第三章高頻功率放大器第1頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

3.1概述在無線電廣播和通信發射機中，為了獲得大功率的高頻信號，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器按工作頻帶的寬窄可分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。窄帶高頻功率放大器通常以LC并聯諧振回路作負載，因此又稱為諧振功率放大器。第2頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路第3頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路功率放大器的效率與其放大器件的工作狀態有直接關系。放大器件的工作狀態可分為甲類、乙類、丙類等，提高功率放大器效率的主要途徑是改變放大器件的工作狀態。如:工作在丙類。甲、乙、丙三種狀態時的晶體管集電極電流波形第4頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路第5頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路在丙類工作狀態下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴重的非線性失真。高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數小(窄帶)，可以采用諧振回路作負載，通過諧振回路的選頻作用，濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。第6頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路高頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率。為了提高高頻功率放大器的效率，應采用丙類工作狀態。本章主要討論兩個問題：1.為什么在丙類工作時能獲得高的輸出功率和效率呢?2.高頻功率放大器的工作狀態如何確定。第7頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路3.2非線性電路的特性及分析方法電路元件可分為：線性元件、非線性元件和時變參量元件三類。全部由線性元件組成的電路稱線性電路。包含一個以上非線性元件的電路稱為非線性電路。包含一個以上時變參量元件的電路稱為時變參量電路。

描述線性電路可采用常系數線性微分方程組。描述非線性電路可采用非線性微分方程組。描述時變參量電路可采用變系數線性微分方程組。描述非線性時變參量電路可采用變系數非線性微分方程組。第8頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路在電子技術中一些非常重要的現象和過程都屬于非線性現象和參量現象，工程上為了簡化計算，較多的場合不用求解微分方程，而采用一些近似分析方法。3.2.1非線性元件的特性(1)、非線性電阻器直流電阻線性電阻器特性第9頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路非線性電阻器特性動態電阻靜態電阻第10頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路外加直流電壓Vo所確定的點Ｑ稱為靜態工作點靜態電阻和動態電阻均與工作點有關。例：隧道二極管特性隧道二極管特性中AB段動態電阻為負。第11頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路(2)、非線性元件的頻率變換作用設一正弦電壓若把它加到線性元件上，則：輸出電流中僅含ω１、ω２兩個頻率。第12頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路若把它加到非線性元件上，則：可見，輸電流中出現新頻率：直流、２ω１、２ω２、ω１＋ω２、ω１－ω２第13頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路(3)、非線性電路不滿足疊加原理對于非線性元件，若單獨作用，則有若單獨作用，則有若同時作用時有：第14頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路顯然，非線性電路不滿足疊加原理。3.2.2非性線電路分析法如何獲得非線性元件的特性?(1)、冪級數分析法由于冪級數簡單，各種函數可用冪級數表示，因而非線性元件特性可用冪級數表示。設非線性元件的特性可用函數表示，且的各價導數存在，則在靜態工作點Vo上展開式為可展開成：第15頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路其中：…如果Vo=0,則第16頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路例：已知2AP12二極管的特性曲線如圖示。試計算其特性方程。解：由于元件工作于特性曲線彎曲部分，故可用冪級數前三項來近似：（1）2AP12二極管的特性曲線第17頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路把b0、b1代入（１）得從特性曲線可知，點B(0.6,18)是曲線上的一點，把Ｂ點坐標代入（２）式得（２）解得因而2AP12的特性方程為第18頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路(２)、指數函數分析法由于指數函數也比較簡單，因而非線性元件特性可用指數函數表示。如PN結電流與電壓的關系。由于所以：PN結電流與電壓的關系q-電荷電量k-玻爾茲曼常數T-絕對溫度第19頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路(3)、折線分析法在輸入信號很大時，非線性元件的特性可用折線近似，如三極管的轉移特性可用折線近似：三極管的轉移特性可用折線近似第20頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路第21頁，課件共69頁，創作于2023年2月3.3諧振高頻功率放大器原理

3.3.1.基本電路3.3.2.工作狀態b高頻功率放大器的原理電路圖高頻電子線路管子僅在時導通。因而管子僅在一小段時間內導通。第22頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路第23頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路。設管子僅在至之間導通，則：管子集電極電流為余弦脈沖串,半通角為，，稱為丙類工作狀態。集電極電流包含很多諧波，失真很大。第24頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路集電極電流波形基波電流波形二次諧波電流波形三次諧波電流波形四次諧波電流波形第25頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

由于集電極回路中的并聯諧振回路諧振于基頻，它對基頻呈現出很大的純電阻性阻抗，而對其它諧波則呈現出很小阻抗，因而在并聯諧振回路兩端的電壓幾乎只含有基頻。盡管子集電極電流為余弦脈沖串，但在并聯諧振回路兩端仍輸出正弦波。VC第26頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路1.轉移特性用折線近似：其中常數三極管的轉移特性3.4.1晶體管特性3.4諧振高頻功率放大器的折線分析第27頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路2.輸出特性飽和區放大區

在飽和區，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關。在放大區，集電極電流只受集電極電流的控制，與集電極電壓無關。三極管的輸出特性或第28頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路3.4.2余弦電流脈沖分解由于又因當時，，得(1)(2)由(1)式減(2)式得：(3)第29頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路當時，，則有：(4)由(3)式除以(4)式得：或可見，是的函數，故可將其分解成富里葉級數：第30頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路其中：…………第31頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路以上各式可簡寫成：…………式中等均是的函數，稱為尖頂余弦脈沖的分解系數。第32頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路余弦脈沖分解系數與的關系I第33頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

由于集電極回路中的并聯諧振回路諧振于基頻，它對基頻呈現出很大的純電阻性阻抗，而對其它諧波則呈現出很小阻抗，因而在并聯諧振回路兩端的電壓幾乎只含有基頻。vC3.4.3功率與效率第34頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路管子集電極電流脈沖可分解成富里葉級數：直流電源供給功率：設集電極諧振電阻為，則回路吸收的功率為：給定了PO，則所需的回路阻抗為：第35頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路放大器效率：稱作電壓利用系數，一般接近于１。稱為波形系數，它是θc的函數，θc越小，越大。第36頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路從尖頂脈沖的分解系數來看，的最大值為0.536，對應的。這時，輸出功率為最大。但此時較小，效率不高。效率最高是，但輸出功率卻為０。在實際應用中，兼顧輸出功率和效率，一般選取左右為佳。從尖頂脈沖的分解系數可知，在時，最大。在時，最大。第37頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

3.5高頻功率放大器的動態特性晶體管的靜態特性是在集電極電路內沒有負載阻抗的條件下得到的關系，這是晶體管本身所固有的。在高頻功率放大器的電路和輸入、輸出條件確定后，也就是在晶體管、電源電壓和、輸入信號振幅和輸出信號振幅一定的條件下，稱為放大器的動態特性。

第38頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

3.5.1.動態特性

從以上分析可知：又因：從晶體管特性得：第39頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路現已找到的關系式，斜率為第40頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路點Ｑ：當時，點Ｂ：當時，動態特性曲線第41頁，課件共69頁，創作于2023年2月第42頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路諧振功率放大器的工作狀態是指在輸入信號激勵的一周內，是否進入晶體管特性曲線的飽和區來劃分。它分為欠壓、臨界和過壓三種狀態。用動態特性能較容易區分這三種工作狀態。第43頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

功率放大器的三種工作狀態第44頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

負載特性指在晶體管及、、，一定時，改變

，高頻功率放大器的工作狀態發生改變,回路諧振電阻

電流、電壓、功率和效率隨變化的關系。3.5.2高頻功率放大器的負載特性第45頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路各極電壓變化對工作狀態的影響(一)改變集電極電源電壓對工作狀態的影響當集電極電源電壓由大變小時，高頻功率放大器的工作狀態是由欠壓狀態變到臨界狀態，然后進入過壓狀態。改變對工作狀態的影響第46頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

改變對電流和功率的影響第47頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路改變對工作狀態的影響改變對工作狀態的影響第48頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路改變對電流和功率的影響第49頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路改變Vbb對工作狀態的影響

變化引起的工作狀態變化第50頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路動態特性的三種狀態的運用：1.欠壓狀態，集電極電流為正弦，輸出功率與效率都較低，輸出電壓不穩。一般不用。2.過壓狀態，集電極電流為下凹正弦，輸出功率有所下降，效率較高，輸出電壓較穩。一般用于中間級。3.臨界狀態，集電極電流為正弦，輸出功率最大，效率較高，一般用于未級功放。第51頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

3.6諧振高頻功率放大器的電路組成

諧振功率放大器是由輸入回路、晶體管和輸出回路組成。輸入、輸出回路在諧振功率放大器中的作用是，提供放大器所需的正常偏置；實現濾波(調諧于基波頻率)；保證阻抗匹配。可認為它是由直流饋電電路和匹配網絡兩部分組成。一、直流饋電電路

晶體管高頻功率放大器的直流饋電電路分為集電極饋電電路和基極饋電電路兩類。第52頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路(一)集電極饋電電路集電極直流饋電電路有串聯饋電和并聯饋電兩種形式。這些原則：(1).直流電源是產生功率的源泉；(2).高頻基波分量應通過負載回路，以產生所需要的高頻輸出功率。(3).高頻諧波分量是不需要的成分，它不應該消耗功率。因此管外電路對來說，應該盡可能接近短路，使諧波高頻能量不會發射出去。第53頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

要滿足以上三個要求，必須要加一些饋電元件來實現，如高頻扼流圈、旁路或隔直電容等。晶體管、負載回路和直流電源組成串聯聯接形式稱為串聯饋電；晶體管、負載回路和直流電源組成并聯聯接形式稱為并聯饋電。第54頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路(二)基極饋電電路基極饋電電路的組成也有串聯饋電和并聯饋電兩種形式，如圖所示。基極的反向偏壓既可以是外加的，也可以是由基極電流的直流分量或發射極電流的直流分量產生。后者稱為自給偏壓。

自給反向偏置電路第55頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路二、匹配網絡根據諧振功率放大器在發射機中所處位置的不同，常將諧振功率放大器所采用的匹配網絡分為輸入、輸出和級間耦合三種電路。輸入匹配網絡用于信號源與諧振功率放大器之間；輸出匹配網絡用于輸出級與天線負載之間；級間耦合匹配網絡用于高頻功率放大器的推動級與輸出級之間。這三種匹配網絡都可以使用由L和C組成的L型、型或T型這樣的基本網絡。第56頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路160MHz、13W諧振功率放大器第57頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

匹配網絡在電路中的作用是實現濾波與阻抗匹配。對輸出匹配網絡提出的主要要求如下：(1).把外接的負載阻抗(例如天線的阻抗)變換為放大管所要求的負載阻抗，以保證放大管輸出所需的功率。(2).抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波作用。(3).要求匹配網絡具有一定的通頻帶。使已調波通過網絡時，不致產生失真。(4).將功率管給出的信號功率高效率地傳送到外接負載上。第58頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

3.7丙類倍頻器

在無線電發射機、頻率合成器等電子設備中，廣泛地運用了倍頻器。采用倍頻器的優點是：1．能降低電子設備的主振頻率，對提高設備的頻率穩定度有利。2．在通信機的主振器工作波段不擴展的條件下，可利用倍頻器擴展發射機輸出級的工作波段。3．在調頻和調相發射機中，采用倍頻器可加大頻移或相移，即可加深調制深度。

第59頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路iciC1iC2ic頻譜0ICOIC1IC2IC3IC4LC諧振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC2第60頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路

晶體管倍頻器原理電路—般工作在欠壓和臨界狀態，而很少工作在過壓狀態。其原因是，在過壓狀態下，集電極電流脈沖出現頂部凹陷，它所含有的諧波分量不會明顯增加，反而需要很大的激勵電壓(或功率)，致使功率增益明顯下降。二倍頻器的交流等效電路第61頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路D類功放原理

D類功放采用兩只極間電容很小的高速開關功率晶體管構成，電路結構如圖所示。為便于分析，我們首先假設圖中的晶體管只起短路(導通)和開路(截止)的作用。在導通時管子C、E間的壓降為零，截止、時C、E端無漏電電流流過。第62頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路第63頁，課件共69頁，創作于2023年2月高頻電子線路E類功放原理

在C類放大器中，管子ic從零到最