通信电子线路 课件 第4章 高频功率放大器

第4章高频功率放大器4.1概述4.2谐振功率放大器工作原理.4.3谐振功率放大器的折线近似分析法4.4谐振功率放大器实际电路4.5倍频器

【应用背景】

高频功率放大器一般用于无线电发射机的末级(如图4-1所示的阴影框图)，其作用是将调制器输出的高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

图4-1高频功率放大器应用示例

4.1概述

4.1.1高频功率放大器的分类高频功率放大器按工作频带的宽窄，可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器以LC谐振回路作为负载，因此又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器以传输线变压器作为负载，因此又称为非谐振功率放大器。

4.1.2高频功率放大器的特点

高频功率放大器和低频功率放大器的相同点是都要求输出功率大和效率高。但由于二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，这就决定了高频功率放大器具有自己的特点。首

先高频功率放大器的工作频率高，而低频功率放大器的工作频率低。其次，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路(又称为谐振功率放大器)，而低频功率放大器用电阻、变压器等作为负载。

由于以上特点，使得这两种放大器所选用的工作状态也不相同：低频功率放大器可以工作于甲类(A类)、甲乙类和乙类(B类)状态，而高频功率放大器则一般都工作于丙类(C类)状态。丙类放大器虽然效率较高，但其电流波形失真太大，低频功率放大器无法使用，而高频功率放大器因有谐振回路的滤波功能，使输出电流与电压仍然接近于正弦波，失真较小。

高频功率放大器与高频小信号谐振放大器的相同点是工作频率都很高，负载均是谐振回路。但二者也有较大的差异，高频小信号谐振放大器输入信号很小(微伏级或毫伏级)，高频功率放大器的输入信号要大得多。高频小信号谐振放大器的性能要求侧重于能不失真地放大有用信号，而对其输出功率和效率的要求相对降低。而对高频功率放大器来说，则要求有高的输出功率和高的效率。高频小信号放大器的工作状态为甲类，而高频功率放大器则为丙类。另外，这两种放大器负载回路的选频作用不同，高频小信号谐振放大器是利用选频回路滤除大量的干扰信号，选出有用信号，高频功率放大器却是利用选频回路来选出信号的基波分量，滤除谐波分量。

4.2谐振功率放大器工作原理

4.2.1谐振功率放大器电路组成高频谐振功率放大器的原理电路如图4-2所示。负载LC谐振回路的谐振频率为输入信号频率，其作用分别是：一是滤波作用，选取集电极电流中的基波分量，滤除谐波分量;二是阻抗匹配作用，当输出匹配时，可保证放大器输出最大功率。

图4-2谐振功率放大器的原理电路

4.2.2谐振功率放大器工作原理

为了讨论方便，图4-3画出了丙类状态的谐振功率放大器工作情况。图中已知三极管转移特性曲线iC=f(uBE)，其导通电压为UBZ。设功率放大器输入端电压ub=Ubmcosωt，则输入回路发射结电压为

图4-3谐振功率放大器丙类工作状态工作情况

谐振功率放大器各部分电流与电压波形的时间关系如图4-4所示。图4-4-谐振功率放大器各部分电流与电压波形

4.2.3丙类工作状态效率高的原因

谐振功率放大器大多工作于丙类工作状态，这是因为丙类效率高。由“低频电路”课程知道，放大器可以按照电流导通角2θ的数值不同，分为甲、乙、丙三类工作状态。放大器

工作于哪一种状态，决定于基极偏置电压EB、晶体管的导通电压UBZ(硅管约为0.7V，锗管约为0.2V)和被放大信号的幅度。下面利用晶体管的转移特性iC~uBE关系曲线来说明。

当EB≫UBZ时，由图4-5可见图4-5晶体管的甲类和甲乙类工作状态

当EB=UBZ时，由图4-6可见，晶体管工作在乙类状态，电流导通角2θ=180°。图4-6晶体管的乙类工作状态

当EB<UBZ时，由图4-7可见，晶体管工作在丙类状态，电流导通角2θ<180°。图4-7晶体管的丙类工作状态

另外，为了进一步提高效率，必须设法减小消耗在集电极上的耗散功率Pc。可以证明晶体三极管的集电极耗散功率为

可见，要减小Pc就必须做到：

①当晶体管内有较大iC时，要尽量减小这一期间的uCE;

②当uCE较大时，要尽量减小这期间的iC;

③尽量减小iC和uCE都不为零的时间，即减小积分区间。

晶体管在甲、乙、丙类三种工作状态时的集电结电压和集电极电流波形如图4-8所示。图4-8甲、乙、丙三种工作状态时的集电结电压和集电极电流波形

4.2.4-谐振功率放大器的性能指标分析

谐振功率放大器的重要性能指标是功率与效率。其中，功率包括输出功率、直流电源供给功率与耗散功率。

1.输出功率Po

由于负载回路输出基波电压，因此输出功率是指输送给负载回路的基波信号功率。其计算方法为

式中，Ucm为负载回路两端基波电压的振幅;Ic1m为晶体管集电极基波电流的振幅。

2.直流电源供给功率PE

直流电源供给的直流功率计算方法为

式中，IC0为晶体管集电极电流平均分量。

3.耗散功率Pc

谐振功率放大器是一种能量转换机构，它将直流电源供给的功率转换成为交流输出功率。在这种能量转换的过程中，必然会有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，即集电极耗散功率，其计算方法为

4.效率ηc

为了说明晶体管放大器将直流电源供给的功率转换成为交流输出功率的能力，用集电极效率ηc衡量，其定义为

由式(4-6)、式(4-7)和式(4-9)可得到

式中，ξ=Ucm/EC为集电结电压利用系数;g1(θ)=Ic1m/IC0为波形系数。由式(4-10)可见，ξ和g1(θ)越大，效率ηc越高。g1(θ)是电流导通角θ的函数，它们的关系如图4-9所示。由图可见，θ越小，g1(θ)越大，则效率ηc越高。

图4-9g1(θ)与θ的关系

各类功率放大器的理想效率可以通过式(4-10)分析得到。假设在理想情况下，集电结电压利用系数ξ=1，则甲类功率放大器(θ=180°)的理想效率为

乙类功率放大器(θ=90°)的理想效率为

丙类功率放大器(θ=60°)的理想效率为

通过以上分析，进一步证明：晶体管的导通角越小，功率放大器的效率越高。

4.3谐振功率放大器的折线近似分析法

4.3.1晶体管特性曲线的折线化(理想化)为了能求出谐振功率放大器的输出功率Po、电源供给功率PE、集电极效率ηc和集电极负载电阻RP，关键在于先求出集电极电流iC的直流分量IC0与基频分量振幅Ic1m。这就需要求出集电极电流iC脉冲波的表达式，进而求出其各项分量值。

求解非线性电路，常用的方法是折线近似分析法。这种方法的步骤是：

①将电子器件的特性曲线理想化，每一条特性曲线用一条或几条直线组成的折线来代替;

②用简单的数学解析式来代表折线化了的电子器件曲线;

③通过解方程来求解有关电量。

在折线法中主要使用晶体管的两组静态特性曲线：转移特性曲线和输出特性曲线。图4-10为晶体管的静态转移特性曲线，其折线化后，可用与横轴相交的截距为UBZ的一条直线来表示，UBZ为导通电压。图4-10晶体管的静态转移特性曲线及其折线化

图4-11(a)表示晶体管的实际输出特性曲线。图4-11(b)为折线化的输出特性曲线，它是用临界饱和线和一组等间隔的水平线来逼近输出特性曲线，其中，临界饱和线是一条与以uBE或iB为参变量的各条特性曲线的饱和转折点相连接的直线，其斜率用gcr表示。图4-11晶体管的输出特性曲线及其折线化

4.3.2集电极余弦电流脉冲的分解

1.由折线化的转移特性曲线求iC表达式

把晶体管特性曲线折线化后，当放大器输入激励电压为余弦波时，利用作图方法，可以在折线化的转移特性上求出集电极电流的波形，如图4-12所示。集电极电流脉冲波形的主要参量是脉冲高度icmax与导通角θ。也就是说，已知这两个值，脉冲的形状就唯一确定了。

图4-12由折线化后的转移特性曲线求集电极电流的波形

1)求导通角θ

当三极管的导通角等于θ时，输入信号的大小为Ubmcosθ，由图4-12可知，其与基极偏置电压EB和导通电压UBZ的关系为

则得到θ的求解方法为

由式(4-11)可见，导通角θ与输入信号的大小Ubm、基极偏置电压EB和导通电压UBZ有关。

2)求集电极电流iC的表达式

由如图4-13所示的集电极电流尖顶余弦脉冲可知，图中，Icm表示将该余弦脉冲电流延长到半个周期时所呈现的高度，其值与尖顶余弦脉冲高度icmax之间的关系可以表示为

因此集电极电流脉冲在|ωt-2kπ|<θ范围可以表示为

2.求集电极电流iC中各分量的幅度

n次谐波分量振幅为

式中，α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)分别称为直流分量电流分解系数、基波分量电流分解系数和n次谐波分量电流分解系数，它们都是导通角θ的函数。

综上所述，iC的各分量表达式只包括两部分：一是脉冲高度icmax;二是各电流分量的分解系数。α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)等电流分量分解系数可以通过本书的附录二用查表的形式找到它们在不同θ值时的精确数值。

3.功率放大器最佳导通角

图4-14表示了α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)、g1(θ)与θ的关系曲线。图4-14-余弦脉冲分解系数与波形系与θ的关系曲线

4.3.3谐振功率放大器的动态线

谐振功率放大器要获得较高的输出功率和效率，除了上节所讨论的要正确选择电流导通角θ外，还必须合理地选择晶体管的集电极负载。因此，在讨论负载阻抗对放大器工作性能影响之前，先讨论功率放大器交流负载线，即动态线。所谓动态线，是指在输入信号激励下集电极交流电流和交流电压的关系曲线。

当ωt=θ时，则图4-15丙类谐振功率放大器的动态线

4.3.4-RP、EC、Ubm、EB对谐振功率放大器性能的影响

1.谐振功率放大器的三种工作状态

谐振功率放大器根据导通期间所经历的工作区域不同，可分为三个工作状态，即欠压、临界和过压工作状态。

假设UCES为晶体管饱和管压降，如图4-15所示。那么，满足EC-Ucm>UCES称为欠压状态;满足EC-Ucm=UCES，称为临界状态;满足EC-Ucm<UCES，称为过压状态。

根据三种工作状态的定义，请读者分析如图4-15所示的动态线CAB是什么工作状态。

2.负载特性

负载特性是指当EC、EB、Ubm一定时，功率放大器性能随负载RP变化的特性。

1)RP变化对功率放大器工作状态的影响

图4-16给出了对应于各种不同负载阻抗值的动态特性曲线以及相应的集电极电流脉冲波形。图4-16RP对功率放大器工作状态的影响

2)RP变化对功率放大器的电流、电压的影响

仔细观察图4-16，当RP逐渐增大时，工作状态从欠压区至临界区的变化过程中，集电极电流脉冲的高度icmax及电流导通角θ基本不变，而由于IC0与Ic1m都是icmax及θ的函数，因此在欠压区内的IC0与Ic1m几乎维持常数，仅随RP的增加而略有下降。在进入过压区后，iC电流脉冲开始凹陷，而且凹陷程度随着RP的增大而急剧加深，致使IC0与Ic1m也急剧下降。综上可以定性地画出如图4-17(a)所示的IC0、Ic1m随RP变化的曲线，再根据Ucm=Ic1mRP，得到Ucm随RP而变化的曲线。图4-17负载特性曲线

通过负载特性的讨论，可以将三种工作状态的优缺点归纳如下：

(1)临界状态的优点是输出功率Po最大，效率ηc较高，是最佳工作状态。这种工作状态主要用于发射机的末级功放，以获得尽可能大的输出功率。

(2)过压状态的优点是当负载阻抗RP变化时，输出电压Ucm变化平稳，在弱过压时，效率ηc可达最高，只是输出功率有所下降。它常用于需要维持输出电压比较稳定的场合，如发射机的中间放大级。集电极调幅也工作于这种状态，这将在后续章节讨论。

(3)欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不稳定。因此一般功率放大器中很少采用。但在某些场合下，如基极调幅，则需采用这种工作状态，这也将在后续加以讨论。

3.集电极调制特性

集电极调制特性是指RP、EB、Ubm一定时，功率放大器性能随EC变化的特性。这种特性一般应用于集电极调幅电路中。

1)EC变化对功率放大器工作状态的影响

由于RP、EB、Ubm一定，则负载线斜率近似不变，且uBEmax=EB+Ubm不变。当EC变化时，静态工作点即Q点的位置将发生变化，负载线将近似左右平行移动。

例如，假设功率放大器原工作于临界状态(如图4-18中动态线②所示，电源为EC2，静态工作点为Q2)，当EC2增至为EC3时，静态工作点向右平移至Q3，则负载线向右平行移动，放大器进入欠压区(如图4-18中动态线③所示);反之，当EC2减小至EC1时，静态工作点向左平移至Q1，则负载线向左平行移动，功率放大器进入过压区(如图4-18中动态线①所示)。

图4-18EC变化对功率放大器工作状态的影响

2)EC变化对集电极电流和集电结电压的影响

由图4-18可见，当功率放大器工作在欠压区时，集电极电流为尖顶余弦脉冲，随着EC由大减小，工作状态进入临界时，脉冲高度略有减小，使得IC0、Ic1m也略有减小，近似认为保持不变，因此，Ucm也近似不变。当功率放大器工作在过压区时，集电极电流为凹陷脉冲，随着EC减小，过压工作程度加深，脉冲高度降低，凹陷也越深，使得IC0、Ic1m迅速减小，Ucm也迅速减小，并且Ucm与EC几乎成线性关系。根据上述分析，定性得到EC变化对集电极电流和集电结电压的影响，如图4-19所示。

图4-19EC变化对集电极电流和集电结电压的影响

4.放大特性

放大特性是指当RP、EB、EC一定时，功率放大器性能随Ubm变化的特性。

1)Ubm变化对功率放大器工作状态的影响

当保持RP、EB、EC不变时，负载线的斜率近似不变，负载线也不左右平移。由于uBEmax=EB+Ubm，那么当Ubm变化时，uBEmax随之发生变化，Ubm变化对功率放大器工作状态的影响如图4-20所示。假设功率放大器原来工作于临界状态，对应的发射结电压最大值为uBEmax，那么随着Ubm增大至Ubm1，则uBEmax增大至uBEmax1，输出特性曲线将向上移动，此时功率放大器进入到过压状态;反之，当Ubm减小时，发射结电压最大值将减小为uBEmax2，即输出特性曲线向下移动，功率放大器进入欠压状态。

2)Ubm变化对集电极电流和集电结电压的影响

由图4-20可见，在欠压区与临界线之间，随着Ubm的减小，集电极电流脉冲幅度减小，则电流IC0、IC1m和相应的Ucm也随之减小。而进入过压状态后，由于电流脉冲出现凹陷，随

着Ubm增加时，虽然脉冲幅度增加，但电流的凹陷程度也增大，故IC0、Ic1m和相应的Ucm的增加很缓慢，近似不变。Ubm变化对集电极电流和集电结电压的影响如图4-21所示。

图4-20Ubm变化对功率放大器工作状态的影响图4-21Ubm变化对集电极电流和集电结电压的影响

由此可见，若要求改变Ubm能有效控制Ucm的变化，实现线性放大功能，则应选择在功率放大器的欠压区。若要求Ubm变化时Ucm尽可能保持不变，可作为限幅器，则Ubm应选择在功率放大器的过压区。

5.基极调制特性

基极调制特性是指当RP、Ubm、EC一定时，功率放大器性能随EB变化的特性。由uBEmax=EB+Ubm可知，增加Ubm与增大EB是等效的，二者都会使uBEmax产生同样的变化。因此，电流IC0、Ic1m和相应的Ucm随EB的变化与随Ubm的变化的曲线是类似的，如图4-22所示。可见，在欠压区，EB与Ubm近似成线性关系。

图4-22EB变化对集电极电流和集电结电压的影响

4.4

谐振功率放大器实际电路4.4.1直流馈电电路

1.馈电电路的组成原则下面以集电极馈电为例，介绍馈电电路的组成原则，其结果同样适用于基极馈电电路。对于集电极电路，由于电路中的电流是脉冲形状，它包含直流电流IC0、基波电流ic1和谐波电流icn等各种频率成分。所以，为了保证电路大的输出功率、高效率，要求集电极馈电电路对直流分量IC0、基波电流ic1和谐波电流icn应呈现不同的阻抗，这就形成了集电极馈电电路的组成原则：

(1)对IC0等效：IC0是产生功率的源泉，要求管外电路对IC0应短路，以保证EC全部加到集电极上。这样，既可避免管外电路消耗电源功率，又可充分利用EC。等效电路如图4-23(a)所示。

(2)对ic1等效：基波电流ic1应通过负载回路，以产生输出基波电压uc和所需要的高频输出功率。因此，为了尽可能不消耗高频基波信号能量，除调谐回路外，各部分对基波ic1都应该是短路。等效电路如图4-23(b)所示。

(3)对icn等效：高频谐波分量icn是多余的“副产品”，不应该被它消耗电源功率，应设法滤除。因此要求管外电路对icn尽量呈现短路状况。等效电路如图4-23(c)所示。

图4-23集电极电路对不同频率电流的等效电路

2.集电极馈电电路

图4-24

集电极馈电电路

2)并联馈电电路

所谓并联馈电电路，就是将晶体管、负载回路和直流电源三部分并联起来。集电极并联馈电电路如图4-24(b)所示。图中，LC是高频扼流圈，CC1是高频旁路电容，CC2是高频耦合电容。图4-24(b)是否符合馈电电路的组成原则?请读者自行分析。

3.基极馈电电路

基极馈电电路也有串馈和并馈之分。基极串馈是指输入信号源、偏置电压、晶体管发射结三者串联连接的一种形式。若三者并联则为基极并馈。

1)基极串馈

基极串馈电路如图4-25(a)所示。图中，CB为高频旁路电容。由图可见基极电流直流分量IB0和基波分量ib1的等效流通回路不一样，符合馈电原则。

2)基极并馈

基极并馈电路如图4-25所示(b)所示。图中，CB1为高频耦合电容，CB2为高频旁路电容，LB为高频扼流圈。由图可见基极电流直流分量IB0和基波分量ib1的等效流通回路不一样，符合馈电原则。

图4-25基极馈电电路

4.基极偏压电路

在丙类谐振功率放大器中基极偏压EB可以为小于导通电压的正偏压或负偏压或零偏压。在实际应用中，EB用外加独立偏置电源是不方便的，通常是通过偏置电路得到。

EB的正偏压是通过电源分压得到，如图4-26所示。图4-26(a)和图4-26(b)中正电源EC通过R1和R2的分压得到所需的正偏压给基极。需要注意的是，分压电阻值应适当取大些，以减少分压电路功耗。

图4-26分压偏置电路

EB的负偏压和零偏压无法通过正电源分压得到，而是通过自给偏置电路得到，如图4-27所示。图4-27(a)中NPN管的基极直流电流IB0由下而上流过电阻RB，产生下正上负的电压通过LB加至发射结上，为晶体管提供所需的负偏压。图4-27(b)中发射极直流