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第2章高频功率放大器
第2章 高频功率放大器第2章高频功率放大器2.1 谐振功率放大器基本工作原理2.2 丙类谐振功率放大器的工作状态分析2.3 谐振功率放大器的高频特性2.4 谐振功率放大器电路2.5 高效率高频功率放大器及功率合成技术第2章 高频功率放大器2.1 谐振功率放大器基本工作原理2.1.1 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是晶体管谐振功率放大器的原理电路。其中， V为高频大功率管，通常采用平面工艺制造的NPN高频 大功率管，能承受高电压和大电流，有较高的特征频 率fT。晶体管的主要功用是在基极输入信号的控制下，将集电极电源EC 提供的直流能量转换为高频信号能量。第2章 高频功率放大器EB是基极偏置电压，调整EB，可改变放大器工作的类型。EC是集电极电源电压。集电极外接LC并联振 荡回路的功用是作放大器负载。放大器电路由集电极回路和基极回路两部分组成，集电极回路由晶体管集电极、发射极、集电极直流电 源和集电极负载组成。基极回路由晶体管基极、发射 极、偏置电源和外加激励组成。由偏置电压EB和外加 激励控制集电极电流的通断，由集电极回路通过晶体 管完成直流能量转变为高频交流能量。高频谐振功率 放大器主要研究集电极回路的能量转换关系。第2章 高频功率放大器iC ＋ iB V ＋ ub － ＋ － EB － EC ＋ u CE － C － Re uc ＋ RL L图2.1 谐振功率放大器原理电路第2章 高频功率放大器2.1.2 工作原理要了解高频谐振功率放大器的工作原理，首先必 须了解晶体管的电流、电压波形及其对应关系。晶体 管转移特性如图2.2中虚线所示。由于输入信号较大， 可用折线近似转移特性，如图中实线所示。图中U′B为 管子导通电压，gm为特性斜率。第2章 高频功率放大器iC gmiCEB －? 0UB ′ u BE uBi Cm a x －? 0? ? 2??t?Ubm图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形0?t第2章 高频功率放大器设输入电压为一余弦电压，即ub=Ubmcosωt 则管子基极、发射极间电压uBE为 uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt (2.1D1)在丙类工作时，EB&U′B ，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作时， θ&π/2 。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波，因此，集电极电流iC可写为第2章 高频功率放大器iC=IC0+ic1+ic2+…? =IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+… 波电流幅度。 谐振功率放大器的集电极负载是一高Q的LC并联 (2.1D2) 式中，IC0 为直流电流，Ic1m、Ic2m 分别为基波、二次谐振荡回路，如果选取谐振角频率ω0 等于输入信号ub 的角频率ω，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的 高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即uc=Ucmcosωt=Ic1mRecosωt (2.1D3)第2章 高频功率放大器式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC回路的谐振电阻。晶体管集电极、发射极间电压uCE等于 uCE=EC-uc=EC-Ｕcmcosωt (2.1D4) ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。第2章 高频功率放大器ubUb muc? 2?0 u BE UB ′ EB0?t0??U cm2??t2? i C, i c1 iCUb m2??tu CE EC? 02?? 2??iclmi Cm a xic 12??t?t图2.3 电流、电压波形第2章 高频功率放大器由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并联谐振回路的选频滤波作用，集电极电压仍为余弦波 形，且uCE与uBE反相。另外，已知集电极电流iC中有很多谐波分量，如果将LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即ω0=nω，则 在回路两端将得到nω 的电压uc=IcnmRencosnωt的输出信 号，它的频率是激励信号频率的n倍，所以这种谐振功 率放大器称为倍频器。第2章 高频功率放大器2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系在集电极电路中，LC振荡回路得到的高频功率为2 1 1 2 1 U cm Po ? I c1m ? cm ? I c1m ?Re ? U 2 2 2 Re 集电极电源EC供给的直流输入功率为(2.1D5)PE ? EC ?I C 0集电极耗散功率PC，即(2.1D6)直流输入功率PE与集电极输出高频功率Po之差为PC ? PE ? Po(2.1D7)第2章 高频功率放大器它是耗散在晶体管集电结上的损耗功率。集电极效率ηC为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即Po 1 I c1m ? cm U ?C ? ? ? PE 2 I C 0 ?EC(2.1D8)它是表示集电极回路能量转换的重要参数。谐振功率放大器就是要获取尽量大的Po和尽量高的ηC。由 式 (2.1D8) 可 见 ， 集 电 极 效 率 ηC 决 定 于 比 值 Ic1m/IC0与Ucm/EC的乘积，前者称为波形系数g1(θ)，即I c1m g1 (? ) ? IC 0(2.1D9)第2章 高频功率放大器后者称为集电极电压利用系数ξ，即U cm ?? IC 0因此式(2.1D8)又可写为(2.1D10)1 ?C ? g1 (? )? ? 2(2.1D11)第2章 高频功率放大器丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看。由Po 1 ?C ? ? PE 1 ? PC Po可知，当Po一定时，减小PC可提高ηC。PC可表示为1 PC ? 2?????iC ?uced? t(2.1D12)因此，减小iC?uce及通角θ可减小PC，由图2.3可看 出，iC 的最大值与uce 的最小值对应，通角θ越小，iC越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。第2章 高频功率放大器在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量提高输出功率。根据式(2.1D7)和式(2.1D8)， 可得PC Po ? 1 ?1(2.1D13)?C可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越 高，输出功率Po越大。第2章 高频功率放大器2.2 丙类谐振功率放大器的工作状态分析2.2.1 解析分析法 解析分析法首先要解决的问题是找到器件的数学 模型。由于晶体管处于大信号非线性工作区，特性曲线可用折线近似，如晶体管转移特性可用图2.4(a)表示，晶体管特性放大区的表示式可写为? iC ? gm (uCE ? U B ),截止区的表示式可写为? uBE ? U B(2.2D1)iC ? 0,? uBE ? U B第2章 高频功率放大器iC gmiCSc ru CE u BEu BE ＝UB′ 0 UB′ (a) u BE 0 (b) u CE图2.4 理想化的转移特性和输出特性 (a)转移特性；(b)输出特性第2章 高频功率放大器晶体管的输出特性，在放大区忽略基调效应的情况下，可认为特性曲线是一组与横轴平行的水平线。 在饱和区，用这些特性曲线从放大区进入饱和区的临界点相连起来的一条直线加以近似，这条直线叫临界线，其斜率用Scr表示，如图2.4(b)所示。这样，在饱和 区晶体管特性的表示式可写为iC ? Scr uCEUcmcosωt，因此放大区晶体管集电极电流为(2.2D2)晶体管外部电压为：uBE=EB+Ubmcosωt,uCE=EC-? iC ? gm ( Em ? U bm cos ?t ? U B )第2章 高频功率放大器当ωt=θ时，iC=0，则 ? U B ? EB cos? ? U bm当ωt=0时，(2.2D3)2 2当 EB ? U B ,? ? 90 EB ? U B ,? ? ? '; EB ? U B ,? ? ? ? ? ?? iC ? iC max ? g m ( E B ? U bm ? U B ) ? g m ? bm (1 ? cos ? ) U(2.2D4) 由此可得集电极余弦脉冲电流的解析表示式为cos ? t ? cos? iC ? iC max , ?? ? ? t ? ? (2.2D5) 1 ? cos?第2章 高频功率放大器根据傅立叶级数展开公式，iC中的直流分量为IC 01 ? 2?????sin ? ? ? cos? iC d? t ? iC max ? iC max ?a0 (? ) (2.2D6a) ? (1 ? cos? )基波分量的幅值为2? ? sin 2? I c1m ? ? iC cos ? td? t ? iC max ? iC max ?a1 (? ) ? ?? ? (1 ? cos? ) (2.2D6b) n次谐波分量的幅值为 1?I cnm ?2 sin n? cos? ? n cos? sin ? ? iC max ? ? ? iC max ?an (? ) 2 ? n( n ? 1)(1 ? cos ? )????1?iC cos n? td? t(2.2D6c)第2章 高频功率放大器?0, ?1, ?2, ?3 ?1 /??0 ＝g 1 (?)0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 －0.05 2.0?1 ?0 ＝g 1 (?? )1.01030507090110 130 150 170?? /°图2.5 余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线第2章 高频功率放大器2.2.2 动特性曲线――图解分析法动特性曲线是在晶体管的特性曲线上画出的谐振 功率放大器瞬时工作点的轨迹。小信号电压放大器是 纯电阻负载，晶体管仅仅在放大区工作，因此可近似 等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时工作点 的轨迹就是负载线，是一条直线。谐振功率放大器是 非线性工作，各个区域的特性曲线方程不同，因此各 个区域工作点的移动规律也不同，所以称其为动特性 曲线，以示与负载线的区别。第2章 高频功率放大器已知放大区集电极电流表示式为? iC ? gm ( EB ? U bm cos ? t ? U B )又根据uCE=EC-Ucmcosωt写出这样，可得EC ? uCE cos ? t ? U cm(2.2D7)EC ? uCE ? iC ? g m ( EB ? U B ? ? bm ) U U cm第2章 高频功率放大器可见，iC与uCE是直线关系，两点决定一条直线，因此只要在输出特性上求出谐振功率放大器的两个瞬时工 作点，它们的连线就是晶体管放大区的动特性曲线。根据式(2.1D1)和式(2.1D4)的公式，取ωt=0，则有? 据此在图2.6所示的输出特性上确定C点。再取 ? t ? 2?uBE ? u BE max ? EB ? U bm ? ? ?uCE ? uCE max ? EC ? U cm ?，则? u BE ? E B ? ? uCE ? EC第2章 高频功率放大器确定B点。在丙类状态工作时，EB&U′B，甚至可能为负值，因此B点的确定可以采用将放大区特性曲线按 比例向下延伸，先找到假想的UBE=EB的特性曲线，从而确定B点(见图2.6)。连CB ，与横轴交于A点，CA直线即为放大区的动特性。截止区(iC=0)的动特性是横轴 上的一段，其端点D可这样确定：取ωt=π，则?uBE ? EB ? U bm ? ?uCE ? EC ? U cm第2章 高频功率放大器iC iC C u BE ma xiCm a x 0 2? A EC 0 u CE min B u CE D u CE0?t图2.6 动特性曲线与集电极电流波形第2章 高频功率放大器2.2.3 谐振功率放大器的工作状态谐振功率放大器的工作状态是根据uBE=uBEmax 、 uCE=uCEmin 时瞬时工作点C在静特性曲线上所处位置确 定的。当C点落在输出特性(对应uBEmax 的那条)的放大 区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临 界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率 放大器的工作状态必须由EC、EB、Ubm、Ucm四个参量 决定，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变C点 所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。第2章 高频功率放大器当Re比较小时，Ucm=Ic1m?Re也比较小，C点处在输出特性的放大区，谐振功率放大器在欠压状态工作， 集电极电流为余弦脉冲，相应的动特性、集电极电流iC波形如图2.7中①所示。当Re 增大时，Ucm 增大，uCEmin 减小，C点沿uBEmax 的输出特性左移。若放大器仍处于欠压状态，集电极 电流波形不变。Re继续增大，若C点正好移在特性的临 界点C′时，放大器处于临界状态工作，集电极电流仍 为余弦脉冲，相应的动特性、集电极电流iC 波形如图 2.7中②所示。第2章 高频功率放大器iC iC E C′ ①② F C″ ③ 0 0 ③ A′ A″ ③ ② A EC B ① 0 uc u CE ② C u BE ma x ①?t图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形第2章 高频功率放大器继续增大Re，Ucm继续增加，uCEmin继续减小，C点将移至uBEmax输出特性的饱和区(图中以C″表示)，这时 谐振功率放大器处于过压状态工作。过压状态下动特 性可这样得出：将uBEmax输出特性曲线放大区扩展至纵 轴，uCEmin 与uBEmax 交于E点，连接EB与临界饱和线交 于F点，与横轴交于A″点，FA″是放大区的动特性， C″F则为瞬时工作点落入饱和区后的动特性。工作点进 入截止区后，动特性应以横轴代替。集电极电流iC波形 为一凹陷脉冲，动特性曲线及iC 波形如图2.7中③所示。第2章 高频功率放大器2.2.4 负载特性负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时， 谐振功率放大器的电流IC0 、Ic1m，电压Ucm，输出功率 Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC 随之变化的曲线。 从上面动特性曲线随Re 变化的分析可以看出，Re 由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相 应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲，如图2.8(a)所示。第2章 高频功率放大器iCiCiCiC0?t0?t0?t0?tRe增大 (a)图2.8 电流波形随Re的变化及其负载特性 (a)电流波形；(b)、(c)负载特性第2章 高频功率放大器Ic lm IC0Uc m PCPE?CP0 0 欠压区 Re cr 过压区 Re 0 欠压区 Re cr 过压区 (c) Re(b)图2.8 电流波形随Re的变化及其负载特性 (a)电流波形；(b)、(c)负载特性第2章 高频功率放大器根据图2.8(b)所示关系曲线，各功率、效率随Re变化曲线很容易画出。 由于PE=EC?IC0，因此，PE的变化规律与IC0 相同。 又因为1 P ? U cm ?I c1m o 2 因此，在欠压状态，P0∝Ucm，在过压状态，Po∝Ic1m。再根据PC ? PE ? Po Po ?C ? PE第2章 高频功率放大器 表2.1 三种工作状态的比较第2章 高频功率放大器2.2.5 EC、EB、Ubm对谐振功率放大器性能的影响1.集电极调制特性 集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改 变EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、 效率随之变化的曲线。由于uBEmax=EB+Ubm 不变，所以当EC 由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定 的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲， 如图2.9(a)所示。第2章 高频功率放大器由图2.9(a)，可定性画出IC0、Ic1m、Ucm与EC的关系 曲线，如图2.9(b)所示。根据图2.9(b)，可定性画出PE 、 Po、ηC与EC的关系曲线，如图2.9(c)所示。 由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压 幅度Ucm与EC成正比。利用这一特点，可以通过控制EC的变化，实现电压、电流、功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调 制特性曲线。第2章 高频功率放大器iC iC iC iC iC(a)0 ?t0 ?t0 ?t0 ?t0 ?t Uc m Ic lm IC0Uc m, Ic lm, IC0(b)0过压临界欠压EC图2.9 集电极调制特性第2章 高频功率放大器?CPE Po(c)0ECc r图2.9 集电极调制特性EC第2章 高频功率放大器2. 基极调制特性基极调制特性是指当EC、Ubm、Re保持不变而改变 EB 时，功放电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率的 变化曲线。 当EB增大时，会引起θ、iCmax增大，从而引起IC0、 Ic1m 、Ucm 增大。由于EC 不变，uCEmin=EC-Ucm 则会减小， 这样势必导致工作状态会由欠压变到临界再进入过压。 进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深，iC波形如图2.10(a)所示。第2章 高频功率放大器根据图2.10(a)，可定性画出IC0 、Ic1m 、Ucm随EB的变化曲线，如图2.10(b)所示。再根据图2.10(b)，可画 出Po、PE、ηC随EB变化的曲线，如图2.10(c)所示。由图 可见，在欠压区域，集电极电压的幅度Ucm与EB基本成 正比，利用这一特点，可通过控制EB 实现对电流、电 压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以 称这组特性曲线为基极调制特性曲线。第2章 高频功率放大器3. 放大特性放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变Ubm时， 功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率的变 化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调 制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、ηC随Ubm 的变化曲线如图2.11(a)、2.11(b)、2.11(c)所示。 由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压 振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。第2章 高频功率放大器iC iC iC iC iC0 ?t0 ?t0 ?t0 ?t 0 ?t EB增大 Uc m Ic lm IC0Uc m, Ic lm, IC0欠压 0临界过压EB图2.10 基极调制特性第2章 高频功率放大器?cPE Po (c) 0 EB图2.10 基极调制特性第2章 高频功率放大器iC iC iC iC iC(a)0 ?t0 ?tUc m, Ic lm, IC00 ?t 0 ?t 0 ?t Ubm增大 Uc m Ic lm IC0(b)0 欠压临界过压Ubm图2.11 放大特性第2章 高频功率放大器?cPE Po (c) 0 Ubm图2.11 放大特性第2章 高频功率放大器2.3 谐振功率放大器的高频特性2.3.1 基区渡越效应1 但当工作频率较高时 ( f / f ? ) ，在激励电压加于输入 2晶体管在低频工作时，认为iC、iE是同时产生的。端后，发射极发射载流子，经基区扩散到集电极，漂 移过集电结，形成集电极电流iC。第2章 高频功率放大器当这一渡越过程所需的时间可以与信号周期相比拟时，集电极电流iC比iB ,iE均要落后一相角φ，且由于 电子运动不规则，引起渡越的分散性，从而造成集电极电流脉冲峰值减小，脉冲展宽，最终导致Ic1m减小，输出功率Po减小，集电极效率ηC降低。第2章 高频功率放大器2.3.2 rbb′影响当频率增高时，由于iC的最大值下降且滞后于iE， 因此使基极电流iB增大，将导致Ib1m增大，发射结的阻抗显著减小，rbb′的影响相对增大，最终导致加在发射结的有效输入电压下降。若要求加至发射结上的输入 电压保持不变，必须使基极的输入电压增大，从而输 入功率增大，功率增益下降。第2章 高频功率放大器2.3.3 饱和压降影响工作频率升高加上大注入的影响，将使功率管的 饱和压降uCES增大(工作频率为几十兆赫时，uCES&3V； 工作频率为几百兆赫时，uCES&5V)。在电源电压EC相 同时，饱和压降增大，导致集电极临界输出电压ucmcr 减小，从而使放大器的输出功率、效率、功率增益均 相应减小。第2章 高频功率放大器2.3.4 引线电感、极间电容的影响当工作频率更高时，引线电感、极间电容的影响 就逐渐显著。在共射极放大电路中，发射极引线电感 的影响最为严重，因为发射极电流在其上产生的反馈 电压将导致增益和输出功率的下降。极间电容将使输 入阻抗减小，寄生反馈增加，造成放大器工作不稳定。 因此，在设计谐振功率放大器时，必须选取特征频率 fT远高于工作频率，以保证正常工作。第2章 高频功率放大器2.4 谐振功率放大器电路前面，我们对谐振功率放大器的原理电路进行了 分析，但实际的谐振功率放大器电路，往往要比原理 电路复杂得多。它通常包括直流馈电(包括集电极馈电 和基极馈电)和匹配网络(包括输入匹配网络和输出匹配 网络)两个部分，现分别介绍如下。第2章 高频功率放大器2.4.1 直流馈电线路1.馈电原则 欲使谐振功率放大器正常工作，各电极必须接有相 应的馈电电源。直流馈电必须遵循以下原则。 谐振功放的集电极馈电线路，应保证集电极电流iC中 的直流分量IC0只流过集电极直流电源EC(即：对直流而言， EC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直 流功率全部交给晶体管；还应保证谐振回路两端仅有基 波分量压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c ,e两 端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；另外也 应保证外电路对高次谐波分量icn 呈现短路，以免产生附 加损耗。第2章 高频功率放大器对上述这些原则的电路示意说明如图2.12所示。谐振功放的基极馈电线路的组成原则与集电极馈 电线路相仿。第一，基极电流中的直流分量IB0只流过 基极偏置电源(即EB直接加到晶体管b ,e两端)。第二， 基极电流中的基波分量ib1 只流过输入端的激励信号源， 以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。这些 原则的电路示意说明如图2.13所示。第2章 高频功率放大器ic 1icnIC0 － ＋ EC (a) － ＋ EC (b)CL(c)图2.12 集电极馈电线路组成原则说明 (a)直流通路；(b)基波通路；(c)高次谐波通路第2章 高频功率放大器ib1 ＋ IB0 ＋ EB － (a) (b) ub －图2.13 基极馈电线路组成原则说明? (a)直流通路；(b)基波通路第2章 高频功率放大器2. 集电极馈电线路集电极馈电可分为两种形式，一种为串联馈电， 另一种为并联馈电。 (1)串联馈电。集电极串联馈电是一种在电路形式 上直流电源EC，集电极谐振回路负载，晶体管c,e三者为串联连接的馈电方式，如图2.14(a)所示。第2章 高频功率放大器EC ＋ － ＋ V C － EC CC － EC (a) ＋ ＋ L uc － LC V E － C＋ CC2 － EC (b) ＋ ＋ uc － CC1 LC C ＋ L uc －图2.14 集电极馈电线路 (a)串联馈电形式；(b)并联馈电形式第2章 高频功率放大器(2)并联馈电。与串馈相对应，集电极并馈线路是指直流电源EC，集电极谐振回路负载，晶体管c,e三者 在电路形式上为并联连接的一种馈电方式，如图2.14(b) 所示。图中，CC2 为旁路电容，CC1 为隔直流电容，LC 为高频扼流圈。可以看出，由于LC 、CC1 、CC2 这些阻 隔元件和旁路元件的存在，使得该电路同样符合集电 极馈电线路的组成原则。第2章 高频功率放大器3. 基极馈电线路基极馈电线路原则上和集电极馈电相同，也有串 馈与并馈之分。基极串联馈电是指偏置电压EB，输入 信号源ub 及管子b,e三者在电路形式上为串联连接的一 种馈电方式，而在电路形式上为并联连接的则称为并 联馈电。第2章 高频功率放大器(1)串联馈电。串联馈电如图2.15(a)所示。图中CB2为滤波旁路电容。由图可见，EB ，ub ，管子b,e三者为 串联连接，基极电流中的直流分量IB0只流过偏置电压EB ，而基波分量ib1 只通过激励信号源ub ，符合馈电线路原则。 (2)并联馈电。基极并馈线路如图2.15(b)所示。图 中，LB 为基极高频扼流圈，CB1 、CB2 为耦合、旁路电 容。由图可见，输入回路、EB 、管子输入端三者相并 联；ib1只通过激励信号源ub；IB0只通过偏置电压EB。第2章 高频功率放大器V IB0 ＋ ub － CB2 ib1CB1 ib1 IB0VubLBCB2 ＋ EB (a)图2.15 基极馈电线路 (a)串馈电路；(b)并馈电路－＋E －B(b)第2章 高频功率放大器(3)偏压EB 的获得。在丙类谐振功率放大器中，基 极偏置电压EB 可为小的正偏压、负偏压及零偏压。正 的EB可用分压获得，如图2.16(a),(b)所示。但应注意， 分压电阻数值应适当选大些，以减小分压电路的功耗。 负偏置电压不给出能量，只消耗能量，所以可用自给偏置电路获得。自偏置分为基极自给偏置及发射极自给偏置。 基极自给偏置电路如图2.17(a),(b)所示。发射极自给偏置电路如图2.18所示。零偏压电路如图2.17(b)所示。第2章 高频功率放大器CB1V LB CB2VububCB2 R1 E C (b)R2R1 (a)ECR2图2.16 分压偏置第2章 高频功率放大器CB2iB LBVCB iB IB0 LBV－ RB ＋IB0CB1(a)(b)图2.17 基极自给偏置电路第2章 高频功率放大器CBViE LB ＋ RE － IE0 CE图2.18 发射极自给偏置电路第2章 高频功率放大器2.4.2 输出匹配网络高频功率放大器中都要采用一定形式的回路，以 使它的输出功率能有效地传输到负载(下级输入回路或 者天线回路)。这种保证外负载与谐振功率放大器最佳 工作要求相匹配的网络常称为匹配网络。如果谐振功 率放大器的负载是下级放大器输入阻抗，应采用“输 入匹配网络”或“级间耦合网络”；如果谐振功率放 大器的负载是天线或其他终端负载，应采用“输出匹 配网络”。对输入匹配网络与输出匹配网络的要求略 有不同，但基本设计方法相同，这里主要讨论输出匹 配网络。第2章 高频功率放大器“输出匹配网络”。对输入匹配网络与输出匹配网络的要求略有不同，但基本设计方法相同，这里主要 讨论输出匹配网络。输出匹配网络介于功率管和外接负载之间，如图2.19所示。对它的主要要求是： (1)匹配网络应有选频作用，充分滤除不需要的直 流和谐波分量，以保证外接负载上仅输出高频基波功 率。通常，滤波性能的好坏用滤波度Φn表示，即I cnm / I c1m ?n ? I Lnm / I L1m(2.4D1)第2章 高频功率放大器Ic lm Icnm Po ReIL1m ILnm 匹配 网络PL图2.19 匹配网络第2章 高频功率放大器式中，Ic1m、Icnm分别表示集电极电流脉冲中基波分量及n次谐波分量的幅度；IL1m,ILnm 则表示外接负载中电 流基波分量及n次谐波分量的幅度。Φn越大，滤波性能 越好。 (2)匹配网络还应具有阻抗变换作用，即把实际负 载ZL 的阻抗转变为纯阻性，且其数值应等于谐振功率 放大器所要求的负载电阻值，以保证放大器工作在所 设计的状态。若要求大功率、高效率输出，则应工作在临界状态，因而需将外接负载变换到临界负载电阻。第2章 高频功率放大器(3)匹配网络应能将功率管给出的信号功率高效率 传送到外接负载RL上，即要求匹配网络的效率(称为回 路效率ηk)高。 (4)在有n个电子器件同时输出功率的情况下，应保 证它们都能有效地传送功率给公共负载，同时又要尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。第2章 高频功率放大器1.并联谐振回路型输出匹配网络并联谐振回路型输出匹配网络的一般形式如图2.20 所示。可见，只要谐振回路的Q值足够大，它就具有很 好的滤波作用；调整抽头位置或初、次级匝数比，即 可完成阻抗变换。为便于理解，举例加以说明(有关LC 并联回路的基础知识请参看附录三)。 [例题］谐振功放电路如图2.21(a)所示。要求其工 作状态如图2.21(b)所示。已知RL=100Ω，f0=３０ＭＨz，B=1.5MHz，C=100pF,EC=12V，N1+N2=60匝。求：N3,N1,N2。第2章 高频功率放大器C Re － ＋ EC＋ uc －A BRL图2.20 谐振回路型输出匹配电路第2章 高频功率放大器iC / mA A100N1 C L A N3 N2 B － EC ＋ 0 (a) Uc mcos ? (b) RL 0 2 B(EC) EC ′ 7 12 C 22 u CE / Vu CE图2.21 例题图第2章 高频功率放大器解 由动特性可知，谐振功放工作在临界状态。变压器通过改变其线圈匝数比值，实现阻抗变换。 由动特性可知U cm ? EC ? uCE min ? 12 ? 2 ? 10(V ) icm ? 0.1A由于 所以? EC ? EC 1 cos? ? ? ,? ? 60o U cm 2 U cm ? I c1m ?Re ? iC max ?a1 (? )?Re U cm Re ? iC max ?a1 (? )第2章 高频功率放大器查表可知a1(θ)≈0.4，因此U cm Re ? ? 250(?) iC max ?a1 (? )可见，须将RL=100Ω变换为Re=250Ω，才能保证放 大器在临界状态工作。与此同时，还应保证谐振回路的谐振频率f0和带宽B符合要求。 由电路理论知f 0 30 Qe ? ? ? 20 B 1.5第2章 高频功率放大器特性阻抗ρ为1 1 ?? ? ? 50(?) 6 ?12 ?0C 2? ? 30 ? 10 ? 100 ? 10因此，LC回路两端的谐振阻抗R′e为? Re ? Qe ?? ? 20 ? 50 ? 1000(?)而 因此N1 ? N 2 2 ? Re ? n ?RL ? ( ) ?RL ? 1000(?) N32N1 ? N 2 2 1000 ( ) ? ? 10 N3 10 N1 ? N 2 60 N3 ? ? ? 19 匝 10 10第2章 高频功率放大器Re N2 ? 又由于 Re ? 2 , p ? p N1 ? N 2 ? N2 Re 1000 2 所以 ( ) ? ? ?4 N1 ? N 2 Re 250 N1 ? N 2 ? 30 匝第2章 高频功率放大器2. 滤波器型匹配网络用LC滤波器作匹配网络，有L型、Π型、T型等， 各种匹配网络的阻抗变换特性，都是以串、并联阻抗 转换为基础，下面作一介绍。 (1)串、并联阻抗转换。若需将电阻、电抗串联电 路(Rs、Xs串联)与它们相并联的电路(Rp、Xp并联)之间 作恒等变换，如图2.22所示，则可根据端导纳相等的原 则进行变换，即1 1 1 ? ? RP jX P Rs ? jX s第2章 高频功率放大器就可得到所需的串、并联阻抗转换公式，即RP ? Rs (1 ? Qe2 ) 1 X P ? X e (1 ? 2 ) Qe Xs RP Qe ? ? Rs XP(2.4D2)(2.4D3)式中为 品 质 因 数 ， 一 般 都 大 于 1 。 由 (2.4D2) 和 式 (2.4D3)可见，并联形式电阻Rp大于串联形式电阻Rs；转换前后电抗性质不变，且电抗值相差很小。第2章 高频功率放大器RpXpRs Xs并接图 2.22串接第2章 高频功率放大器(2) L型匹配网络。设有一谐振功放，要求的临界状态电阻为Re，负载为天线，呈现纯阻性rA，且rA&Re， 应如何设计匹配网络呢?首先，因为rA&Re ，故rA 应为串联型电阻，令一电抗与rA 相串联，则变为并联形式时，电阻可增大，若 再进一步选取合适的Qe值，使并联电阻Rp=Re，则天线 电阻rA 就可变换为Re 。但尚存有一电抗，只要另加一 相反性质电抗与之并联，使之在信号频率上谐振，即 可消除其影响。根据上述原则，就有如图2.23(a),(b)所 示两种L型匹配网络。第2章 高频功率放大器L C L rA C rA C L(Xs ) rA (Rs ) Xp C (X ′p ) (d ) L′ Re(Rp )Re (a)Re (b) (c)RerA (Rp )rA (Rp )Re (e)Re (f)图2.23 L型匹配网络第2章 高频功率放大器进一步考察图2.23(a),(b)，显然图2.23(a)为高通网络，而图2.23(b)为低通网络，具有良好的滤波作用， 应用更为广泛。图2.23(c)、(d)表示了图(b)L型网络的串、并联阻抗等效变换。L型匹配网络如何设计呢? 若给定功率管要求的Re，则由式(2.4D2)可得Qe ?RP ?1 ? RsRe ?1 rA(2.4D5)第2章 高频功率放大器由式(2.4D4)可得X e ? Qe ?Rs ? Qe ?rA ? rA ( Re ? rA ) Xp ? Re rA ? Re ? Qe Re ? rA(2.4D6) (2.4D7)(3)Π型匹配网络和T型匹配网络。Π型网络的形式如图2.24(a)所示。显然，它可以视作是两节L型匹配网络的级联，如图2.24(b)所示。Π型网络的阻抗变换特点 是高→低→高。第2章 高频功率放大器T型网络的形式如图2.24(c)所示。它同样可视作是 两节L型匹配网络的级联，如图2.24(d)所示。与Π型匹 配网络相反，T型匹配网络的阻抗变换特点是低→高 →低。 前面的讨论认为天线为纯电阻rA，但实际上天线常为阻容性负载。这时，可以把它的电容归入匹配网络电抗中去，按前面纯阻负载情况进行分析。表2.2列 出了常用匹配网络及相应设计公式。第2章 高频功率放大器(a)(b)(c)(d )图2.24 Π型匹配网络和T型匹配网络第2章 高频功率放大器 表 2.2第2章 高频功率放大器第2章 高频功率放大器2.4.3 谐振功率放大器的实用电路图2.25所示为一工作频率为160MHz的谐振功率放 大器，它向50Ω的外接负载提供13W功率，功率增益为 9dB。由图可见，基极采用自给偏置，由高频扼流圈LB 中的直流电阻产生很小的负偏压EB。第2章 高频功率放大器集电极采用并馈，LC 为高频扼流圈，CC 为旁路电 容。在放大器输入端采用T型匹配网络，调节C1、C2使 得功率管的输入阻抗在工作频率上，变换为前级放大 器所要求的50Ω匹配电阻。放大器的输出端采用L型匹 配网络，调节C3、C4，使得50Ω的外接负载电阻在工作 频率上，变换为放大器所要求的匹配电阻。第2章 高频功率放大器L2C350 ?97 ?H 16 pF 50 ? C1 17 pF C2 45 pF L1 16 ?H LB 280 ?H V Re CC 0.01 ?F EC(＋28V) LC 280 ?HC4 10 pF图2.25 实际谐振功放电路第2章 高频功率放大器2.5 高效率高频功率放大器及功率合成技术1.丁类高频功率放大器 在丙类高频功放中，提高集电极效率是依靠减小 集电极电流的通角θ来实现的。这使集电极电流只在集 电极电压uCE为最小值附近的一段时间内流通，从而减 小了集电极损耗，提高了效率ηC 。若能使集电极电流导通期间，集电极电压为零或接近于零，则必能进一步提高效率。丁类功率放大器就是根据这一原理设计 的高效功放。第2章 高频功率放大器丁类功率放大器有两种类型，一类为电压开关型电路，另一类为电流开关型电路。下面以电压开关型 电路为例说明丁类功率放大器的工作原理。电压开关型电路如图2.26(a)所示。两个同型NPN管V1、V2串联，并加上电源电压EC。输入变压器使V1、 V2由相位相反的大电压驱动，因而V1 、V2 轮流接通。 负载电阻RL与L0、C0构成一高Q串联谐振回路， 并调谐于激励信号频率。如果忽略管子导通时的饱和压降，则两个晶体管就可等效于图2.26(b)所示单刀双掷开关。第2章 高频功率放大器EC Tr1 i C1 V1 u c e1 L0 i C2 V2 u c e2 uL RL C0 i L 0 u c e2 EC 0 iL u L ? 2??t?ti C1 i C1m ax(a) EC S u c e2 L0 C0 i L uL RL (b) 0 0 i C2?t?t(c)图2.26 电压开关型丁类放大器的线路和波形第2章 高频功率放大器2. 戊类高频功率放大器戊类功率放大器原理电路如图2.27(a)所示。它用单 管作开关，驱动无源负载网络。无源网络由接在集电 极和负载之间的L0,C0、C串联谐振回路构成，电容C包 括管子输出电容C1 及为达到所需性能而外接的电容C2 。第2章 高频功率放大器iS＋EC LC V C1 C2 R L0 C0u CEt开关断(a)开关通(b)t图2.27 戊类放大器 (a)原理图；(b)波形图;(c)等效电路第2章 高频功率放大器＋EC Idc LCL0 C0 等效电路 理想调谐电路 jX io ＋u CEiS SC iC对 f0 , x＝0 对 nf0 , x＝∞＋ u1 －Ruo －图2.27 戊类放大器 (a)原理图；(b)波形图;(c)等效电路第2章 高频功率放大器对戊类放大器的分析，将在下列假定下进行：(1)扼流圈LC电抗很大，流过它的电流Idc为常数。 (2)串联谐振电路L0、C0的Q值极高，输出电流、电 压均为正弦波形。 (3)晶体管被驱动作为开关，或是接通(端电压为零)， 或是断开(通过它的电流为零)，如图2.27(b)所示。 (4)电容C和电压无关，即不存在参变效应。 戊类放大器的等效电路如图2.27(c)所示。第2章 高频功率放大器2.5.2 功率合成技术一个理想的功率合成电路除应能无损失地合成各 功率放大器的输出功率外，还应有很好的隔离作用， 即任一放大器的工作状态的变化不应引起其他放大器 状态的变化，以免影响输出功率。另外，功率合成所 用器件多，为使结构简单、性能可靠，放大器均不带 调谐元件，而采用宽带工作方式。第2章 高频功率放大器功率合成电路类型很多，这里只简略介绍工作在短 波或超短波段的用传输线变压器构成的功率合成电路。 功率合成器框图如图2.28所示。图中，三角形代表晶 体管功率放大器，菱形代表功率分配或合成电路(无源器 件)，这些功率分配和合成电路是由传输线变压器构成的3dB耦合器(有关内容，请参阅附录四)。图中虚线方框所示是功率合成器的基本单元。第2章 高频功率放大器信号源 负载 放大器 混合电路 基本单元图2.28 功率合成器组成框图第2章 高频功率放大器图2.29所示即为一种基本单元线路，称为同相功率合成器。Tr1为分配器的传输线变压器，Tr2为合成器， 当V1 、V2 两晶体管的输入电阻相等时，两管输入电压 与耦合器的输入电压相等，即， A ? U B ? U 1 U 而Rd1=2RA=2RB=4Rs 。当其中一管的输入阻抗偏离上 述值时，由于平衡电阻Rd1的隔离作用，另一管子输入 电压不会因此而变化。? ? ?第2章 高频功率放大器A′ Tr1 Rs? UsA RA Rd1Tr2 V1 Rd2 ＋? ULU1?RL＋ － B R B V2B′－(a)图2.29 同相功率合成电路 (a)原理图；(b)等效电路第2章 高频功率放大器? UA′2 RA′ UA －?UA′?＋－ ＋ RL UA′ 2 －?＋RB′? ＋ UBUB′ ＝0?－ (b)图2.29 同相功率合成电路(a)原理图；(b)等效电路第2章 高频功率放大器在晶体管输出端，正常工作时，两管输出电压相同，且等于负载电压，即 U A? ? U B? ? U ?L 由于负载上的电流加倍，故负载上功率是两管输出功 1 ? 率之和，即 PL ? U A? ? I c1 ) ? 2 P (2 1 2 此时平衡电阻Rd上无功率损耗。 当两个晶体管因各种因素造成输出电压变化而不 完全平衡时，相当于图2.29(b)等效电路中 U B 和U B? 发 生变化。? ?? ? ?第2章 高频功率放大器图2.30所示为反相功率合成器的原理线路，Tr1、Tr2为功率分配和合成电路，信号源和负载分别接在两 个耦合器的差端，平衡电阻Rd1、Rd分别接在耦合器的 和端。这种电路的工作原理与推挽功率放大器类似， 但由于A、B间与A′、B′间有隔离作用，因而同样也不 会因一个管子性能变化或损坏而影响另一 管子的正常 安全工作。第2章 高频功率放大器A′ A Rs Us － B?V1 Tr1 Rd Rd1 V2Tr2 RL B′＋图2.30 反相功率合成器
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