§4.1概述工作特點(diǎn)：高頻、大信號(hào)、非線性窄帶高頻功率放大器：以諧振回路為負(fù)載，所以又稱諧振功率放大器諧振功率放大器的分析方法：折線法近似分析寬帶高頻功率放大器：采用非選頻性負(fù)載，如傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路作用：用于對(duì)各種高頻信號(hào)進(jìn)行功率放大或倍頻；可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。工作要求：輸出功率大、效率高、波形失真小(諧波少)、散熱要好諧振功率放大器丙類諧振功率放大器丁類諧振功率放大器戊類諧振功率放大器第4章高頻功率放大器§4.2丙類高頻諧振功率放大器的工作原理特點(diǎn)：

組成：BJT、LC諧振回路、饋電電源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT一、基本電路構(gòu)成及工作原理

1、NPN高頻大功率晶體管，高fT；改變UBB可以改變放大器的工作類型；3、發(fā)射結(jié)在一個(gè)周期內(nèi)只有部分時(shí)間導(dǎo)通，iB、iC均為一系列高頻脈沖；2、大信號(hào)激勵(lì)：1～2V；4、諧振回路作負(fù)載可以濾除高頻脈沖電流iC中的諧波分量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。二、工作原理的折線分析uCE0ic輸出特性u(píng)BE0ibUD輸入特性轉(zhuǎn)移特性u(píng)BE0icUDgm1、三極管特性曲線的折線化iCt-

0ic1Ic1mt0ucUc1mt0......2coscos2m1m0+++=tItIIiicccccww余弦脈沖展開為傅立葉級(jí)數(shù)：將

當(dāng)iC流過LC諧振回路時(shí)，在回路兩端產(chǎn)生電壓uC。由于諧振回路的選頻特性，uC中只有基波分量幅度最大，其它頻率的信號(hào)電壓幅度較小可以忽略。設(shè)Re—并聯(lián)回路諧振時(shí)的等效負(fù)載電阻，包括BJT的輸出電導(dǎo)和等效的RL。從圖中可以看出，丙類高頻諧振功放由于選頻作用，即使iC是不連續(xù)的脈沖電流，在諧振回路兩端也會(huì)得到余弦電壓。即能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行不失真放大。如果振蕩回路的0=n，則在回路兩端可得到頻率為n的電壓:u0=Umcosnt；相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的n倍倍頻。還可以利用選頻特性實(shí)現(xiàn)倍頻器。3、ic余弦脈沖的分解icicmax-/2-/2tgcUimgcUim

cos其中0(θ)、1(θ)、…、n(θ)為尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)；/1/0=g101230,1,2,32.01.00.50.40.30.20.10-0.051030507090110130150170另定義g1(θ)

=Ic1m/Ic0=1(θ)/0(θ)為波形系數(shù)，隨減小而增大。5）對(duì)效率的影響電壓利用系數(shù)c=Uc1m/UCC<1，c≤1，g1隨而變化；乙類功放：=/2，g1=/2，max=/4=78.5%；丙類功放：</2，減小，g1提高，c提高；但是很小時(shí)，g1提高不多，輸出功率卻降低很多。故通常選在60o~90o之間。6）放大器的激勵(lì)功率：7）功率放大倍數(shù)：三點(diǎn)法作圖：t=0，uBE=-UBB+Uim；uCE=UCC-Uc1m得到C點(diǎn)t=/2，uBE=-UBB；uCE=UCC得到B點(diǎn)t=，uBE=-UBB-Uim<0---iC=0；uCE=UCC+Uc1m得到D點(diǎn)直線BC與橫軸交于A點(diǎn)CBD一、動(dòng)態(tài)特性分析

UBE=-UBB+UimUBE=-UBBUCC§4.3工作狀態(tài)分析uCE0icUc1mA折線CAD即為諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線動(dòng)特性曲線：iC、uBE和uCE的關(guān)系曲線，即交流負(fù)載線二、丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)工作狀態(tài)根據(jù)uBE=uBEmax，uCE=uCEmin時(shí)，動(dòng)態(tài)特性上瞬時(shí)工作點(diǎn)C的位置確定。欠壓狀態(tài)：C點(diǎn)在輸出特性曲線的放大區(qū)臨界狀態(tài)：C點(diǎn)在輸出特性曲線的放大區(qū)和飽和區(qū)的交界點(diǎn)過壓狀態(tài)：C點(diǎn)在輸出特性曲線的飽和區(qū)三種工作狀態(tài)比較：（1）臨界狀態(tài)：PO最大；較高；最佳工作狀態(tài)(對(duì)應(yīng)最佳負(fù)載RLcr)；主要用于發(fā)射機(jī)末級(jí)。（2）過壓狀態(tài)：

較高（弱過壓狀態(tài)最高)；負(fù)載阻抗變化時(shí)，UC1m基本不變；用于發(fā)射機(jī)中間級(jí)。（3）欠壓狀態(tài)：Po較??；較低；PC大；輸出電壓不夠穩(wěn)定；很少采用，基極調(diào)幅電路工作于此狀態(tài)。三、丙類諧振功率放大器的外部特性

當(dāng)激勵(lì)源（Uim)、負(fù)載(RL)或直流電源(UBB、UCC)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)影響到功放的工作狀態(tài)，改變輸出功率與效率；另一方面可以通過調(diào)整這些外部參量來改變功率放大器的性能。將外部參量變化時(shí)對(duì)功率放大器工作狀態(tài)及性能指標(biāo)的影響稱為外部特性，包括負(fù)載特性----RL的影響放大特性----Uim

的影響調(diào)制特性----UBB、UCC的影響1、負(fù)載特性UCC、UBB及Uim固定時(shí)，ic(IC0IC1)都確定；RL直接影響輸出電壓振幅：RL增大，UC1m增大。欠壓臨界過壓狀態(tài)RLRLcrIC1mUC1mIC0欠壓過壓RLRLcr欠壓過壓PoPEPCUC1mIc1mIc0過壓臨界欠壓過壓臨界欠壓UCCUCCP0PE在過壓區(qū)，輸出電壓振幅Uc1m與UCC近似呈線性關(guān)系：用一輸入信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）代替UCC，可完成振幅調(diào)制----集電極調(diào)幅。（2）基極調(diào)制特性：UBB的影響uce0ic增大-UBB：放大器的工作狀態(tài)變化:欠壓臨界過壓-UBB增大uC1mIC1mIC0欠壓0臨界過壓-UBBPEPO欠壓0臨界過壓-UBB在欠壓區(qū)，輸出電壓振幅UC1m與UBB近似呈線性關(guān)系：用一輸入信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）代替UBB，可完成振幅調(diào)制----基極調(diào)幅。uC1mIC1mIC0P0P1欠壓臨界過壓欠壓臨界過壓UimUim在欠壓區(qū)，輸出電壓振幅UC1m與輸入電壓振幅Uim近似呈線性關(guān)系：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振幅變化信號(hào)的線性放大。在過壓區(qū)，輸出電壓振幅UC1m近似呈現(xiàn)恒壓特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振幅變化信號(hào)的限幅?！?.4高頻功率放大器的電路組成饋電電源的連接方式：集電極饋電：串聯(lián)饋電（三極管、負(fù)載回路和直流電源串聯(lián)）并聯(lián)饋電（三部分并聯(lián)）基極饋電：串聯(lián)饋電并聯(lián)饋電基本原則：使交、直流信號(hào)有各自正常的通路，相互間的影響盡可能的小，且要減小不必要的功率損耗。組成：高頻功放的實(shí)際饋電線路和各種不通用途的高頻功放的輸入、輸出端的匹配電路。一、直流饋電電路(a)串聯(lián)饋電電路UCCLcCcLCVT(b)并聯(lián)饋電電路UCCLcCc1Cc2LCVT直流通路UCCLcLVT直流通路UCCLcVT分布電容影響??；但LC處于直流高電位上，網(wǎng)絡(luò)元件安裝不方便。LC處于直流地電位上，網(wǎng)絡(luò)元件安裝方便；但分布參數(shù)直接影響網(wǎng)絡(luò)的調(diào)協(xié)。交流通路LcCcLCVT××××交流通路LcCc1LCVT1、集電極饋電uCE=UCC-Uc1mcosωt二、匹配網(wǎng)絡(luò)輸入回路RsRLRiReIs輸出回路匹配網(wǎng)絡(luò)的作用：（1）在輸入端：實(shí)現(xiàn)信號(hào)源輸出阻抗與放大器輸入阻抗的匹配，以獲得最大的激勵(lì)功率；（2）在輸出端：將外界的負(fù)載電阻RL變換為放大器所需的最佳負(fù)載電阻Re，以保證輸出功率最大；還應(yīng)具有較好的濾波能力；（3）傳輸效率盡可能高，損耗盡可能小。實(shí)現(xiàn)方法：LC變換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和阻抗匹配連接方式：Г型、Π型和Т型三種串、并聯(lián)阻抗變換RsXsXpRp轉(zhuǎn)換前后電抗值Xs和Xp相差很小，但轉(zhuǎn)換前后并聯(lián)電阻Rp>>串聯(lián)電阻Rs。C1C245pFCcC3C410pFLb280HL1L2VT505017pF16H0.01F97H16pFUCC(28V)Lc280H三、高頻諧振功率放大器電路§4.5丁類功率放大器在丙類高頻功放中，提高集電極效率是靠減小集電極電流的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)的，但這樣同時(shí)會(huì)減小輸出功率。

丁類功率放大器的晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，管子導(dǎo)通時(shí)進(jìn)入飽和區(qū)，器件內(nèi)阻接近于0，截止時(shí)電流為0，這樣可以使集電極功耗大為減小，效率大大提高，在理想情況下，效率可達(dá)100%，實(shí)際情況下也可達(dá)90%左右。但由于開關(guān)管轉(zhuǎn)換頻率越高，損耗越大，故其上限工作頻率受限。丁類功放分為電流開關(guān)型和電壓開關(guān)型兩種電路。UCCVT1VT2A

LCRLuLiC1iL(a)

uAiC2CctiC1uAuLiC2(b)

ttt

兩個(gè)同型的三極管VT1、VT2相串聯(lián)，輸入變壓器為VT1、VT2提供相位相反的驅(qū)動(dòng)電壓，使兩管交替飽和導(dǎo)通，A點(diǎn)處的電壓為方波，振幅為相應(yīng)的電流電壓波形如圖（b）所示。負(fù)載電阻RL與L、C構(gòu)成高Q串聯(lián)諧振回路，當(dāng)它調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率時(shí)，在負(fù)載上得到電壓uA的基波分量，實(shí)現(xiàn)高頻放大的目的。RL上基波電壓振幅：基波電流振幅：輸出功率：通過電源的平均電流分量：電源供給功率：效率：實(shí)際工作中，三極管在飽和、截止之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，uA不是理想方波，而是存在著上升沿和下降沿，轉(zhuǎn)換期間存在一定的電壓和電流，使管耗增加，效率降低，所以應(yīng)選擇開關(guān)時(shí)間短的高頻開關(guān)三極管或無電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的VMOS場效應(yīng)管，并減小電路中的分布電容。§4.6寬帶高頻功率放大器由于寬帶放大器沒有選頻作用，一般只工作于非線性失真較小的甲類或甲乙類，所以寬帶放大器的效率一般不高（20%左右）。常用的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)：傳輸線變壓器。主要要求：通頻帶要寬；失真要??；放大倍數(shù)要大。一、傳輸線變壓器1.傳輸線變壓器工作原理傳輸線模型變壓器模型RLUs1

3

2

U1Rs4

U21

2

3

4

U2UsI1I2I4I3U1RsRL傳輸線主要是指用來傳輸高頻信號(hào)的雙導(dǎo)線、同軸線，將傳輸線繞制在高磁導(dǎo)率、低損耗的磁環(huán)上就構(gòu)成傳輸線變壓器。因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點(diǎn)，相應(yīng)的有兩種工作方式（模式），傳輸線方式和變壓器方式。低頻工作時(shí)，傳輸線就是兩根普通連接線。高頻工作時(shí)，由于分布電感和線間分布電容的影響，能量是通過分布電容中的電場能量和分布電感中的磁場能量不斷相互轉(zhuǎn)換而傳送到負(fù)載的。以L0、C0表示單位長度傳輸線的電感和電容，傳輸線的特性阻抗是一個(gè)與頻率無關(guān)的電阻1

2

3

4

l

ZiZCI1I1I2I2普通連接線

示意圖UsU1RsRLU21

2

3

4

U1I1I1I2I2傳輸線等效圖

RLU2UsRs1

2

3

4

U1高頻倒相器UsRsRLU2UL2、傳輸線變壓器的應(yīng)用

（1）高頻倒相器端點(diǎn)2、3相連并接地，1、3端加高頻電壓U1，負(fù)載上得到的電壓UL與U1反相。（2）不平衡、平衡變換器1

2

3

4

UsRsRL/2

RL/2

不平衡、平衡變換器U1U2/2

U2/2

U2信號(hào)源一端接地，稱為“不平衡”，轉(zhuǎn)換后的負(fù)載上兩電壓大小相等、方向相反，稱為平衡輸出。（3）阻抗變換1

2

3

4

1:4阻抗變換器RL/4RLU2U1UsRsULI

2I

4:1阻抗變換器1

2

3

4

2I

RLU2U1UsRsUL4RLI

+28VLbT3T2T12747047272.7k0.010.010.010.011800120027180120.0150.011000p0.015330Lb0.01輸入輸出VT1VT2二、寬帶功率放大電路寬頻帶變壓器耦合放大電路，工作頻率在150kHz~30MHz。圖中T1、T2、T3都是寬帶傳輸線變壓器，T1與T2串接是為了實(shí)現(xiàn)阻抗變換，將VT1的低輸入阻抗變換為VT2所需要的高負(fù)載阻抗。為改善放大器性能，每級(jí)都加了電壓負(fù)反饋支路；為避免寄生耦合，每級(jí)的集電極電源都加有電容濾波。未采用調(diào)諧回路，放大器應(yīng)工作于甲類狀態(tài)。1W

4W

11W

5W

11W

10W

5W

11W

5W

5W

11W

11W

11W

5W

19W

40W

35W

19W

10W

10W

10W

10W

5W

11W

§4.7功率合成技術(shù)一、功率合成器的組成在高頻功率放大器中，當(dāng)需要的輸出功率超過單個(gè)電子器件所能輸出的功率時(shí)，可以將多個(gè)電子器件的輸出功率疊加起來，這就是功率合成技術(shù)。下圖是一個(gè)輸出功率為35W的功率合成器的組成框圖，三角形代表功率放大器，菱形代表功率分配或合成網(wǎng)絡(luò)。A

DCBRARBRCRD(a)

A

DCBRARBRDRC(b)

利用1:4傳輸線變壓器組成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)功率的合成與分配。混合網(wǎng)絡(luò)有A、B、C、D四個(gè)端點(diǎn)，為了滿足網(wǎng)絡(luò)匹配的條件，取RA=RB=ZC=R，RC=ZC/2=R/2，RD=2ZC=2R，ZC為傳輸線變壓器的特性阻抗。二、功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)魔T混合網(wǎng)絡(luò)A、B端輸入兩大小相等、極性相反的電壓時(shí)，C端無輸出，輸入功率在D端合成。所以C端無輸出，而D點(diǎn)的輸出功率為：RARBRCRDA

DCBII2I2I1I1I2I1US1US22U

U

U

1、反相功率合成2、同相功率合成A、B端輸入兩大小相等、極性相同的電壓時(shí)，D端無輸出，輸入功率在C端合成。IdRARBRCIaIdIbIdIcADDBCUd/2

II反相功率分配電路Ud/2

RDUdIaIdADIIIcRARBBDCIbId同相功率分配電路將功率合成器輸入輸出位置交換，即可得到功率分配器。3、功率分配例1：在圖（a）所示電路中，R1=R2=R3=R4