1、3.1 概述概述1、使用高頻功率放大器的目的使用高頻功率放大器的目的 放大高頻大信號使發射機末級獲得足夠大的發放大高頻大信號使發射機末級獲得足夠大的發射功率。射功率。2、高頻功率放大器使用中需要解決的兩個問題高頻功率放大器使用中需要解決的兩個問題高效率輸出高效率輸出高功率輸出高功率輸出 高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高。點都是輸出功率大和效率高。聯想對比：聯想對比：3、諧振功率放大器與小信號諧振放大器的比較諧振功率放大器與小信號諧振放大器的比較相同點：高頻信號，放大器的負載均為諧振回路。相同點：高頻信號，放大器的負載均為諧振回

2、路。不同點：激勵信號幅度大小不同；放大器工作點不不同點：激勵信號幅度大小不同；放大器工作點不同；晶體管動態范圍不同。同；晶體管動態范圍不同。icebtooictVBZ諧振功率放大器諧振功率放大器波形圖波形圖小信號諧振放大器小信號諧振放大器波形圖波形圖icQebtooict4 4、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同 功放實質上是能量轉換器，把電源供給的直功放實質上是能量轉換器，把電源供給的直流能量轉化為交流能量，能量轉換的能力即為功流能量轉化為交流能量，能量轉換的能力即為功率放大器的效率。率放大器的效率。要求輸出功率大和效率高。要求輸出功率大和效率高。

3、 諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號( (信號的通帶寬度只有其中心頻率的信號的通帶寬度只有其中心頻率的1%1%或更小或更小) )，其，其工作狀態通常選為丙類工作狀態工作狀態通常選為丙類工作狀態( ( c c9090 ) )，為了，為了不失真的放大信號，它的負載必須是諧振回路。不失真的放大信號，它的負載必須是諧振回路。 非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負載為無調諧負頻功率放大器。低頻功率放大器的負載為無調諧負載，工作在甲類或乙類工作狀態；寬帶高頻功率放載，工作在甲類或乙類工作狀

4、態；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負載。大器以寬帶傳輸線為負載。工作狀態工作狀態 功率放大器一般分為功率放大器一般分為A類、類、B類、類、AB類、類、C類類等工作方式，為了進一步提高工作效率還提出了等工作方式，為了進一步提高工作效率還提出了D類與類與E類放大器。類放大器。+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL輸出iEiceb諧振功率放大器的基本電路諧振功率放大器的基本電路晶體管的作用是在將供電電晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉變為交流能源的直流能量轉變為交流能量的過程中起開關控制作用。量的過程中起開關控制作用。諧振回路諧振回路LC是晶體管的負載是晶體管的負載選擇基波、濾除諧波選擇基

5、波、濾除諧波部分接入方式作用部分接入方式作用 變壓器耦合作用變壓器耦合作用最佳負載概念最佳負載概念直流饋電電路，直流饋電電路，E EB B 負偏壓、負偏壓、零偏壓或小的正偏壓零偏壓或小的正偏壓電路工作在電路工作在C類工作狀態類工作狀態3.2 諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理3.2.1 電路的組成與特點電路的組成與特點 當晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態的當晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。 ic max t o 2 尖頂余弦脈沖尖頂余弦脈沖晶體管的轉移特性為：晶體管的轉移特性為：它的外部電路關系式它的外部電路關

6、系式當當 t=0時時，ic= ic m 因此，因此，ic m= gcUbm(1cos )(DBEccUugitVVutVVucmCCCEbmBBBEcoscos3.2.2 丙類諧振功放電路工作原理丙類諧振功放電路工作原理3.3.1 特性曲線理想化特性曲線理想化 對諧振功率放大器進行分析計算，關鍵在于對諧振功率放大器進行分析計算，關鍵在于求出電流的直流分量求出電流的直流分量Ic0和基頻分量和基頻分量Icm1。 工程上都采用近似估算和實驗調整相結合的工程上都采用近似估算和實驗調整相結合的方法對高頻功率放大器進行分析和計算。折線法方法對高頻功率放大器進行分析和計算。折線法就是常用的一種分析法。就是常

7、用的一種分析法。 所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態特性曲線后進化，用一組折線代替晶體管靜態特性曲線后進行分析和計算的方法。行分析和計算的方法。3.3 諧振功率放大器的折線分析法諧振功率放大器的折線分析法晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線理想化折線（虛線）icgceb0VBZic過壓區臨界線欠壓區ebec0(a)(b)gcr晶體管實際特性和理想折線晶體管實際特性和理想折線 根據理想化原理晶體管的靜態轉移特性可用交橫軸于根據理想化原理晶體管的靜態轉移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示的一條直線

8、來表示( (VBZ為截止偏壓為截止偏壓) )。 轉移 特性 ic VD o 理想化 ic max ic t o +c c o +c c Vbm Vbm eb vc VBB t 諧振功率放大器轉移特性曲線諧振功率放大器轉移特性曲線bmDCUVUBBcos3.3.2 集電極余弦電流脈沖的分解集電極余弦電流脈沖的分解uBE= VBB+Vbmcos tDbmBBCcUVVgtcosiCbmCDbmBBCcttVgUVVgcoscoscosiCbmCCMVgcos1I)cos1/(coscos)(CCCMctIti若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數ic =Ic0+Icm1cost+

9、Icm2cos2t+Icmncosnt+由傅里葉級數的求系數法得由傅里葉級數的求系數法得)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1 (sincos)()cos1 (cossin)(210nnnnnn其中：其中：)()(100nCMcmnCMcmCMCIIIIIIn2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120 160100123140尖頂脈沖的分解系數尖頂脈沖的分解系數3.3.3 高頻功率放大器的輸出功率高頻功率放大器的輸出功率和效率和效率 功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極

10、的直流電源所供給的直流功率，使之轉變為交流制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉變為交流信號功率輸出去。信號功率輸出去。有一部分功率以熱能的形式消耗在集電有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。極上，成為集電極耗散功率。PD=直流電源供給的直流功率；直流電源供給的直流功率；Po=交流輸出信號功率；交流輸出信號功率；Pc=集電極耗散功率；集電極耗散功率；根據能量守恒定理：根據能量守恒定理：故集電極效率：故集電極效率：cooDoPPPPP如何減小集電極耗散功率如何減小集電極耗散功率Pc 可見使可見使ic在在u uCE最低的時候才能通過，那么，集最低的時候才能通過，那么，集電

11、極耗散功率自然會大為減小。電極耗散功率自然會大為減小。晶體管集電極平均耗散功率：晶體管集電極平均耗散功率：dtuTTCEc01i要想獲得高的集電極效率，諧振功率放大器的集電極電要想獲得高的集電極效率，諧振功率放大器的集電極電流應該是脈沖狀。導通角小于流應該是脈沖狀。導通角小于180 ，處于丙類工作狀態。，處于丙類工作狀態。 諧振功率放大器工作在丙類工作狀態時諧振功率放大器工作在丙類工作狀態時 90 ，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級數：集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級數：ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+直流功率：直流功率：輸出交流功率：輸出交流功率

12、：Vcm 回路兩端的基頻電壓回路兩端的基頻電壓 Icm1 基頻電流基頻電流RL 回路的諧振阻抗回路的諧振阻抗 放大器的集電極效率：放大器的集電極效率：101 .2121cCCcmcmoIVIVPPCCcmVV集電極電壓利用系數集電極電壓利用系數011 ccmII波形系數，通角波形系數，通角 的函數；的函數； 越小越小 1越大越大 越大越大( (即即Vcm越大或越大或u uCEmin越小越小) ) 越小效率越小效率 越高。越高。因此，丙類放大器提高效率因此，丙類放大器提高效率 的途徑即為減小的途徑即為減小 角；角；使使LC回回路諧振在信號的基頻上，即路諧振在信號的基頻上，即ic的最大值應對的最大

13、值應對應應u uCECE的最小值。的最小值。基極偏置為負值；基極偏置為負值；半通角半通角 90 ，即丙類工作狀態；，即丙類工作狀態；負載為負載為LC諧振回路。諧振回路。故諧振功率放大器的工作特點：故諧振功率放大器的工作特點：1 當放大器工作于諧振狀態時，它的外部電路當放大器工作于諧振狀態時，它的外部電路關系式為關系式為uBE= VBB+Vbmcos t uCE= VCCVcmcos t消去消去cos t可得，可得，cmCECCVuVuBE= VBB+Vbm另一方面，晶體管的折線化方程為另一方面，晶體管的折線化方程為ic = gC(uBEUD)3.3.4 高頻功率放大器的動態特性高頻功率放大器的

14、動態特性cmCECCVuVuBE= VBB+Vbm 得出在得出在icuCE坐標平面上的動態特性曲線坐標平面上的動態特性曲線( (負負載線載線) )方程：方程：DcmCECCbmBBCcUVuVVVg)(ibmcmBBcmDCCbmCEcmbmCVVVVUVVuVVg= gd(uCE U0)IQ= gd(VCC U0) 虛擬電流 CCmCCOVVcosU)(BBDcQVVgI ic ic 3 2 1 Im 0 180 90 半導通角 t B A C D 3 2 1 負載增大 eb=eb max VCC Q ec min Vcm 1.欠壓狀態 2.臨界狀態 3.過壓狀態 RL Vcm Vcm 3.

15、3.5 功率放大器的負載特性功率放大器的負載特性 在其他條件不變在其他條件不變( (VCC、VBB、vb為一為一定定) )，只變化放大器，只變化放大器的負載電阻而引起的的負載電阻而引起的放大器輸出電壓、輸放大器輸出電壓、輸出功率、效率的變化出功率、效率的變化特性稱為負載特性。特性稱為負載特性。icic321Im018090半導通角tBACD321負載增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠壓狀態2.臨界狀態3.過壓狀態RpVcmVcm 欠壓狀態欠壓狀態 B點點以右的區域。在欠壓以右的區域。在欠壓區至臨界點的范圍內，區至臨界點的范圍內，根據根據Vc=RLIc1，放大，放大器的交流輸

16、出電壓在器的交流輸出電壓在欠壓區內必隨負載電欠壓區內必隨負載電阻阻RL的增大而增大，的增大而增大，其輸出功率、效率的其輸出功率、效率的變化也將如此。變化也將如此。 ic ic 3 2 1 Im 0 180 90 半導通角 t B A C D 3 2 1 負載增大 eb=eb max VCC Q ec min Vcm 1.欠壓狀態 2.臨界狀態 3.過壓狀態 RL Vcm Vcm 臨界狀態臨界狀態 負載負載線和線和eb max正好相交于正好相交于臨界線的拐點。放大臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態器工作在臨界線狀態時，輸出功率大，管時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的子損耗小，放大器的效率也就

17、較大。效率也就較大。 過壓狀態過壓狀態 放大放大器的負載較大，在過器的負載較大，在過壓區，隨著負載壓區，隨著負載RL的的加大，加大，Ic1要下降，因要下降，因此放大器的輸出功率此放大器的輸出功率和效率也要減小。和效率也要減小。icic321Im018090半導通角tBACD321負載 增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠 壓狀 態2.臨 界狀 態3.過 壓狀 態RpVcmVcm電壓、電流隨負載變化波形電壓、電流隨負載變化波形根據上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特根據上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特性曲線性曲線 欠壓 過壓 0 臨界 Ic1 Ic0 Vcm Rp

18、0 c PD Po Pc 欠壓 過壓 臨界 Rp 負載特性曲線負載特性曲線 欠壓狀態的功率和效率都比較低，集電極耗散欠壓狀態的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。只是在晶體管基極調幅，需采用這種此較少采用。只是在晶體管基極調幅，需采用這種工作狀態。工作狀態。 過壓狀態的優點是，當負載阻抗變化時，輸出過壓狀態的優點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩且幅值較大，在弱過壓時，效率可達電壓比較平穩且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發射機的中間級、集最高，但輸出功率有所下降，發射機的

19、中間級、集電極調幅級常采用這種狀態。電極調幅級常采用這種狀態。欠壓過壓0臨界Ic1Ic0VCRp0cP=PoPc欠壓過壓臨界Rp負載特性曲線負載特性曲線 臨界狀態的特點是輸出功率最大，效率也較高，臨界狀態的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不多，可以說是最佳工作狀態，發射比最大效率差不多，可以說是最佳工作狀態，發射機的末級常設計成這種狀態，在計算諧振功率放大機的末級常設計成這種狀態，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態為例。器時，也常以此狀態為例。 欠壓 過壓 0 臨界 Ic1 Ic0 Vcm Rp 0 c PD Po Pc 欠壓 過壓 臨界 Rp 負載特性曲負載特性曲線線3.3.6

20、 電源電壓和輸入信號對高頻功率放大電源電壓和輸入信號對高頻功率放大器工作狀態的影響器工作狀態的影響 (4.23) 1 改變改變V VCCCC，但，但R Rp p、V Vb b、V VBBBB不變不變2VBB變化，但變化，但VCC、Vb、Rp不變不變 3Vbm變化，但變化，但VCC、VBB、Rp不變不變欠壓過壓臨界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠壓臨界過壓VCC變化時對工作狀態的影響變化時對工作狀態的影響 1 改變改變V VCCCC，但，但R Rp p、V Vb b、V VBBBB不變不變 當集電極供電電當集電極供電電壓壓V VC

21、CCC由大至小變化時，由大至小變化時，放大器的工作狀態由放大器的工作狀態由欠壓經臨界轉入過壓。欠壓經臨界轉入過壓。 特性應用特性應用 在過壓區中輸出電壓隨在過壓區中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為改變而變化的特性為集電極調幅的實現提供依據集電極調幅的實現提供依據( (見下一章）；因為在見下一章）；因為在集電極調幅電路中是依靠改變集電極調幅電路中是依靠改變VCC來實現調幅過程。來實現調幅過程。 0 0 ( a ) ( b ) 欠 壓 狀 態 過 壓 狀 態 VC C 欠 壓 狀 態 過 壓 狀 態 VC C Ic 0 Ic m 1 Po PD Pc 在欠壓區內，輸出電流的振幅基本上不隨在欠壓區

22、內，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變變化而變化，故輸出功率基本不變；在過壓區，輸出電化而變化，故輸出功率基本不變；在過壓區，輸出電流的振幅將隨流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。下降。2VBB變化，但變化，但VCC、Vb、Rp不變不變 由由 eb= VBB+Vbmcos t eb max= VBB+Vbm iceb4 maxvceVCCeb3 maxeb2 maxeb1 max0VC4VC3VC2VC1tQ當當VBB由小到大變化時，由小到大變化時，放大器的工作狀態由放大器的工作狀態由欠壓經臨界轉入過壓。欠壓經臨界轉入過壓。3Vbm變化，但變化，但

23、VCC、VBB、Rp不變不變由由 eb= VBB+Vbmcos t eb max= VBB+Vbm iceb4 maxvceVCCeb3 maxeb2 maxeb1 max0VC4VC3VC2VC1tQVbm由小到大變化時，由小到大變化時，放大器的工作狀態由放大器的工作狀態由欠壓經臨界轉入過壓。欠壓經臨界轉入過壓。 (a) 過壓狀態 欠壓狀態 Vbm IC0 O Icm1 (b) 過壓狀態 欠壓狀態 Vbm Po O PD Pc i p Vbm變化時電流、功率的變化變化時電流、功率的變化 特性應用特性應用 在欠壓區中輸出電壓隨在欠壓區中輸出電壓隨Vbm改變而變化的特性為改變而變化的特性為基極調

24、幅的實現提供依據基極調幅的實現提供依據( (見下一章）；因為在基極見下一章）；因為在基極調幅電路中是依靠改變調幅電路中是依靠改變Vbm來實現調幅過程的。來實現調幅過程的。1. 1. 集電極饋電電路集電極饋電電路 根據直流電源連接方式的不同，集電極饋電電路又分根據直流電源連接方式的不同，集電極饋電電路又分為串聯饋電和并聯饋電兩種。為串聯饋電和并聯饋電兩種。LCC1LC+ VC CALCCC1+ VC CLC2(a ) 串 饋(b ) 并 饋3.4.1 直流饋電電路直流饋電電路3.4 諧振功率放大電路諧振功率放大電路(1)(1)串饋電路串饋電路 指直流電源指直流電源VCC、負載回路、負載回路( (

25、匹配網絡匹配網絡) )、功率、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。管三者首尾相接的一種直流饋電電路。 LCC1LC+VCCA(a) 串饋 C1、LC為低通濾波為低通濾波電路，電路，A點為高頻地電點為高頻地電位，位，既阻止電源既阻止電源VCC中的中的高頻成分影響放大器的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號工作，又避免高頻信號在在LC負載回路以外不必負載回路以外不必要的損耗。要的損耗。 (2) 并饋電路并饋電路 指直流電源指直流電源VCC、負載回路負載回路( (匹配網絡匹配網絡) )、功、功 率管三者為并聯連接的一種饋電電路。如圖率管三者為并聯連接的一種饋電電路。如圖LC為為高高頻扼流圈頻扼

26、流圈，C1為高頻旁路電容，為高頻旁路電容，C2為隔直流通高頻為隔直流通高頻電容。電容。LC CLCCC1+ VC CLC2(b ) 并 饋 (3) 串并饋直流供電路的優缺點串并饋直流供電路的優缺點 在并饋電路中，信號回路兩端均處于直流地電在并饋電路中，信號回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對高頻而言，回路的一端又直接接位，即零電位。對高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路安裝比較方便，調諧電容地，因此回路安裝比較方便，調諧電容C上無高壓，上無高壓，安全可靠安全可靠. . 缺點是在并饋電路中，缺點是在并饋電路中，LC處于高頻高電位上，處于高頻高電位上，它對地的分布電容較大，將會直接影響回路諧

27、振頻它對地的分布電容較大，將會直接影響回路諧振頻率的穩定性率的穩定性. . 串串饋饋電路的特點正好與并饋電路相反。電路的特點正好與并饋電路相反。2. 基極饋電電路基極饋電電路基極饋電電路也分基極饋電電路也分串饋串饋和和并饋并饋兩種兩種(P66圖圖3.14）。）。 基極偏置電壓基極偏置電壓VBB可以單獨由穩壓電源供給，可以單獨由穩壓電源供給，也可以由集電極電源也可以由集電極電源VCC分壓供給。分壓供給。 在實際電路中，基極偏置常采用自給偏置電路在實際電路中，基極偏置常采用自給偏置電路（見課本（見課本P67P67頁圖頁圖3.153.15）。）。 利用直流分量在電阻上產生壓降來實現。利用直流分量在電

28、阻上產生壓降來實現。1. 輸出匹配網絡輸出匹配網絡 輸出匹配網絡常常是輸出匹配網絡常常是指設備中末級功放與天線或指設備中末級功放與天線或其他負載間的網絡其他負載間的網絡，這種匹配網絡有，這種匹配網絡有L型、型、 型、型、T型網絡及由它們組成的多級網絡，也有用雙調諧耦型網絡及由它們組成的多級網絡，也有用雙調諧耦合回路的。合回路的。 輸出匹配網絡的主要功能與要求是輸出匹配網絡的主要功能與要求是匹配匹配、濾波濾波和和高效率高效率。 高頻調諧功率放大器的阻抗匹配就是在給定的高頻調諧功率放大器的阻抗匹配就是在給定的電路條件下，改變負載回路的可調元件，將負載阻電路條件下，改變負載回路的可調元件，將負載阻抗抗Z ZL L轉換成放大管所要求的最佳負載阻抗轉換成放大管所要求的最佳負載阻抗R Rp p，使管，使管子送出的功率子送出的功率P P0 0能盡可能多的饋至負載。這就叫做能盡可能多的饋至負載。這就叫做達到了匹配狀態，或簡稱匹配。達到了匹配狀態，或簡稱匹配。3.4.2 匹配網絡匹配網絡例子例子: :最常見的輸出回路是復合輸出回路。最常見的輸出回路是復合輸出回路。圖中，介于電子器件與天圖中，介于電