路的阻抗匹配，可以采用路的阻抗匹配，可以采用LC元件，微带线和传输线变压器元件，微带线和传输线变压器几种不同形式的匹配网络，分别适用于不同频的和不同工作几种不同形式的匹配网络，分别适用于不同频的和不同工作状态。状态。5.谐振功率放大器属于窄带功放。谐振功率放大器属于窄带功放。宽带高频功放采用非宽带高频功放采用非调谐方式，工作在甲类状态，采用具有宽频带特性的传输线调谐方式，工作在甲类状态，采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配，并可利用功率合成技术增大输出功率。变压器进行阻抗匹配，并可利用功率合成技术增大输出功率。