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第3章 高频谐振放大器3.2 高频功率放大器的原理和特性（8学时）高频功率放大器的主要功用是放大高频信号, 并且以高效输出大功率为目的, 它主要应用于各种无线电发射机中。主要要求：输出功率大；效率高；选频特性好。高频功率放大器主要工作在C（丙）类导通角，效率高。3.2.1工作原理 图3 12是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路, 除电源和偏置电路外, 它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。 图 3 12 晶体管高频功率放大器的原理线路 基极偏置电压：由电源提供，要求晶体管静态时发射结处于反偏状态（与低频电路基极偏置不同），一般，为负值，以保证晶体管工作在C类工作状态。 输入的激励信号较大，一般在0.5V以上（甚至可达1-2V以上），晶体管工作在导通与截止两种状态，基极电流和集电极电流只在信号的部分时间内不为零，是高频脉冲电流。选用谐振回路为放大器的负载，具有完成选频和阻抗匹配功能。选频：集电极电流为高频脉冲电流，可分解为基波（有用分量）和谐波（无用分量），用谐振回路选出有用频率分量，虑除无用频率分量，达到放大目的。阻抗匹配：使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗，实现阻抗匹配，使功放输出功率较大。1电流、 电压波形设输入信号为 则由图3 12得基极回路电压为交直流叠加量： (3 17)的波形如图：图中是晶体管的门坎电压，硅管。从的波形可见，一个周期内只在范围内才大于为正值，晶体管才导通，因此晶体管只在范围内才导通，（通角，导通角，晶体管工作在C类状态），相应的基极电流是只在范围内才有的脉冲电流，由此，集电极电流也是在范围内才有的脉冲电流。集电极电流波形可通过转移特性曲线（与的关系）得到。为了简化，对晶体管的特性作了折线化处理。集电极周期性脉冲电流按傅立叶展开可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量, 即 (3 18) 偶函数可以展开为余弦函数的傅里叶级数。其中： (3 19a) (3 19b) (3 19c) 0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数, 数值见附录。只有基波分量频率与信号频率相同，通过谐振回路的选频作用，选出基波信号，虑除其它频率分量，实现输入信号的放大。放大器的负载为并联谐振回路，当输入信号频率等于其谐振频率时，回路呈现较大的谐振阻抗。中只有基波电流分量在回路上产生较大的电压，而对频率远离的直流和其它谐波分量回路呈现很小的电阻，相对应的电压亦很小，几乎为零，这时回路的输出电压为：其中：RL是谐振回路谐振时的电阻。是余弦交流电压，即虽然集电极电流是脉冲电流，但通过回路的选频作用，电路输出的电流和电压却都是与输入信号规律相同的完整的余弦信号，实现不失真大放大。且和都较大，输出功率也较大。晶体管集电极和发射极间的电压为：是交直流叠加量，的波形如图:当集电极回路处于谐振时，出现在同一时刻，在相同的条件下，越小，就越集中在的附近，而最大时最小，越小，意味着较大时也较大的时间也越少，相应的集电极的功率损耗也较小，所以越小，功率放大器的效率越高。减小晶体管的导通角可以提高功放的效率，所以高频功放的导通角一般，工作在C类工作状态，而低频功放却不能工作在C类工作状态，因为低频功放的相对带宽很宽，只能采用电阻作为负载，没有选频作用，如果工作在C类工作状态，基极电流、集电极电流都是脉冲电流，输出电压也时脉冲电压，输出信号出现严重的失真。2 高频功放的能量关系 （1）输出功率P1：在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为 (3 22)（2）集电极电源供给的直流输入功率P0为直流功率 (3 23)(3) 集电极损耗功率Pc:直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc, 即 (3 24)Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。 定义集电极效率为 (4)集电极效率： (3 25) 其中：波形系数，基波电流分量与直流电流分量之比。越大，基波分量越大，输出功率越大，反映了电路的能量转换关系，直流电流中被转换成有用的基波电流的比例。集电极电压利用系数，直流电压转换成有用的输出电压的比例。因为所以：甲类功放，则；乙类功放，则；C类功放，则。由式(3 24)、 (3 25)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为 (3 26) ， ， 在Pc一定时（集电极允许的功率消耗确定的情况下），效率越高，越小，则输出功率越大。例：当效率由70提高到80时，输出功率由2.33Pc提高到4Pc，提高了70。提高效率的途径：提高和。 提高波形系数：减小，提高。不能太小，太小，降低，减小，减小，输出功率减小，为了兼顾输出功率和效率，通常选择在范围。 提高电压利用系数：在电源电压一定时，增大集电极的输出电压，可提高回路的谐振电阻（设计成最佳电阻）。(5)激励功率：设其基波电流振幅为I b1, 且与ub同相(忽略实际存在的容性电流), 则激励功率（信号源提供给放大器的平均功率）为： (3 27) (6) 高频功放的功率放大倍数：高频功放的功率放大倍数为： (3 28)用dB表示为 (3 29) a：越大，越小；b：随着增大而增大；c：随着先增大，而后几乎不变。3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态1 高频功放的动特性 动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶体管集电极电流ic与电极电压(ube或uce)的关系曲线, 它在icuCE或iBuBE坐标系统中是一条曲线。与低频电路的作图法一样，对于高频功放同样采用作图法可以由输入信号定量地画出相对应的输出电压、输出电流的波形。首先要求出高频功放的动特性曲线（相当于低频电路的交流负载线），然后根据高频功放的动特性曲线，采用作图法可以由输入信号定量地画出相对应的输出电压、输出电流的波形。由于高频功放工作在非线性状态，icuCE或iBuBE是非线性关系，分析时较为复杂。工程上可采用折线近似分析法，虽有一定误差，但方法简单，能满足工程要求。（1）晶体管特性曲线的理想化用折线表示晶体管的电压、电流的关系。图中用折线代替输入特性曲线中实际的曲线和输出特性曲线中饱和区中的曲线，用等间距的水平线代替输出特性曲线中实际略微的上翘的曲线，而将实际的特性曲线理想化。（2）icuCE和iBuBE曲线转化为icuCEuBE曲线：根据晶体管的输入特性曲线由基极电压uBE的波形可以得到基极电流iB的波形，再根据晶体管的输出特性曲线由iB基极电流的波形可以得到集电极电流ic的波形、集电极电压uCE的波形。为了方面，可以由基极电压uBE的波形直接得到集电极电流ic的波形、集电极电压uCE的波形。为此要将icuCE和iBuBE曲线转化为icuCEuBE曲线。晶体管的输入特性曲线经理想化近似后，iBuBE曲线转化直线，iB与uBE为线性关系，又晶体管的iB与ic为线性关系，所以ic与uBE也为线性关系。将icuCE曲线中iB所对应区域转化为间隔相等的间隔，并表示相应的uBE，这样就得到理性化的输出特性曲线，一族间隔均匀并与横轴（电压坐标轴）平行的直线，icuCEuBE曲线。（3）输出电压、电流的波形： 画出动特性曲线：在icuCE曲线上，令：，则：，在时，在晶体管输出特性的横轴上可以找到相应的的点，由基极和发射极之间的电压，在晶体管输出特性曲线上找到对应的那条线，所对应的集电极电流就是与这时的所对应的电流，由和这两个值，可以在晶体管输出特性曲线上找到对应的一点A，A点的横坐标为，纵坐标为，最终得到动特性的第一点A，；当：，则：，在时刻，对应的，并且为负值，在输出特性曲线上相对应的一条线应该在输出特性横轴下方，所以在晶体管输出特性曲线上找到一点：横坐标为，纵坐标为，则得到Q点（，连接A、Q两点，连线与横轴相交于B点，此点的电压值就是当时对应的值，其值为，因为，当时，晶体管刚开始截止，此时。所以可得到动特性的第二点B点（）；当：，则：，由于无论如何，都不能为负值，的最小值也等于零，所以动特性的第三点C点应该在输出特性上的横坐标为，纵坐标为的那点，即C点，（，0）；连接A、B、C得到的折线就是高频功放的动特性曲线，是功放工作时工作点移动的轨迹，决定了工作点的变化范围，也决定了集电极电压、电流的变化范围。由此动特性可以由输入电压的波形画出对应的输出电压和电流的波形。在A点没有进入饱和区时，动特性曲线的斜率为而所以：如果A点进入饱和区时，饱和区中的线用临界饱和线代替，可见，动特性曲线不仅与有关，而且与有关。 画出输出电压、电流的波形： a. 时，晶体管的工作点处在输出特性曲线中横坐标等于的横轴上，此时晶体管的发射结处于反偏，晶体管截止，基极、集电极电流均为零，但有输出电压；b. 此后随着由逐渐增大到的过程中，逐渐减小，但在基极偏压小于晶体管的门坎电压时，晶体管的发射结处于反偏，晶体管截止，基极、集电极电流均为零，但有输出电压，晶体管的工作点将沿横轴向左移动，输出电压逐渐减小；c. 当时，基极偏压等于晶体管的门坎电压，晶体管开始导通，晶体管的工作点正好处于B点，此后随着逐渐增大，晶体管的基极、集电极电流均由零逐渐增大，输出电压逐渐减小，晶体管的工作点从B点沿动特性线AB向上移动；d. 当时，输出电压最小，输出电流达到最大，晶体管的工作点沿动特性线AB向上移动到A点；e. 当由逐渐增大时，随着逐渐增大，晶体管的工作点沿动特性线AB向下移动，当时，基极偏压等于晶体管的门坎电压，晶体管开始截止，晶体管的工作点正好处于B点，此后随着逐渐增大，晶体管的基极、集电极电流均等于零，输出电压逐渐增大，晶体管的工作点从B点沿横轴向右移动到横坐标等于处；f当由时，晶体管的发射结一直处于反偏，晶体管一直处于截止，基极、集电极电流一直均等于为零，输出电压由小到大，再由大到小，时，过程中晶体管的工作点在横轴上由横坐标等于处沿横轴向右移动到C点，再由C点沿横轴向左移动到横坐标等于，至此信号的一个周期结束，我们由一个脉冲的信号，根据工作点在晶体管的动特性上的运动，画出了一个完整的输出电压的波形。2 高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态。（1）欠压状态：功放的集电极上基波的输出电压幅值较小，集电极电流较小，晶体管的工作点在放大区和截止区间变化，没有进入到饱和区，这时功放工作在欠压状态。欠压状态时，在激励信号一定的条件下，加到晶体管的输入端的脉冲电压的峰值是定值，对应的集电极脉冲电流的峰值是定值，相应的直流分量和基波分量的幅值也是定值。在激励信号不变的条件下，为了提高功放的效率，须提高电压利用系数，可通过增大来增大。由图可以看出，增大，将使动特性曲线AB段的斜率减小，即减小，AB线段陡峭程度减小，变为线段，工作点由A点变到点，随之增大，但集电极电流基本不变，和基本不变，所以输出功率将随着的增大而增大，而却基本不变，因此效率随着的增大而增大。从的波形可以看出，在激励信号不变的条件下，可以随的增大而增大，当 A点移动到临界饱和线上的点时，达到最大值，在这之前，都没有达到可以达到的最大值，表明在达到点前，集电极电压利用的不充分，所以将这种工作状态称为欠压状态。（2）过压状态：功放的集电极上基波的输出电压幅值较大，集电极电流较大，晶体管的工作点在放大区和饱和截止区间变化，进入到饱和区，这时功放工作在过压状态。欠压状态时，集电极电流随的增大而增大，同时也随着的增大而增大。当或增大到使晶体管的工作点进入到饱和区以后，将不再增大反而迅速下降。因为随着的增大，减小，当晶体管的工作点刚进入到临界饱和线上时， 达到最小，如果再增大，如使之接近时，将小于，此瞬间晶体管不但发射结处于正向偏置，集电结也处于正向偏置，即工作在饱和状态，本来在晶体管的输出特性曲线上可以由这时的和找到相应的工作点点，对应的集电极电流为，但由于此时工作点已经进入到了饱和区，而在饱和区内功放的动特性曲线用临界代替，所以工作点不是在点，而是在临界饱和线上的点，对应的集电极电流的幅值为，这时电流随着的下降而迅速减小，对应的的波形为顶部凹陷的余弦脉冲。这时的工作状态称为过压状态。顶部出现凹陷，是高频功放中所特有的一种状态和特有的电流波形。出现这种状态的原因是，振荡回路上的电压并不取决于的瞬时电流，使得在脉冲的顶部期间，集电极电流迅速下降，只是采用电抗元件作负载时才有的情况。由于出现了凹陷，它相当于一个余弦脉冲减去两个余弦脉冲，所以基波分量和直流分量都小于欠压状态的值，则输出功率将下降，直流输入功率也下降。（3）临界状态：欠压状态时，集电极电流随的增大而增大，同时也随着的增大而增大。当或增大到使晶体管的工作点刚进入到饱和区时，工作点进入到临界饱和线的A点，这时的工作状态称为临界状态。临界状态时较小，达到最大，集电极电流为余弦脉冲，基波分量和直流分量都最大，与欠压和过压状态比较，此时既有较大的基波电流，也有较大的回路电压，晶体管的输出功率最大，高频功放一般工作在此状态。保证这一状态所需的集电极负载电阻称为临界电阻或最佳负载电阻。高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入到饱和区分为三种工作状态：时，功放工作在欠压状态；时，功放工作在过压状态；时，功放工作在临界状态；输出功率最大，功放一般工作在此状态。3 高频功放临界状态的计算已知条件：电源电压，晶体管的参数（晶体管的输出跨导，反映了对的控制作用）、晶体管的门坎电压，功放的工作状态：临界状态、通角，临界状态下的电压利用系数或输出功率临界状态下的电压利用系数。求：输出功率；临界状态下的电压利用系数；输出电压、最佳电阻、电源供给功率、集电极消耗功率和效率；激励电压。 输出功率（已知临界状态下的电压利用系数，求输出功率）：临界状态下，当工作点移动到临界线上时，对应的集电极电压，电流，则，得：所以：得：临界状态下的电压利用系数（已知输出功率，求电压利用系数）： 因为：输出电压、最佳电阻、电源供给功率、集电极消耗功率和效率:输出电压电源供给功率集电极消耗功率效率最佳电阻激励电压3.2.3 高频功放的外部特性 高频功放外部特性：放大器的性能随外部参数（负载、激励电压、基极电源电压、集电极电源电压、谐振电路参数）变化而变化的规律。1高频功放的负载特性 负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、电压、功率及效率变化的特性。图 3 18(b)是根据图3 18(a)而得到的功率、效率曲线。欠压状态下：RL增大，将使动特性曲线的斜率减小，陡峭程度减小， 随之增大，但集电极电流基本不变（变化较小），和基本不变，所以输出功率将随着的增大而增大，而却基本不变，集电极损耗随着的增大而减小，因此效率随着的增大而增大。欠压状态下的特点是效率较低，集电极损耗较大，电流和受负载电阻的影响小，近似为交流恒流源特性，一般不选择在此状态下工作。临界状态下：临界状态下的特点是输出功率最大，效率较高（但不是最高，过压时更高）。通常应选择在此状态下工作。过压状态下：RL增大，基本不变，集电极电流随之减小，相应的和也减小，输出功率将随着的增大而减小，也减小，由于比减小的更缓慢些，对应的也比减小的慢些，因此效率随着的增大而缓慢增大，但增大程度有限，增大到一定值后将下降。集电极损耗随着的增大而减小。过压状态下的特点是效率高，集电极损耗小，电压受负载电阻的影响小，近似为交流恒压源特性。2高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub时, 放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。 欠压状态下：、和随激励信号的振幅的增加而增加，因为增大，增大，导致减小，增大，将随的增大而增大，由图可得随的增大而增大，所以、和随的增大而增大，但不是线性关系。过压状态下：增大，工作点进入到饱和区，会出现凹顶现象而使和减小，但同时增大，又会使和增大，使得从中分解出的和随的增加而略有增加，综合结果，在过压状态下，、和随激励信号的振幅的增加而基本保持不变，可以认为是恒压区，所以放大等幅信号时，应选择在此状态下工作。3. 高频功放的调制特性高频功放在完成功率放大任务的时候，还可以同时完成振幅调制任务，通常改变功放管的某一极的直流电压来实现振幅调制的目的。高频功放输出电压的振幅随功放管的某一极的直流电压变化而变化的特性称为高频功放的调制特性。1) 基极调制特性只改变时，高频功放的电流、电压、功率及效率的变化特性。 欠压状态下：基极回路的电压：，增大基极回路的电源电压（绝对值减小），将减小（，负电源），增大，将随的增大而增大，在激励信号不变情况下，不变，所以、和随的增大而增大，并且成近似的线性关系。过压状态下：、和基本不随变化。2) 集电极调制特性 只改变时，高频功放的电流、电压、功率及效率的变化特性。只改变时，不变，动特性的斜率不变，高频功放的动特性AB段将随的变化左右平移，当增大时，Q点的横坐标增加，向右移动，因此动特性AB段将随的增大向右平移。当由小到大变化时，功放的工作状态由过压状态进入到欠压状态，和随的增大而增大，在过压状态时，和随线性变化，在欠压状态时，变化变慢。实现振幅调制，必须使高频振荡振幅与直流电压（或）成线性关系，因此在基极调制时，应选择在欠压状态，在集电极调制时，应选择在过压状态，在直流电压（或）上叠加一个较小的信号（调制信号），则输出信号的振幅将会随调制信号的规律线性变化，完成振幅调制。4. 高频功放的调谐特性 只改变谐振回路的参数C（或L），高频功放的电流、电压、功率及效率的变化特性。设计时，要求负载回路处于谐振状态，实际中需要调整才能实现负载回路的调谐要求。一般需要电路的一些外部指标来指示，通过高频功放的调谐特性，可以指示放大器是否调谐。谐振时，有极大值，和有极小值，可以指示放大器是否达到了调谐。失谐后，晶体管的损耗会迅速增大，因此调谐过程中失谐状态时间应尽可能的短，调谐动作要迅速，以防晶体管因过热而损坏，也可以在调谐时降低或来防止晶体管因过热而损坏。3.3 高频功率放大器的高频效应1. 少数载流子的渡越时间效应 晶体管本质上是电荷控制器件。2. 非线性电抗效应 功放管中存在集电结电容, 这个电容是随集电结电压Ube变化的非线性势垒电容。 (3 30)3. 发射极引线电感的影响 (3 31) 4. 饱和压降的影响 晶体管工作于高频时, 实验发现其饱和压降随频率提高而加大。 3.4 高频功率放大器的实际线路包括直流馈电电路（偏置电路）、输入和输出网络。3.4.1 直流馈电线路 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、Lb的应用方法。要求：给晶体管提供合适的直流偏置，保证放大器正常工作；回路中直流电流和高频电流有正常的通路，高频信号不能流过直流电源，以减小不必要的高频功率的损失。（1） 集电极馈电线路 串联式馈电线路晶体管、电源、谐振回路三者串联连接。图 3 25 集电极馈电线路形式(a) 串联馈电直流通路：电源扼流圈谐振回路中的电感L晶体管的集电极c发射极e电源。的作用：大电感对高频信号阻抗很大断路，阻止高频交流电流流过直流电源，以减小不必要的高频功率的损失。交流通路：晶体管的集电极c发射极e谐振回路LC旁路电容集电极c。的作用：对高频信号短路，提供高频交流通路。优点：分布电容不影响谐振回路。并联式馈电线路晶体管、电源、谐振回路三者并联连接。图 3 25 集电极馈电线路形式(b) 并联馈电直流通路：电源扼流圈晶体管的集电极c发射极e电源。的作用：大电感对高频信号阻抗很大断路，阻止高频交流电流流过直流电源，以减小不必要的高频功率的损失。交流通路：晶体管的集电极c发射极e谐振回路LC旁路电容集电极c。的作用：对高频信号短路，提供高频交流通路，隔直流，保证晶体管的静态工作点合适。优点：谐振回路的一端处于直流地电位，安装方便。2基极馈电线路基极馈电线路也有串联和并联两种形式。基极的负偏压既可以是外加的, 也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。（1）发射极自给偏压式：直流通路：晶体管的发射极e电阻输入变压器的次级线圈基极b发射极e。原理：晶体管基极直流电位。当集电极电流时，流过电阻产生电压降，晶体管发射极直流电位，则晶体管发射极基极电压为：，保证了发射极基极电压为负偏压自给偏压式。的作用：对高频信号短路，提供高频交流通路，阻止高频交流电流流过，以减小不必要的高频功率的损失。优点：偏压随激励大小变化，使晶体管各极电流受激励变化的影响减小，电路工作稳定。（2） 组合偏压式：（3） 零偏压式：图 3 26 基极馈电线路的组合偏压和零偏压形式3.4.2 输出匹配网络高频功放的输出电路是通过各种耦合电路（匹配网络）实现的，一般为双端口网络。该双端口网络应具有这样的几个特点: (1) 以保证放大器传输到负载的功率最大, 即起到阻抗匹配的作用； (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率, 即有良好的滤波作用； (3) 具有与功放相适应的通频带，适应波段工作要求，大多数发射机为波段工作。1. LC匹配网络 图3 27是几种常用的LC匹配网络。 图 3 27几种常见的LC匹配(a) L型; (b) T型; (c) 型LC元件功率消耗很小，有较高的传输效率，具有选频作用，电路频带较窄。各种LC匹配网络阻抗变换。对于L I型网络有 如果需要将网络较大的等效电阻变换成较小的阻抗时，可以采用L I型网络。例如有一个实际的负载电阻大于高频功放所要的最佳负载阻抗，若直接将此电阻接到功放上时，由于该电阻不等于最佳阻抗，则功放的输出功率将受到影响。在负载前面接一个L I型网络再接到功放的输出端，就可以通过调整网络的Q值，使变换后的阻抗，实现阻抗变换。图 3 28L型匹配网络 (a) L-I型网络：与负载电阻并联的电抗元件的电抗值，：与负载电阻串联的电抗元件的电抗值，与组成了串联谐振回路，谐振时满足。电路可以变换成、和三者串联的电路，谐振时同样满足，电路在谐振时对外呈现的等效电阻为。例：变换后有： (3 32a) (3 32b) (3 32c)推导：变换前回路的总等效阻抗， 总等效阻抗：变换后回路的总等效阻抗， 总等效阻抗：变换前后回路的总等效阻抗应相等，即变换前后回路的总等效阻抗的实部和虚部相等，即通常满足：，则得：根据定义有：则， ， ，即： (3 32a) (3 32b) (3 32c)对于L-型网络有图 3 28L型匹配网络 (b) L-型网络 (3 33a) (3 33b) (3 33c)可以完成网络较小的等效阻抗变换成较大的阻抗。图3 29一超短波输出放大器的实际电路, 工作于固定频率。 图 3 29 一超短波输出放大器的实际电路放大器的输出端要求有较大的负载，而天线的阻抗较小，通过II型匹配网络，将天线的阻抗变大，以满足放大器的负载要求。2 耦合回路图3 30是一短波发射机的输出放大器， 它采用互感耦合回路作输出电路, 多波段工作。 图3 30 短波输出放大器的实际线路3.4.3 高频功放的实际线路举例 图3 31(a)是工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路, 它向50外接负载提供25W功率, 功率增益达7 dB。 图 3 31 高频功放实际线路(a) 50 MHz谐振功放电路; (b) 175 MHz谐振功放电路3.5 高频功放、功率合成与