通信电子线路3-1

第三章高频功率放大器3.0功率放大电路基础知识3.1概述3.2丙(C)类高频功率放大器的工作原理3.3丙（C）类高频功率放大器的折线分析法3.4高频功率放大器的实用电路3.6宽频带高频功率放大器*3.7功率合成*13.0功率放大电路基础知识1.功率放大电路的特点a）根据负载要求，提供尽可能大的输出功率。功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。当输入正弦信号时，在输出波形不超过规定的非线性失真范围的情况下，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积称为最大输出功率Pom，即Pom=UoIo

2b）具有较高的效率

所有的放大电路实质上都是能量变换器。负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来的。当供给功率放大电路的直流电源功率一定时，为了向负载提供尽可能大的功率，就必须减小损耗，因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题。

功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比，用η表示，即

式中,PV为直流电源所提供的功率，Pc是转换过程中消耗在集电极上的部分能量，即集电极耗散功率。

η越高说明负载从电源取得的功率越大，或者消耗于晶体管集电极的功率越小。

3c）尽量减小非线性失真

在功率放大电路中，为了使输出功率尽可能大，三极管一般都工作在极限状态，瞬时工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区，输出信号不可避免地会有非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真越严重。因此必须注意功放管的正确选择，要保证管子的最大耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最大管压降U(BR)CEO不超过限定范围，使管子工作在安全工作区。

由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态，因此在进行分析时，一般不采用小信号等效电路法，而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析。

42.功率放大电路分类功率放大器按放大管集电极电流导通时间的长短划分：甲(A)类、乙(B)类、丙(C)类等。甲类放大器：输入激励信号的整个周期中，集电极都有电流流通。电流流通角θ=180o。乙类放大器：只在输入激励信号的半个周期内有电流流通，电流流通角θ=90o。丙类放大器：小于输入激励信号的半个周期内有电流流通，电流流通角θ<90o。

集电极电流流通时间越短，消耗在放大管中功率就越小，集电极效率越高。就提高效率而言，丙类最佳，甲类最差。

所以，高频功率放大器多工作于丙类，但丙类放大器电流波形失真太大，只能采用谐振回路作为负载。由于谐振回路具有滤波能力，电流电压仍接近于正弦波形，失真小。5

除了上几种按电流流通角来分类的工作状态外，还有使电子器件工作在开关状态的丁类放大和戊类放大。丁(D)类放大器：效率比丙类放大器还高，理论上可达100%。但其最高工作频率受到开关转换时间所产生的器件功耗(集电极耗散功率)的限制。戊(E)类放大器：对丁类电路改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，提高工作频率。63.1概述通信电路中，为弥补信号在传输过程中的衰落和各种噪声对信号的干扰，都要求发送短信号具有一定的功率电平。高频电压放大高频载波产生，功率小71.高频功率放大器功能与应用是一种能量转换器件，将电源供给的直流能量转换为大功率的高频能量输出。其输出信号与输入信号频谱相同。

是无线电发送设备的重要组成部分，发送设备中的缓冲级、中间放大级、推动级和输出级均属于高频放大器的范围。

不仅用在各种类型的发射机中，也用于许多电子设备，如高频加热装置及微波功率源。

82.高频功率放大电路分类高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分：

☆窄带高频功率放大器：用于放大相对带宽窄的信号。通常以选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器。为了提高效率，工作状态多选用丙类或丁类，甚至戊类。☆宽带高频功率放大器：输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。不需要调谐，适用于频率变化范围大的通信系统。工作状态选用甲类和乙类。93.高频功率放大器的主要技术指标输出功率:放大器的负载得到的功率。效率:高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转换的效率。功率增益:高频输出功率和信号输入功率的比值。谐波抑制度:是对非线性高频功率放大器而提出的，也就是谐波分量相对于基波分量越小越好。设计功率放大器时，总是根据放大器的特点，突出其中一些指标，兼顾另外一些指标。例如，发射机输出级——希望输出功率高，对应的效率不一定会最高；单边带发射机——希望功放非线性失真小，即谐波抑制度。104.高频功率放大器的分析方法不能用线性模型电路分析，一般采用图解法和折线法分析其工作原理和工作状态。11用于发射机中，输出功率高，高效率极为重要。为提高效率，多选在丙类或丁类、甚至戊类。晶体管在这种工作状态下，输出电流波形失真很大，必须采用具有一定滤波特性的选频网络作为负载，以得到接近正弦波的输出电压波形—谐振功率放大器，用于推动级和末级功率放大，谐波抑制度不高。如对谐波抑制度要求高，选用甲类等工作状态，使晶体管工作在线性放大区—效率不高，输出功率不高。若要求输出功率高，可采用功率合成方法实现。本章基本要求1.了解高频功率放大器的功能和性能指标；2.掌握C类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法；（※※）3.了解传输线变压器的工作原理和应用特点。掌握传输线变压器实现宽带阻抗变换的方法。了解传输线变压器实现功率合成、功率分配的方法；4.了解D类、E类功率放大电路的特点。（***）123.2丙（C）类高频功率放大器的工作原理电路形式分为中间级和输出级——都可等效为输入回路、非线性器件和带通滤波器（并联谐振回路）。中间级放大输出级放大13谐振于输入信号的频率丙类高频功率放大器等效原理图特点：①为了提高效率，工作于丙类状态，由Vbb保证发射结负偏置，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形实现放大器阻抗匹配②负载为谐振回路142工作原理分析uBEib•Vbb•UBZub•Ubmgbic+uBE_15发射结在Vbb的作用下处于负偏置状态，当无输入信号电压时，晶体管处于截止状态，集电极电流ic=0。ωtibωt加到晶体管基极-发射极的电压为:由输入特性可得基极电流ib为脉冲状。UBZ：导通电压θc：通角icωtθcθcic1ic2ic3Ic0Icmax16Ib0为基极电流的直流分量；Ib1m为基极电流的基波电流振幅；Ib2m，…Ibnm为基极电流的二次至n次谐波电流振幅；Ic0为集电极电流的直流分量；Ic1m为集电极电流的基波电流振幅；Ic2m，…Icnm为集电极电流的二次至n次谐波电流振幅；由正向传输特性可得集电极电流ic为脉冲状。17ic虽然是脉冲状，包含很多谐波，失真很大，但由于集电极电路内采用的是并联谐振回路，当集电极回路调谐于ω，即与高频信号的基波谐振时，由于回路的选择性：对基波电流回路等效为纯电阻Rp—谐振回路有载谐振电阻；对各次谐波而言，回路失谐，呈现很小的电抗，回路两端可看成短路；而直流分量只能通过回路电感线圈支路，其直流电阻很小，对直流可看成短路。

所以ic流经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，即回路两端只有基波电压uc1，而滤除各次谐波电压，因而输出高频信号波形无失真：

iC频谱LC回路阻抗Rpicωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax18回路两端电压：ubUBZVBBIcmaxuBEtibtictuCEuctVCCUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubUbmgC3.3丙（C）类高频功率放大器的折线分析法

丙类高频功率放大器工作在大信号非线性状态下，晶体管的小信号分析方法不再适用。

采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析会存在一定误差，但很简洁。1.晶体管特性曲线的理想化及解析式大信号工作条件下，理想化的特性曲线指：在放大区：集电极电流ic和基极电流ib不受集电极电压uce的影响，而与基极电压ube成线性关系；在饱和区：集电极电流ic与集电极电压uce成线性关系，而不受基极电压ube的影响。1920(1)输入特性曲线的理想化对于晶体管输入特性，集电极电压大于一定值后，集电极电压改变对基极电流影响不大，可近似认为输入特性与集电极电压无关。输入特性曲线直线部分延长，与ube轴交于UBZ(导通电压)。该直线是理想化的输入特性曲线，数学表达式：gb理想化输入特性的斜率:21(2)正向传输特性曲线的理想化理想化晶体管电流放大系数β被认为是常数，将输入特性的ib乘β就可得到理想化正向传输特性。正向传输特性斜率：gc理想化晶体管的跨导，表示晶体管工作于放大区时，单位基极电压变化产生的集电极电流变化。

正向传输特性的数学表达式为：22(3)输出特性曲线的理想化(书P59)输出特性曲线分别对饱和区和放大区采用不同的简化方法。①饱和区：近似认为只受的控制，而与无关。理想的饱和临界线为一条通过原点的斜线。

由于高频功率放大器在大电流条件下工作，在实际运用时，电流较大的线段对结果影响大，故理想化的斜线应画在电流较大的几条曲线附近的中间位置上——饱和临界线：②放大区：近似认为与无关。各条曲线为平行于的水平线。对于等差的间隔应该是相等的。23表示晶体管工作于饱和区时，单位集电极电压变化引起集电极电流的变化的关系。uBEic•-Vbb•UBZubic•UbmgCic+uBE_2.集电极余弦电流脉冲的分解24对高频功率放大器进行分析和计算，关键在于求出集电极电流ic的各级分量，如直流分量Ic0和基频分量Ic1m。ωtωtvBEic•-VBB•-UBZvbic•UbmgCIcmaxic+uBE_25ωtωticωtθcθcic1ic2ic3Ic0Icmax26直流分量分解系数

基波分量分解系数

n次谐波分量分解系数

2728书P963.功率与效率29

在理想条件的条件下甲类工作状态：乙类工作状态：丙类工作状态：

导通角的选择（1）Rp一定的条件下，θc=120o时输出功率最大，但效率只有66%。（2）θc=1o～15o时，效率最高，但输出功率很小。（3）在实际运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，谐振功率放大器导通角常取θc=60o～80o。304、高频功率放大器的动态特性

31晶体管的静态特性：是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下得到的ic=f(uBE,uCE)的关系，这是由晶体管本身所具有的。对于高频功率放大器，处于丙类工作状态，负载是等效的并联谐振回路，回路的谐振频率等于输入信号频率ω，回路谐振电阻Rp。高频功率放大器动态特性：在高频功率放大器

电路和输入、输出条件确定后，即晶体管、电源电压Vcc和Vbb、输入信号振幅Ubm和输出信号振幅Ucm(或Rp)

一定时，ic=f(uBE、uCE)的关系。由于工作在丙类状态，高频功率放大器的动态特性不是直线而是折线，下面用理想化特性曲线来讨论动态特性表示形式和方法。uBEicgCUBZic+uBE_+uCE-ic=f(uBE、uCE)的关系，称为动态特性。32ic+uBE_+uCE-33如已知高频功率放大器晶体管理想化输出特性和外部电压Vcc、Vbb、输入信号振幅Ubm和输出信号振幅Ucm，如何求出动态特性和电压电流波形？uCEicU0•A•BOVCC•QUcmuCEmingduBEmax=Vbb+Ubm34icIcmaxωtA:ic=Icmax

ωt=0，

uBEmax=Vbb+Ubm

uCEmin=Vcc-UcmB:ic=

0

ωt=θc，

uBE=UBZ

uCE=U0C:ic=

0

ωt=π，

uBE=Vbb-Ubm

uCEmax=Vcc+UcmCωtωt=90˚uBE=Vbb

uCE=Vccic=IQ=gdUcmcosθc=gc(UBZ-Vbb)35icIcmaxωtuCEicU0•A•BOVCC•QUcmuCEmingduBEmax=Vbb+UbmIQωt=0，

ic=Icmax

uBEmax=Vbb+Ubm

uCEmin=Vcc-Ucm

ic=

0

ωt=π，

uBE=Vbb-Ubm

uCEmax=Vcc+UcmCωt输出电压波形欠压:动态特性A1B1-B1C1在输入信号一周内，A点没有进入晶体管的饱和区，这种工作状态称为欠压工作状态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。临界：动态特性A2B2-B2C2，A点正好在晶体管的临界饱和线上，这种工作状态称为临界工作状态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。过压：动态特性MA3-A3B3-B3C3在输入信号一周内，A点已进入晶体管的饱和区，这种工作状态称为过压工作状态。对应的集电极电流为凹顶脉冲。36丙类高功放三种工作状态5.高频功率放大器的负载特性指晶体管及Vcc、Vbb、Ubm一定时，改变回路谐振电阻Rp，功放的工作状态、电流、电压、功率、效率随Rp变化的关系。不变变化变化|gd|和Rp成反比随着Rp增大，工作状态从欠压--临界--过压37icucePoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1IcoP=PcubemaxUc138VCC•QUcesUcm•uBEic•-UBB•UBZubicgCUbm•uBEmaxicmaxuCEicVCC•QuceminUcesgd•ubemax•••uceminubemaxgcr•uCEicgcrIcmaxubemax6.各级电压变化对工作状态的影响3940uCEicuBEmax•Q2Vc2••Q1Vc1•Q3Vc3••••icVcc欠压区过压区临界区Vcc欠压区过压区临界区Ic1IcoP=POPC4142uBEmax2uBEmax3uBEmax1uBEicQVCCMA1A2A3A’3B1B2B3C1C2C343Ubm欠压区过压区临界区Ic1IcoP=POUbm欠压区过压区临界区44