高频电子线路（第2版）课件 第5章 高频功率放大器

高频电子线路第5章高频功率放大器主要内容：高频功率放大器的功能、类型，并与低频功率放大器进行简单比较；丙类谐振功率放大器的工作原理、工作状态、性能指标、电路组成基本概念：功率与效率动态负载线欠压，临界，过压，负载特性集电极调制特性与基极调制特性1作用：放大载波或者已调波的高频信号，一般处于发射机末端，以高效率、输出大功率为目的，是通信系统中发送设备的重要组成部分。谐振功率放大器宽带高频功率放大器放大固定频率信号或窄带信号。需调谐，晶体管工作在丙类，功率大，效率高，要考虑失真问题。用于放大需在很宽范围内变换载波频率的信号（如小型移动发射机）或宽带信号。不需调谐，晶体管工作在甲类，功率小，需要功率合成。5.1

概述2分类：根据频带分5.1

概述根据电流通角分甲类（θ＝180◦）乙类（θ＝90◦）丙类（θ<90◦）甲乙类（90◦<θ<180◦）2分类：3.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较相同:要求输出功率大，效率高非线性(大信号)不同:低频（音频）:20Hz～20kHz高频（射频）:（以调频广播为例）FM广播信号载波:88MHz～108MHz谐振与非谐振高频窄带信号工作频率、相对频宽不同,5.1

概述传送信息带宽：BW=180kHz高频调谐功放的特点：5.2

高频谐振功率放大器的工作原理主要要求：

理解谐振功放的电路组成，掌握其工作原理掌握丙类谐振功放输出功率、管耗和效率的计算。5.2.1谐振功率放大器的基本组成及工作原理1.

基极偏置电压一般VBB<0VT为高频大功率晶体管。为使放大器工作于丙类：

其幅度应满足(VBB+Vim)>VBE(on)，此时输入激励信号应为大信号。输入信号与VBB串联：2.集电极电流为余弦尖顶脉冲用傅利叶级数展开3.输出回路Re为考虑了晶体管的输出电导、回路损耗、实际负载电阻RL在内总的等效并联电阻，Qe为此种情况下的有载品质因数。回路对各次谐波呈现的阻抗为ωi=ω0时ωi=2ω0时ωi=nω0时，由于Qe>>1可见，当谐波次数越高时，回路的阻抗越小，谐波电压也小到可以忽略不计。由前分析可知，由于LC回路的选频作用，理论上只有集电极电流中的基波分量ic1在回路两端产生输出电压，即：4.各极电流和电压波形谐振功放电流、电压波形

tvBEOVBBVBE(on)

tiBO

iBmax

tiCOIC0

iCmaxic1ic2VCCvc

tvCEO

tvBEOVBBvBE(on)

tiCO

iCmaxVCCvc

tvCEO

首先，

vc与vi反相。当vBE为vBEmax时，iC为iCmax

，而vCE为vCE

min。

ic不仅出现时间短(2

<180)，而且只在vCE很小的时段内出现，因此集电极损耗很小，功放效率较高。5.2.2谐振功率放大器中的能量关系集电极基波输出功率：直流电源供给功率：IC0为集电极电流中的直流成分是集电极电源电压利用系数在尽极限使用时，集电极耗散功率：甲类工作状态：乙类工作状态：集电极效率：丙类工作状态：设已知导通角时，可从P77图4-7查出其值以上讨论的是理想情况，实际中，所以实际值也会小于此理想值。

00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°

n()

3()

2()

0()

1()g1()

减小，g1(

)增大，效率增大，但当

<40后g1(

)随

减小而增大不明显，而

1(

)迅速减小使输出功率减小。为了兼顾效率与功率，通常取，

要输出大的功率，必须有：1）大的VCC和大的iCmax2）当VCC和iCmax一定时，输出功率是导通角的函数，要合理

选择导通角3），所以，晶体管的饱和电压

要小。例如：【例5-1】某谐振功率放大器，已知集电极电压VCC=24V，输出功率Po=15W，通角

=70

，集电极电压利用系数

=0.91，试求该功率放大器的PV、

C、PC、谐振回路的谐振电阻Re和集电极电流的最大值iCmax。解：5.3

丙类谐振功率放大器工作状态分析主要要求：

掌握谐振功放动态负载线的做法掌握丙类谐振功放大器负载特性、集电极调制特性、基极调制特性和振幅特性。理解谐振功放过压、欠压、临界工作状态的特点5.3

丙类谐振功率放大器工作状态分析5.3.1丙类谐振功率放大器的动态负载线1晶体管的输入、输出和转移特性曲线转移特性及理想化输出特性及理想化

动态负载线：在输入信号激励下，晶体管的输出特性曲线上不同时刻的iC与vCE的变化轨迹。2动态特性方程得动态特性曲线方程：3动态特性曲线的做法（取二个特征点）A点（

t=0）外电路方程VBB<VBE(on)时IQ实际上不存在叫做虚拟电流，IQ仅用来确定B点的位置动态特性曲线与集电极电流波形A点坐标（vCEmin，iCmax）B点坐标（VCC，gc(VBB-VBE(on)）)D点坐标（vCEmax，0)C点坐标（VCC-Vcmcos

，

0）动态线:A-C-D动态负载：5.3.2丙类谐振功率放大器的三种工作状态放大器工作状态的分类：谐振功放按晶体管是否进入饱和区分欠压（不进入饱和区，A在放大区）过压（进入饱和区，A在饱和区）临界（达到临界饱和，A在临界线上）（由vBE=vBEmax、vCE=vCEmin时瞬时工作点A在输出特性曲线位置确定）三种工作状态下集电极电流波形的特点：5.3.3丙类谐振功率放大器的外部特性1负载特性VCC、VBB、Vim不变时，放大器的输出电流、电压、功率和效率等随谐振回路的谐振电阻Re变化的特性称为放大器的负载特性。研究它的目的，是为找出合适的负载值。电压、电流变化曲线功率、效率变化曲线谐振功放的负载特性几点结论：式中，VCES为晶体管的饱和压降欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大；Rｅ极小时，耗散功率有可能超过极限值导致烧坏晶体管，因此要防止严重失谐而导致负载短路的情况，严格保证Rｅ值。过压：恒压，Ic1m变化，Po较小，ηc可达最高；临界：Po最大，ηc较高；最佳工作状态弱过压时可做激励级（带负载能力强），强过压要避免发生。用于发射机末级2调制特性（1）集电极调制特性

指VBB、Vim、Re一定时，谐振功率放大器的工作状态、IC0、Ic1m及Vcm随VCC变化的特性。电压、电流变化曲线谐振功放用作集电极调制电路时，必须工作于过压区。（2）基极调制特性

指在放大电路的Vim、VCC、Re一定时，谐振功率放大器的工作状态、IC0、Ic1m及Vcm随VBB变化的特性。电压、电流变化曲线谐振功放用作线性放大器时应工作于欠压区，若工作于过压区，则成为限幅器。3振幅特性

指在放大电路的VBB、VCC、Re一定时，谐振功率放大器的性能随Vim变化的特性，也称为放大特性。电压、电流变化曲线

若要求改变Vim能够有效地控制Vcm变化（如用作放大器），则功率放大器应工作在欠压状态；若要求Vim变化时Vcm尽可能保持不变（如用作限幅器），则功率放大器应工作在过压状态。思考：一个丙类功放，设计在临界，但发现输出功率和效率都不能达到设计要求，应如何调整？PO不是最大，表明放大器未进入临界状态，若增大Re，反倒使PO下降了，则说明工作在过压状态，此时可增加VCC，减小vBE、Re，但增大VCC要注意放大管的安全反偏电压值。一般改变Re的方法用得较普遍。【例5-2】某高频功率放大器，晶体管的理想化输出特性如图5-11(a)所示。已知VCC=12V，VBB=0.4V，输入电压vi=0.4cos

t(V)，输出电压vc=9cos

t（V），(1)做出该放大器的动态特性曲线，说明放大器工作在什么状态？(2)求集电极电流iC的最大值iCmax及通角

；(3)画出iC与vCE的波形；(4)求输出回路谐振电阻Re和集电极效率

C。(5)怎样改变Re才能使放大器工作在临界状态？此时谐振电阻Re应为多大？输出功率Po和效率

C又分别为多少？解：vCEmin=VCC

Vcm=12

9=3V，vBEmax=VBB+Vim=0.4+0.4=0.8VA点坐标如图(1)

B点坐标为（12V，-200mA）。D点坐标为（21V，0mA）。A在放大区内，所以放大器工作于欠压状态(2)集电极电流的最大值iCmax=600mA查可得(3)iC与vCE的波形如图(4)(5)增大Re可使放大器工作从欠压进入临界状态，此时，vCEmin=2V，则Vcm=VCC

vCEmin=12

2=10V，而Ic1m不变例：调频功率管3DA1构成的谐振功率放大器，已知VCC=24V,Po=2W，工作频率=1MHz，试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为：解：（1）工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压于是（2）5.4谐振功率放大器的实用电路主要要求：

了解谐振功放常用的直流馈电电路及其特点。掌握谐振功放中滤波匹配网络的作用，了解其主要要求。了解基本滤波匹配网络的组成、分析与设计。5.4谐振功率放大器的实用电路5.4.1谐振功率放大器电路组成谐振功率放大器电路由功率管直流馈电电路、滤波匹配网络组成。

直流馈电电路是指直流供电电路，包括集电极馈电电路和基极馈电电路，提供放大器所需的正常偏置。

滤波匹配网络实现滤波和阻抗匹配。

它们是保证谐振功率放大器能够正常工作的条件。1、馈电电路5.4谐振功率放大器的实用电路若要调谐功放正常工作，各电极必须接有相应的馈电电源。无论是集电极还是基极电路，馈电方式都可分为串联馈电（简称串馈）和并联馈电（简称并馈）二种基本形式。

所谓串馈，指电子器件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的。

所谓并馈，就是将这三部分并联起来。

但无论如何馈电，电路的构成原则都必须满足：直流电流由直流电源直接供给晶体管，在其它外电路中对直流都应短路。LC与CC1、CC2都是使电路正常工作必不可少的辅助元件。原则上：串馈并馈(1)集电极馈电电路高频扼流圈高频旁路电容隔直耦合电容(1)集电极馈电电路

串馈和并馈仅仅是结构形式上的不同，对于电压来说，直流电压和交流电压总是串联的串馈并馈(1)集电极馈电电路串馈优点：LC和CC1处于高频低电位，分布电容不影响回路的谐振频率缺点：谐振回路处于直流高电位，若回路电容是可变电容时，电容动片不能直接接地，安装调整不方便并馈优点：谐振回路下端处于直流地电位，谐振回路元件可以直接接地，安装调整方便缺点：LC、CC1、CC2处于高频高电位，因而分布电容直接影响谐振回路的谐振频率(1)集电极馈电电路(2)基极馈电电路基极直流馈电电路串馈并馈(2)基极馈电电路基极自给偏压小偏压发射极自给偏压实际中常采用上述自给偏置电路，尤其是射极偏置的自给偏压模式。工作频率较低时，用互感耦合，到了甚高频段时，功放采用电容耦合。

上图中信号接入全部是电容耦合，所以全部为并馈。2、滤波匹配网络1.输出匹配网络①阻抗匹配使负载阻抗变换为放大器所需的最佳匹配阻抗以保证放大器传输到负载的功率最大。

②选频充分滤除不需要的直流分量和谐波分量，以保证外接负载上仅输出高频基波功率。

③高效率传输功率匹配网络应能将功率管给出的信号功率高效率地传送到外接负载上，即网络自身的损耗要小。L型匹配网络

低阻变高阻L型匹配网路L型匹配网络高阻变低阻L型匹配网路π型和T型匹配网络π型匹配网路T型匹配网路【例5-3】利用高频功率晶体管3DA21A设计一个工作频率f0=50MHZ,输出功率Po=2.5W，负载阻抗RL=50Ω的输出匹配网。已知3DA21A晶体管的参数为：最大允许集电极耗散功率PCM=7.5W，最大允许集电极电流ICM=1A，集电极反向击穿电压V(BR)CEO=30V，晶体管饱和压降VCES=1V，共基接法晶体管输出电容Cob=18pF，rbb

=7Ω。解：(1)高频功率放大器最佳输出电阻的确定选取VCC=12V(2)输出匹配网络形式的选取从负载端开始，现取Qe2=4因为工作频率f0=50MHZ再根据网络Ⅱ得出的RM和高频功率放大器的最佳输出电阻Re则可得所以C1=317.69pF，C2=254.65pF，L=62.62nH2.输入匹配与级间耦合网络主要是保证其输出电压稳定：1）中间级工作于弱过压状态（恒压源带负载

能力强）；2）降低传输效率，减弱下级对本级的影响。5.4.2实用谐振功率放大器电路举例50MHz，25W谐振功率放大器谐振功率放大器，向50

Ω外接负载提供25

W功率，功率增益为7

dB。基极采用自给偏置，由高频扼流圈LB中的直流分量电流产生很小的负偏压。基极输入回路由C1、C2和L1组成T型匹配网络，集电极采用串馈，CC为旁路电容。输出回路由L2、L3、C3和C4组成π型匹配网络，调节C3、C4可以使输出回路谐振在工作频率上，并实现阻抗匹配。160MH