高频电子第二章

1、第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2. 1 概述：概述：在在高高频频范范围围内内，为为了了获获得得足足够够大大的的高高频频输输出出功功率率，必必须须采采用用高高频频调调谐谐功功率率放放大大器器，这这是是发发射射设设备备的的重重要要组组成成部部分分。对对高高频频功功率率放放大大器器的的一一般般要要求求同同低低频频功功放放相相同同： 输输出出功功率率大大 效效率率高高特特点点：(1)工工 作作 频频 率率 高高 ， 相相 对对 频频 带带 窄窄(2)采采 用用 选选 频频 网网 络络 作作 为为 负负 载载 回回 路路(3)放放大大器器一一般般工工作作在在C（丙丙）类类工工作作状状态态，

2、属属于于非非线线性性电电路路(4)不不能能用用线线性性模模型型电电路路分分析析，一一般般采采用用图图解解法法分分析析和和折折线线法法功功率率放放大大器器按按工工作作状状态态分分类类：A（甲甲）类类：导导通通角角为为o180 AB（甲甲乙乙）类类：导导通通角角为为 o90 B（乙乙）类类：导导通通角角为为o90 C（丙丙）类类：导导通通角角为为o90 近近年年来来双双出出现现了了D类类、E类类及及S类类等等开开关关功功率率放放大大器器ECICEO uCE iCO转转移移特特性性曲曲线线输输出出特特性性曲曲线线 常常量量 CEuBEcufi 常常量量 BEuCEcufiBBU UBZ QQA 类类

3、：o180Q位位 于于 放放 大大 区区B类类：o90BZBBUU C 类类：o90 ,BZBBUU 。 BEuci截止区截止区饱和区饱和区2.2 高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理 1 基基本本电电路路结结构构除除电电源源和和偏偏置置电电路路外外，主主要要由由三三个个部部分分组组成成：晶晶体体管管：大大功功率率晶晶体体管管，能能承承受受高高电电压压，大大电电流流， Tf一一般般工工作作时时发发射射极极反反偏偏(C 类类)； 输输入入激激励励电电路路：提提供供所所需需信信号号电电压压；输输出出谐谐振振回回路路：（1）滤滤波波选选频频，(2)阻阻抗抗匹匹配配。+ub-RpCL+uC

4、E-icEC-UBB(b) 等效电路等效电路+uc1-UBBCECL+uS-+ub-(a) 原理电路原理电路+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic常常数数 ceuBEccuig2 工作原理分析工作原理分析uBEic-UBBUBZubCCicCC(1) 集集电电极极电电流流ci 设设输输入入信信号号电电压压:tUubmb cos Ubm则则 加加 到到 晶晶 体体 管管 基基 极极 ,发发 射射 级级 的的有有效效电电压压为为:tUUUuubmBBBBbBE cos 由由晶晶体体管管的的转转移移特特性性曲曲线线可可以以看看出出：当当BZBEUu ，0 ci 当当BZBEUu ， B

5、ZBEccUugi 式式中中cg为为：gC折线的斜率折线的斜率有有 BZbmBBccUtUUgi cos +uBE _2 工作原理分析工作原理分析(1) 集集电电极极电电流流ci BZbmBBccUtUUgi cos由由于于当当ct 时时，0 cibmBZBBcUUU cosbmBZBBcUUU 1cos cbmccbmbmcBZBBbmcctUgUtUgUUtUgi coscoscoscos)(cos 又又当当0t 时时， cbmccUgI cos1max vBEic-UBB-UBZvbCCicCCVbmgCIcmaxccbmcIUg cos1max 代代 入入ci有有 ： 尖尖顶顶余余弦弦

6、脉脉冲冲的的数数学学表表达达式式cccmaxccos1coscos tIi+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _ccmaxcccos1costcosii (1) 集电极电流集电极电流若若对对ci分分解解为为付付里里叶叶级级数数为为： ntItItIIic cos2coscoscmncm1cm1co其其中中各各系系数数分分别别为为： ccoIItdiI 0cmaxcccccmaxc)cos1cossin)(21 cccccccmIIttdiIcc 1cmaxcmax1)cos1cossin1()(cos21 cncccccccccmnInnnnittdniIcc cma

7、x2max)cos11sincoscossin2)(cos21 式式中中：(1) c 0， c 1， cn 称称为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的分分解解系系数数。一一般般可可以以根根据据c 的的数数值值查查表表求求出出各各分分解解系系数数的的值值。 (2) coI，cm1I，cm2I，cmnI为直流及基波和各次谐波的振幅。为直流及基波和各次谐波的振幅。 ictccic1ic2ic3IcoIcmaxiC频谱频谱(2)集电极输出电压集电极输出电压ci经经 LC 并并联联谐谐振振回回路路后后，此此回回路路对对基基波波产产生生谐谐振振，呈呈纯纯电电阻阻PRci（最最大大值值） ，而而对对其其它它谐谐波

8、波失失谐谐阻阻抗抗很很低低，呈呈电电容容性性。因因而而回回路路选选出出基基波波电电压压1cu，而而滤滤除除各各次次谐谐波波电电压压。 2 3LC回回路阻路阻抗抗 Rp故故回回路路输输出出的的基基波波电电压压：tUtRIRiucmpcmpcc coscos111 而而晶晶体体管管集集电电极极的的输输出出电电压压：tUEucmCCE cos 0+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _ictccic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic-UBBUBZubC UbmgCC 3. 高频功放的功率关系高频功

9、放的功率关系 (1) 集集电电极极电电源源提提供供的的直直流流功功率率：0CCDIEP (2) 集集 电电 极极 输输 出出 交交 流流 功功 率率 （ 负负 载载 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210 （注注意意PR为为回回路路谐谐振振阻阻抗抗）(3) 集集电电极极耗耗散散功功率率CP，oDCPPP (4) 集集电电极极能能量量转转换换效效率率c ： cCOCCmCmCooDocgIEIUPPPPP 112121 其其中中：CCmEU 为为集集电电极极电电压压利利用用系系数数； CO1Cmc1IIg )()(01cc称称为为波波形形系系

10、数数，是是导导通通角角c 的的函函数数，通通常常可可查查表表求求出出。讨讨论论：(1 )CPCmCCmERIEU1 ， cPR (2) COCmcIIg11 ，一一般般有有： cccg 1 (3)cccocoocPPPPP 1 co13g11.02.02VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3 D类和类和E类功率放大器简介类功率放大器简介 1. D类功率放大器的原理分析类功率放大器的原理分析 D类功率放大器有类功率放大器有电压开关型电压开关型和和电流开关型电流开关型两种基本两种基本电路，电压开关型电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路类功率放大器是已推广应用的电路 uiub1ub2

11、ic1ic2uLuA ub1和和ub2是由是由ui通过变压器通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励产生的两个极性相反的输入激励电压电压 ui正半周时正半周时VT1管饱和导通，管饱和导通，VT2管截止，电源管截止，电源EC对电容对电容C充充电，电容上的电压很快充至电，电容上的电压很快充至（EC- -UCES1）值，）值，A点对地的电点对地的电压压uA=（EC- -UCES1） 。 ui负半周时负半周时VT2管饱和导通，管饱和导通，VT1管截止。管截止。VT2管的直管的直流电源由电容流电源由电容C上充的电荷供给，上充的电荷供给，uA= UCES20 uA近似为矩形波电压，幅值为（近似为矩形波电

12、压，幅值为（EC-2UCES）。若）。若L、C和和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率串联谐振回路调谐在输入信号的角频率上，且回路的上，且回路的Q值值足够高，则通过回路的电流足够高，则通过回路的电流ic1或或ic2是角频率为是角频率为的余弦波，的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。上可得相对输入信号不失真的输出功率。ECUCESEC-2-2UCESuAtic1tic2tuLt 尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高 2. 输出功率及

13、效率计算输出功率及效率计算 uA为矩形方波，用傅里叶级数展开后可求得其基波分为矩形方波，用傅里叶级数展开后可求得其基波分量的振幅为量的振幅为 ： VT1管电流管电流ic1 (或或VT2管管电流电流ic2)的直流电流为：的直流电流为： ECEC-2-2UCESuAtUCESic1tic2tuLt UA1m EC 4L2C2T0CLD4dsin41REttETRI ID电源供给的直流功率：电源供给的直流功率：PD=2 EC ID L22CD8REP 放大器的输出功率放大器的输出功率Po为为 ；L22CL2A1mo821RERUP 效率效率=PoPD =100 实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑

14、到管子结电实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容、电路分布电容的影响容、电路分布电容的影响(使管压降波形使管压降波形uA有一定上升沿和下有一定上升沿和下降沿降沿)，从而使，从而使D类功放的效率小于类功放的效率小于100，典型值大于，典型值大于90。 2.2.4 丙类倍频器丙类倍频器 功用：功用：输出信号的频率是输入信号频率的整数倍。输出信号的频率是输入信号频率的整数倍。在在无无线线电电发发射射机机中中常常采采用用倍倍频频器器，其其目目的的是是降降低低振振荡荡器器频频率率，提提高高振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度。常常用用的的倍倍频频器器：丙丙类类倍倍频频器器：利利用用丙丙类类放

15、放大大器器脉脉冲冲电电流流的的谐谐波波获获得得倍倍频频。参参量量倍倍频频器器：利利用用结结电电容容电电压压变变化化的的非非线线性性来来获获得得倍倍频频。2.2.4 丙类倍频器丙类倍频器1 丙丙类类倍倍频频器器的的电电路路结结构构晶晶体体管管倍倍频频器器与与高高频频功功放放的的线线路路基基本本相相同同，唯唯一一不不同同之之处处是是它它的的集集电电极极回回路路对对输输入入信信号号的的某某次次谐谐波波频频率率 nf 调调谐谐。 (1) 丙丙类类倍倍频频器器工工作作原原理理分分析析已知丙类放大器集电极电流已知丙类放大器集电极电流ci为尖顶余弦脉冲，即：为尖顶余弦脉冲，即： tncosIt2cosItc

16、osIIiCn2C1CCOc 如如果果集集电电极极回回路路不不是是调调谐谐于于基基波波，而而是是调调谐谐于于 n 次次谐谐波波那那么么回回路路对对基基波波和和其其它它谐谐波波的的阻阻抗抗很很小小，而而对对 n 次次谐谐波波的的阻阻抗抗则则达达到到最最大大值值，且且呈呈电电阻阻性性。于于是是回回路路的的输输出出电电压压和和功功率率就就是是 n 次次谐谐波波，故故起起到到了了倍倍频频作作用用。2.2.4 丙类倍频器丙类倍频器工工作作于于二二次次谐谐波波倍倍频频器器的的电电流流和和电电压压关关系系如如下下图图所所示示：其其中中：tUEuCCce 2cos2 , 而而 PCCRIU22 PR为为 LC

17、 回回路路谐谐振振在在 2时时的的并并联联谐谐振振电电阻阻。iC+uce- Ec +-uc2+iciC1iC2ic频谱频谱0 2 3 4ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性谐振特性注注意意点点：1 在在有有ci流流通通的的时时间间内内，倍倍频频器器的的集集电电极极瞬瞬时时电电压压上上升升速速度度比比较较快快， 故故倍倍频频器器的的集集电电极极耗耗散散功功率率CP比比正正常常工工作作于于基基波波状状态态时时大大得得多多，即即集集电电极极效效率率c 较较低低，且且倍倍频频次次数数 n 值值较较高高，损损耗耗较较大大，效效率率较较低低，故故丙丙类类倍倍频频器器一一般般只只限限于于二二倍倍频频和

18、和三三倍倍频频的的应应用用。 iC1iC1iC1iC2iC2iC22.2.4晶体管倍频器晶体管倍频器2. 由由于于倍倍频频器器主主要要是是利利用用了了余余弦弦尖尖顶顶脉脉冲冲的的谐谐波波分分量量，即即： maxccncniI 在在作作倍倍频频器器应应用用时时，为为使使输输出出最最大大，一一般般应应选选择择使使 cn 为为最最大大值值的的导导通通角角，而而此此最最佳佳导导通通角角为为： 0c0c040,3n60,2n,n120 3. 如如果果设设倍倍频频器器的的导导通通角角为为c ，则则倍倍频频器器的的输输出出功功率率和和效效率率为为 cnCcncnonIEIUP cmax2121而而其其中中：

19、ccnEU 电电压压利利用用系系数数 cncoccncncgIEIUPP 2121Don 而而cocncocncnIIg 可可见见， n 次次谐谐波波倍倍频频器器的的输输出出功功率率正正比比于于 n 次次谐谐波波的的分分解解系系数数cn 。2.3 高频功率放大器的动态分析高频功率放大器的动态分析 2.3.1 高高频频功功率率放放大大器器的的动动态态特特性性 2.3 高频功率放大器的动态分析高频功率放大器的动态分析由由于于高高频频功功放放工工作作在在大大信信号号的的非非线线性性状状态态，显显然然晶晶体体管管的的小小信信号号等等效效电电路路的的分分析析方方法法已已不不适适用用，所所以以分分析析方方

20、法法一一般般利利用用晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线，但但由由于于晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线与与频频率率有有关关，如如右右图图所所示示了了 与与f之之间间的的关关系系。而而通通常常所所说说的的静静态态特特性性曲曲线线是是指指低低频频区区：o0.5ff0.2fTfT f5 .0f 中中频频区区：Tf2 . 0ff5 . 0 高高 频频 区区 ：TTfff2 .0 故故直直接接进进行行高高频频区区或或中中频频区区的的分分析析和和计计算算是是相相当当困困难难的的。本本节节将将从从低低频频区区的的静静态态特特性性来来解解析析晶晶体体管管的的高高频频功功放放的的工工作作原原理理。1

21、、 放放大大区区动动态态特特性性方方程程 当当放放大大器器工工作作在在谐谐振振状状态态时时，其其外外部部电电路路电电压压方方程程为为：若若 设设 ：tUubmb cos 输输入入端端：tUUubmBBBE cos 输输 出出 端端 ：tUEucmCce cos 其其 中中 ：tUuCmc cos1 由上两式消除由上两式消除tcos 可得：可得：cmceCbmBBBEUuEUUu 又又利利用用晶晶体体管管的的内内部部特特性性关关系系式式（折折线线方方程程） ： BZBEccUugi 可可得得： ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEuUUgUUuEUU

22、gi )(uBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE _2.3.1 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的动态特性 ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEuUUgUUuEUUgi )(2.3.1 高高频频功功率率放放大大器器的的动动态态特特性性 1、 动动态态特特性性方方程程 Ci与与ceu之之间间关关系系的的动动态态特特性性方方程程。 式式中中： cmbmcdUUgg表表示示动动态态特特性性曲曲线线的的斜斜率率， cCmCbmBZBBcmCoUEUUUUEU cos)( 式式中中：bmBZBBcUUU cos

23、; oU动动态态特特性性曲曲线线在在ceu轴轴上上的的截截距距。 uceic2.3.1 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的动态特性 2 动动态态特特征征曲曲线线 的的画画法法：画画 法法 一一 ：UoA在在静静态态特特征征曲曲 线线的的ceu轴轴上上取取 B 点点，使使oUOB ，由由 B 点点作作斜斜 率率为为dg的的直直线线 BA， 即即 得得 动动 态态 特特 征征 曲曲 线线 。 BO画画 法法 二二 ：（1）作作静静态态工工作作点点 Q：ECQ令令ot90 由由外外部部方方程程可可得得： )(,:BZBBcQcBBBECceUUgIiUuEuQ(2) 作作 A 点点 :令令o0

24、t bmBBbbeCmCcceUUuuUEuuAmaxmin:连连 接接 Q 、 A 两两 点点 即即 得得 动动 态态 特特 性性 曲曲 线线 。Ucmc ucmingd输输 出出 端端 ：tUEucmCce cos 输输 入入 端端 ：tUUubmBBBE cos BZBEccUugi ubemax2.3.2 高频功率放大器的负载特性高频功率放大器的负载特性 高高 频频 功功 放放 的的 工工 作作 状状 态态 ： 动动态态曲曲线线： )(ocedcUugi uceicUo PccccCocbmcdRIUUEUUUgg1111cos而而 可可见见动动态态特特性性曲曲线线的的斜斜率率和和负负

25、载载PR有有关关，放放大大器器的的工工作作状状态态将将随随负负载载的的不不同同而而变变化化。下下面面讨讨论论当当CE、BBU、bmU不不变变时时，动动态态特特性性曲曲线线与与负负载载PR的的关关系系。 gd(1) 欠欠压压工工作作状状态态当当PR减减小小111cbmcdPccUUggRIU 较较大大，动动态态特特征征曲曲线线与与maxbeu所所对对的的静静态态特特征征曲曲线线的的交交点点位位于于放放大大区区。 uBEic-UBBUBZubCCicCCgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcescesceUu min晶晶 体体 管管 的的 工工 作作 范范 围围 在在 放

26、放 大大 区区 和和 截截 止止 区区 。 ci为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲，集集电电极极电电压压利利用用不不充充分分。2.过过压压工工作作状状态态PR较较大大PccRIU11 较较大大1cbmcdUUgg 较较小小， 动动态态特特性性曲曲线线与与maxbeu所所对对的的静静态态特特征征曲曲线线的的交交点点位位于于饱饱和和区区。 gdubemax特特点点：cesceUu min ，晶晶体体管管的的动动态态范范围围延延伸伸到到饱饱和和区区。 ci的的 波波 形形 顶顶 部部 为为 下下 凹凹 的的 余余 弦弦 脉脉 冲冲 。ucemin3.临临 界界 工工 作作 状状 态态动动态态特特性性曲曲线

27、线与与临临界界饱饱和和线线以以及及maxbeu对对应应的的静静态态特特性性曲曲线线，三三线线相相交交于于一一点点 ubemaxgcr此此时时：cesceUu min, ci为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲。 ECQUcesUcmuBEic-UBBUBZubCCicCCgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcesgdubemaxuceminubemaxgcr如如果果设设临临界界线线的的斜斜率率为为crg则则 有有 :)(maxcmCcrcescrcUEgUgI 又又令令 crCcm EU cr 为为临临界界状状态态的的电电压压利利用用系系数数 crCcrcEgI 1maxCc

28、rccrEgImax1 uCEicgcr例例：如如果果已已知知临临界界状状态态时时输输出出功功率率为为oP， 而而 crCccmCoEIUIP 1max112121 利利用用上上两两式式消消去去maxcI可可得得： 02212 CcrocrcrEgP 可可求求出出: 2124121CcrocrEgP 由由上上可可以以看看出出高高频频功功放放工工作作在在临临界界状状态态时时，有有较较大大的的基基波波电电流流1CI和和较较大大的的回回路路电电压压1CU，故故晶晶体体管管输输出出功功率率最最大大，高高频频功功放放通通常常选选择择这这种种工工作作状状态态。为为保保证证这这种种工工作作状状态态所所需需的

29、的集集电电极极负负载载电电阻阻PR称称为为最最佳佳负负载载电电阻阻。 1cmcmPcrIUR Icmaxubemax研研究究的的问问题题：当当CE，BBU，bmU不不变变， 而而PR变变化化时时，与与 ccoDCCCPPPUII ,101 的的关关系系。 （1） 欠欠压压区区：icucePR由由 小小maxci 几几 乎乎 不不 变变（ 略略 减减 少少 ）1C0CI ,I几几 乎乎不不 变变011CCDPccIEPRIU 几几 乎乎 不不 变变 1121CCoIUP CccoccEUII1121 oDCPPP 2.3.2 高频功率放大器的负载特高频功率放大器的负载特性性PoRp欠压区欠压区过

30、压区过压区临界区临界区Rp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1Ico（2） 过过压压区区： PR进进 入入 过过 压压 区区余余 弦弦 脉脉 冲冲 顶顶 部部 下下 凹凹 ，PccCCcRIUIIi1110max, 几几 乎乎 不不 变变 （ 略略 有有 上上升升 ）01011102121CCCCcCCoCCUUIIIUPIEP 变变 化化 缓缓慢慢 ，oDCPPP 变变 化化 缓缓 慢慢 。 c PDPcubemax注注意意：临临界界状状态态输输出出功功率率最最大大ocroPP ，效效率率也也较较高高，可可以以说说是是最最佳佳工工作作状状态态，常常选选此此状状态态为为末末级级功功放放输

31、输出出状状态态。过过压压状状态态，效效率率高高，但但输输出出功功率率较较小小。在在欠欠压压状状态态0CI，1CI几几乎乎不不变变，功功放放相相当当于于一一个个恒恒流流源源，而而过过压压状状态态1CU几几乎乎不不变变，相相当当于于一一个个恒恒压压源源。 Uc12.3.3 高频功率放大器的调制特高频功率放大器的调制特性性 当当bm ,URP不不变变， 而而改改变变 BBCUE与与 oDCCPPII,01之之间间的的关关系系。 1. 集电极调制特性集电极调制特性 当当bm ,URP，BBU不不变变， 压压区区减减少少功功放放由由临临界界进进入入过过压压区区增增加加功功放放由由临临界界进进入入欠欠CC

32、EEuceicubemaxQECQECQEC显显然然：在在欠欠压压区区：10,CCII几几乎乎不不变变ODPP ,不不变变 注注意意：只只有有工工作作在在过过压压区区才才能能有有效效地地实实现现CE对对1CI及及oP的的调调制制作作用用，故故集集电电极极调调幅幅电电路路应应工工作作在在过过压压区区。 t icEC欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区EC欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1IcoPDPOPC2.3.3 高频功率放大器的调制特性高频功率放大器的调制特性2. 基基极极调调制制特特性性 tUUubmBBBE cos 注注意意：如如果果要要实实现现BBU对对输输出出电电流流1CI的

33、的有有效效调调制制，要要求求功功放放应应工工作作在在欠欠压压区区。 进入过压状态后，随着进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的和相应的Ucm增增大得十分缓慢大得十分缓慢 UcmIcoIcml临界临界UBB过压过压欠压欠压O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区 当当Ubm固定，固定，UBB自负值向正值方向增自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电

34、流大时，集电极脉冲电流ic的导通角的导通角c增大，增大，从从而集电极脉冲电流而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。状态由欠压区进入过压区。 1C 2C 3C 2.3.4 高频功率放大器的放大特性高频功率放大器的放大特性tUUubmBBBE cos uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区1C 2C 3C UcmIcmlIcoUbm过压过压临界临界欠压欠压OO ticOticUbm增大增大OtictOictUbm线性功率线性功率放放 大大 器器tUcmUbmUcm振振 幅幅限幅器

35、限幅器UcmtUbmUcm当当C , ERP，BBU不不变变， 固定固定UBB、增大、增大Ubm和固定和固定Ubm、增大、增大UBB的情况类似，的情况类似，它们都使基极输它们都使基极输入电压入电压uBEmax随之增大，随之增大，对对应应的的集电极脉冲电流集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压大器的工作状态由欠压进入过压 。 当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映反映输入信号振幅输入信号振幅Ubm的变化，的变化，放大器必须在放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态

36、。变化范围内工作在欠压状态。 当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在放大器必须在Ubm变化的范围内变化的范围内工作在过压状态。工作在过压状态。2.3.5 高频功率放大器的调谐特性高频功率放大器的调谐特性 实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容路的元件数值，如改变回路的电容C时，时，功放的外部电流功放的外部电流Ico、Icml和相应的和相应的Ucm等随等随C的变化特性称为调谐特性。的变化特性称为调谐特性。 设谐振时功放工作在弱过压状态，设谐振时功放工作在弱过压状态，当

37、回路失谐后，由于阻抗当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和和Icml要增大，而要增大，而Ucm将下降将下降 。 应该指出，回路失谐时直流输应该指出，回路失谐时直流输入功率入功率PD=IcoEC随随Ico的增加而增加，的增加而增加，而输出功率而输出功率Po=UcmIcmlcos将主要因将主要因cos因子而下降因子而下降，因此失谐后集电，因此失谐后集电极功耗极功耗PC将迅速增加。这表明将迅速增加。这表明高频高频功放必须经常保持在谐振状态功放必须经常保持在谐振状

38、态。 UcmIcmlIco当当低低频频时时：信信号号周周期期 fT1基基区区载载流流子子的的分分布布与与外外加加瞬瞬时时电电 压压是是一一一一对对应应的的。2.3.6 高频功放的高频效应高频功放的高频效应 以以上上对对高高频频功功放放是是以以静静态态特特性性为为基基础础的的分分析析，只只能能近近似似说说明明和和估估计计高高频频功功放放的的工工作作原原理理，无无法法反反映映高高频频工工作作时时的的其其它它现现象象。实实际际的的高高频频功功放放电电路路，晶晶体体管管工工作作在在“中中频频区区”甚甚至至“高高频频区区” ，通通常常会会出出现现：输输出出功功率率效效率率c 高高频频效效应应功功率率增增

39、益益PG输输入入输输出出阻阻抗抗变变为为复复阻阻抗抗ubet-UBBUBZ低低 频频biciei 高高频频一一 少少数数载载流流子子的的渡渡越越时时间间效效应应定定义义：少少数数载载流流子子在在基基区区扩扩散散而而到到达达集集电电极极所所需需要要的的时时间间 称称为为少少数数载载流流子子的的渡渡越越时时间间。当当高高频频时时：信信号号周周期期fT1与与 相相当当。由由于于少少 数数载载流流子子在在基基区区的的渡渡越越时时间间使使基基区区内内的的电电荷荷具具有有一一定定的的储储存存效效应应。当当发发射射结结电电压压由由正正偏偏转转为为反反偏偏时时，在在基基区区内内一一部部分分还还未未到到达达集集

40、电电结结的的少少数数载载流流子子来来不不及及扩扩散散到到集集电电极极，而而被被反反向向偏偏置置所所形形成成的的电电场场重重新新推推斥斥回回发发射射极极，而而形形成成负负脉脉冲冲，同同时时主主脉脉冲冲高高度度降降低低。另另外外，由由于于渡渡越越时时间间的的影影响响，集集电电极极电电流流ci落落后后ei脉脉冲冲峰峰点点的的角角度度为为 ，且且导导通通角角增增大大，脉脉冲冲峰峰值值下下降降。另另外外，由由于于cebiii，所所以以基基极极电电流流波波形形也也变变复复杂杂。2.3.6高频功放的高频效应高频功放的高频效应二二 非非线线性性电电抗抗效效应应（cbC 1） 由由于于集集电电结结电电容容是是随

41、随集集电电结结电电压压ceu变变化化的的非非线线性性势势垒垒电电容容，其其数数值值可可达达 （几几十十到到几几百百 PF） ， 在在高高频频时时构构成成输输出出与与输输入入之之间间的的反反馈馈支支路路，且且频频率率越越高高反反馈馈越越大大，会会引引起起不不稳稳定定性性。 三三 发发射射极极引引线线电电感感的的影影响响在在高高频频时时，发发射射极极的的引引线线电电感感产产生生的的电电抗抗eL ，会会构构成成输输出出与与输输入入回回路路之之间间的的射射极极反反馈馈耦耦合合，而而引引起起增增益益下下降降，输输入入阻阻抗抗附附加加一一个个电电感感分分量量。四四 饱饱 合合 压压 降降 的的 影影 响响

42、当当晶晶体体管管工工作作于于高高频频时时，其其饱饱合合压压降降随随频频率率提提高高而而增增加加，即即如如果果在在保保持持同同一一工工作作电电流流时时：Ciucef1f2f2f1 CcccesEUUUf11 )(g211c 2.4 高频功率放大器的实用电路高频功率放大器的实用电路 一一 直直流流馈馈电电线线路路根根据据直直流流电电源源连连接接方方式式的的不不同同，可可分分为为：串串联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成串串联联连连接接的的方方式式。并并联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成并并联联

43、连连接接的的方方式式。两两种种馈馈电电方方式式虽虽然然电电路路结结构构不不同同，但但对对电电路路来来说说，总总应应有有：tUEucCce cos1 要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。2.4.1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 集集电电极极馈馈电电电电路路：（1） 集集电电极极馈馈电电电电路路的的组组成成原原则则： ci的的直直流流分分

44、量量COI除除晶晶体体 管管的的内内阻阻外外，应应予予以以短短路路， 以以保保证证CE全全部部加加在在集集电电极极 上上，避避免免管管外外电电路路消消耗耗电电源源 功功率率，即即CCODEIP ci的的 基基 波波 分分 量量1CI只只 应应 在在 负负 载载 回回 路路 上上 产产 生生 电电 压压 降降 ， 其其 余余 部部 分分 电电 路路 对对1CI应应 短短 路路 。 ci的的 高高 次次 谐谐 波波 分分 量量CnI 不不 应应 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此CnI对对 晶晶 体体 管管 外外 的的 电电 路路 应应 尽尽 可可 能能 短短 路路 。 IcoECIc1CLI

45、cnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.4.1高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成（2） 常常用用的的集集电电极极串串馈馈和和并并馈馈电电路路如如下下图图所所示示：cL高高频频扼扼流流圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高频频旁旁路路电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔直直电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上两两个个电电路路匀匀满满足足： tUEucCce cos1 ICO直流通路直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCu

46、c1VTICn交流通路交流通路ICniC频谱频谱 2 30LC回路阻抗特性回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2 基极馈电线路基极馈电线路对对基基级级馈馈电电线线路路来来说说，也也有有串串联联和和并并联联两两种种形形式式。在在实实际际应应用用中中，由由于于基基极极馈馈电电电电路路中中采采用用单单独独电电源源BBU不不方方便便，通通常常采采用用自自给给偏偏压压的的方方式式提提供供基基极极偏偏置置。 (1) 利用基极回路直流利用基极回路直流BOI产生偏压产生偏压bBOBBRIU IB

47、OUBB(2) 利利用用BOI在在bbr上上产产生生偏偏压压bbBOBBrIU ，注注意意：一一般般bbr 很很小小，所所以以BBU很很小小且且不不稳稳定定。 IBO(3) 利利用用射射极极电电流流eoI在在eR上上产产生生偏偏压压eeoBBRIU ，而而且且这这种种电电路路能能自自动动维维持持放放大大器器的的工工作作稳稳定定。 Ieo +UBB -以以上上基基极极自自给给偏偏压压电电路路中中，前前两两个个为为并并馈馈线线路路，后后一一种种为为串串馈馈线线路路。2.4.2滤波匹配网络滤波匹配网络高高频频功功放放都都要要采采用用一一定定的的耦耦合合回回路路，以以使使输输出出功功率率能能有有效效地

48、地传传输输到到负负载载（下下级级输输入入回回路路或或天天线线回回路路） ，一一般般说说来来，放放大大器器与与负负载载之之间间的的耦耦合合可可采采用用下下图图所所示示的的四四端端网网络络来来表表示示。这这个个四四端端网网络络应应完完成成的的任任务务是是：RiRoRLRS功功 率率放大器放大器输入输入匹配匹配网络网络输出输出匹配匹配网络网络RLRSuS (1) 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。，即它起着匹配网络的作用。 (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频

49、率，即它抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。有良好的滤波作用。 (3) 在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送能有效地传送功率到公共负载功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响彼此隔离，互不影响。 输入匹配网络或级间耦合网络输入匹配网络或级间耦合网络: :是用以与下级放大器的输入端相连接是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络输出匹配网络: :是用以输出功率至天线或其他负载是用以输出功率至天线或其他负载L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1

50、L1C1RpL1IK2.4.2滤波匹配网络滤波匹配网络 介于放大器与天线回路之间的介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐回路就叫做中介并联谐振回路振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；分别代表天线的幅射电阻与等效电容； L2、C2为天线回路的调谐元件。为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，达到最大值，亦亦即使天线幅射功率达到最大。即使天线幅射功率达到最大。 从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路, ,

51、其其中中Rp为折合到为折合到晶体管输出回路的等效负载晶体管输出回路的等效负载 。 1. 输出匹配电路输出匹配电路 (1) 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路 RpRp 当天线回路调谐在串联谐振状态时，它当天线回路调谐在串联谐振状态时，它反映到反映到L1C1中介回路的等效电阻为中介回路的等效电阻为 设初级回路的接入系数为设初级回路的接入系数为 p，则晶，则晶体管输出回路的等效负载为：体管输出回路的等效负载为： rr1C1L1C1RpL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp(1) 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路ARMr22 L1C1中介回路的等效谐振阻抗为

52、中介回路的等效谐振阻抗为 11CQLQRLLP QL为有载品质因素为有载品质因素 ，rrLQL 11 )(22111111APRMrCLrrCLR )(2211122APPRMrCLpRpR 改变互感系数改变互感系数M和接入系数和接入系数 p就可以在不影响回路调谐的情况下。调就可以在不影响回路调谐的情况下。调整晶体管的输出回路的等效负载电阻整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp，以达到阻抗匹配的目的。，以达到阻抗匹配的目的。 由于高频功率放大器工作在非线性由于高频功率放大器工作在非线性(丙类丙类)工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，内阻很小；截止时内阻近于

53、无穷大。因此输内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配(负载阻抗与电源内阻相等负载阻抗与电源内阻相等)概念也就失去了概念也就失去了意义。意义。 k k ：中介回路的传输效率。中介回路的传输效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp(1) 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路)()(1122rrrrrIrIPPkkoAk 功功率率电电子子元元件件送送至至回回路路的的总总回回路路送送到到负负载载的的功功率率 如果设如果设 ： 111porCLR 空空载载回回路路谐谐振振阻阻抗抗)(1111rrCLRP 有有载载

54、回回路路谐谐振振阻阻抗抗11rLQQo 值值空空载载回回路路111rrLQQL 值值有有载载回回路路OLPPkQQRRrrrrrro 11)(1)(111 rr1C1L1C1RpL1IKRp 要想回路的传输效率高，则要想回路的传输效率高，则空载空载Qo越大越越大越好，有载好，有载QL越小越好，越小越好，也就是说，也就是说，中介回路中介回路本身的损耗越小越好本身的损耗越小越好 但从要求但从要求回路滤波作用良好来考虑，则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10。在功率很大的放大器。在功率很大的放大器中

55、，中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。 在大功率输出级，在大功率输出级，T型、型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。 图中的图中的R2一般代表终端一般代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1则代表由则代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效电阻电阻，现以，现以 (a)为例进行计算公式的推导为例进行计算公式的推导 (2) (2) 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 两种两种型匹配网络型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2 将并联回路将并联回路R1C1与与R2C2变换为串联形式，由变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可

56、得串、并联阻抗转换公式可得L1C1R1C2R21212c12c121111RRXXQRR C12C12121C1XXRRX 2212c22c22RRXXR C12C22222C2XXRRX 网络匹配时，网络匹配时，R1= R2 22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 由谐振条件得由谐振条件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX 例例 有一个输出功率为有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求，试求型匹配网络的元件值。型匹配网络的元件值。 解解 :(2) (

57、2) 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 L1R1C1R2= RLC2 R1应该是功率放大器所要求的匹配电应该是功率放大器所要求的匹配电阻阻 Rp ,即即L1C1R1C2R2 1442224222o2Co2cm11PEPURRp4 .141014411c1 QRXpF2214 .1410502116c11 XC网络匹配时，网络匹配时，R1= R2 22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 改写为：改写为： 22c221211)(111RXRRQ 解之得：解之得： 57. 8114450)101(501)1(212212C2 RRQRXpF37157. 810502116c22 X

58、C 由谐振条件得由谐振条件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX 12c1212c1c22c121c2121L1RXRXXRXXRRX )1(1)1(11c212211121c2212111XQRQRQQXRRQRQ 6 .22)75. 810501(110144102 nH72105026 .226L11 XL注意，考虑到晶体管的输出电容注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，后，C1应减去应减去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当当L1确确定之后，用定之后，用C2主要调匹配，用主要调匹配，用C1主要调谐振。主要

59、调谐振。 实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件一个假设条件(通常都是假定通常都是假定Q1值值)，即可求出电路，即可求出电路元件的数值。元件的数值。 2.6.1 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 以以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/ fo只只有百分之几甚至千分之几，所以又称为有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄带功

60、率放大器的运用就受到了很大的限制系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。 2.62.6宽带高频功率放大器与功率合成电路宽带高频功率放大器与功率合成电路 近年来一种新颖的，近年来一种新颖的，能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功率放大器带功率放大器得到了迅速的推广。得到了迅速的推广。 宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出