高频电子线路第3章ppt课件.ppt

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1、高频电子线路,清华大学出版社2012.6,本章导读,高频功率放大电路在系统中起何作用？,功率放大电路的工作状态和分析方法与小信号放大电路有何不同？,高频功率放大器的输出功率和效率与哪些因素有关？,如何提高效率？高效率功率放大器的类型有哪些？它们工作特点是什么？,第3章 高频功率放大电路,丙(C)类谐振功率放大器的工作原理、特性及理论上的分析方法。,丙(C)类谐振功率放大器的欠压、临界、过压三种工作状态。,丙(C)类谐振功率放大器的负载特性、放大特性、集电极和基极调制特性。,滤波匹配网络的设计。,直流电路的串馈和并馈两种形式。,功能,高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率

2、放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出， 它主要应用于各种无线电发射机中。,特点：,为了获得大功率，则输入信号为大信号，则放大这种信号的放大器工作于非线性状态。,3.1 丙(C)类谐振功率放大器的工作原理,图 3-1 晶体管高频功率放大器的原理电路,滤波以及阻抗变换,输入信号,基极静态偏置,集电极静态偏置,丙类功放的组成：放大器带通滤波器,3.1.1 电路组成及工作原理,晶体管转移特性曲线,晶体管输出特性曲线,临界饱和线,欠压区,过压区,设输入信号是频率的单频余弦信号，即,可得基极回路电压为,图3.3 谐振功率放大器的转移特性与输入电压、输出电流波形,晶体管输出电流为周期脉冲形状

3、，将其命名为集电极余弦脉冲电流，用傅里叶级数展开为,Ic0：集电极余弦电流脉冲的直流分量,Ic1m：为集电极余弦电流脉冲的基波分量振幅,Icnm：为集电极余弦电流脉冲的n次谐波分量振幅,当集电极LC并联回路调谐在输入信号频率上时，集电极余弦电流脉冲iC的基波分量产生较大的压降；LC回路的电感L对直流呈现很小的阻抗并且可以看作短路，各高次谐波对LC回路呈现的阻抗很小并且可以看作短路，因此直流分量、各高次谐波分量不会在LC回路两端产生压降。由图3.1可得集电极回路电压为：,式中， 是输出电压的振幅。,3.1.2 集电极余弦电流脉冲的分解,将,代入,得：,由图3.3可知，当,时,则：,当 t=0时,

4、则,将上两式代入集电极电流的表达式，并整理得：,将,展开为傅里叶级数,其中：,式中，0()、 1() 、 n()分别称为余弦电流脉冲的直流分解系数、一次谐波分解系数以及n次谐波分解系数，其大小是导通角的函数。,定义波形系数为,(a) 分解系数 (b) 波形系数图3.4 尖顶余弦脉冲的分解系数,3.1.3 输出功率与效率,放大器的输出功率：,为了提高输出功率，需增大基波电流分解系数的值，由图3.4(a)可知，当导通角时，达到最大值，此时工作在甲乙类工作状态。因此在丙类工作状态时，放大器并不是输出功率最大。,集电极电源提供的直流功率：,放大器的集电极效率,定义：集电极利用系数,则集电极效率可以表示

5、为,增大波形系数和集电极电压利用系数是提高效率的两个措施。由式(3.18)与式(3.5)可知，增大等效负载可提高集电极电压利用系数。从导通角的角度看，导通角越小，波形系数越大，则效率越高。结合图3.4(a)、(b)可以发现，增大与增大是矛盾的。为了兼顾输出功率与效率，需要选择合适的导通角。忽略集电极饱和压降，设集电极利用系数为1，当时，此时的集电极效率可达到85.9%，而时的效率只能达到64%左右。一般将称为最佳导通角，可以同时兼顾输出功率与效率两个指标。,当集电极利用系数为1时，可以分别求得不同工作状态下的效率如下：,甲类：,乙类：,丙类（设 ）：,【例3.1】 谐振功率放大器的晶体管转移特

6、性斜率g=1s ，开启电压Uon=0.6V，该放大器的谐振回路的等效负载 。 求：(1) 导通角(2),解：(1),则：,而,则：,(2),3.1.4 丙(C)类倍频器,倍频电路是一种输出信号频率为输入信号频率整数倍的变化电路。晶体管倍频器的电路与图3.1所示的谐振功率放大器的电路基本相同，区别是倍频电路谐振回路的中心频率不是调谐在输入信号的频率上，而是调谐在输入信号的高次谐波频率n 上,调谐在n 上,集电极输出电流,输出n次谐波的功率,当作为谐振功率放大器时，其导通角 时输出功率最大；,为最大时输出功率最大,当作为二次倍频电路使用时，其导通角 时输出功率最大；,当作为三次倍频电路使用时，其导

7、通角 时输出功率最大。,若保持集电极电流的最大值相同，则作为二倍频和三倍频使用时，其获得的最大电流振幅分别为基波电流振幅的1/2和1/3。故在相同的情况下，倍频次数越高，获得的输出电流、输出电压以及输出功率越小。所以，丙类倍频器的倍频次数不能太大，一般为23次，如果需要更高次数多倍频，可采用多个倍频器级联的方式。,由于,(1) 对振荡器进行倍频，可得到更高频率的输出频率。,倍频电路在通信系统以及其他电子系统中的应用：,(2) 在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏，这一点会在第6章进行讨论。,3.2 谐振功率放大器的动态特性分析,谐振功率放大器的输出功率、效率以及

8、集电极功耗都与集电极负载回路的等效阻抗、输入信号的幅度、基极偏置电压以及集电极电源电压的大小有关，下面就分别予以讨论。,3.2.1 谐振功率放大器的动态特性,动态特性是指加上激励信号以及接上负载时，晶体管的集电极电流与集电极电压的关系曲线，其在坐标系中是一条曲线。小信号放大器是纯电阻负载，由于信号很小，晶体管可以近似为线性元件，故小信号放大器的动态特性曲线即为负载线，是一条直线。而谐振功率放大器工作在非线性状态，在对其折线化处理后，可用几条直线对其进行表示。,图3.5 谐振功率放大器的动态特性曲线图,在图3.5中，若放大器工作在欠压状态，此时放大器工作在放大与截止两种工作状态，故此时的动态线即

9、为放大区的AB直线与截止区的BC直线。对于动态线AB的作法可用以下步骤求得。,由：,连接A、Q点，其与横轴相交于B点，则A、B、C三点连线即为动态特性曲线。,如果A点进入饱和区，如图3.5虚线所示，与临界饱和线相交于D点，进入饱和区的线用临界饱和线代替，则动态特性曲线为O、D、B、C四点连线。,由图3.5可知，临界饱和线、截止区的动态线都是确定的，对于放大区内动态线AB的斜率可以表示为,因此，在放大区内的动态特性曲线与等效负载RE以及导通角有关。,在图3.5中，当放大器工作在临界状态时，其临界饱和线OD的斜率为,3.2.2 谐振功率放大器的负载特性与三种工作状态,集电极偏置电压VCC、基极偏置

10、电压VBB以及激励电压ui固定不变，放大器的集电极电流Ic0、Ic1m、回路电压Ucm、输出功率Po、效率C随负载电阻变化的特性称为放大器的负载特性，它是高频功率放大器的重要特性之一。,图3.6 三种不同R时的放大器的波形图,动态特性线A1B1代表较小则动态线斜率较大，因而Ucm也较小的情形，称为欠压工作状态。它与静态曲线交点A1决定了集电极电流脉冲的高度，此时电流波形为尖顶余弦脉冲如图3.6集电极电流波形曲线1所示。在欠压区内的Ic0与Ic1m几乎维持常数，紧随的增加而略有下降，因而可以把欠压状态的放大器当作一个恒流源。,随着的增加，动态特性线斜率逐渐减小，输出电压Ucm也逐渐增加。直到它与

11、临界线交于一点A2时，放大器工作于临界状态，此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲如图3.6集电极电流波形曲线2所示，在放大区的动态特性曲线为A2B2。,负载电阻继续增加，输出电压进一步增大，称为过压工作状态，在放大区的动态特性曲线为A3B3。进入过压区后，集电极电流脉冲开始下凹如图3.6集电极电流波形曲线3所示，其凹陷程度随着的增大而急剧加深，致使Ic0与Ic1m也急剧下降。进入过压区后，由于Ic1m随的增加而显著下降，因此Ucm随的增加而很缓慢地上升，因此可以近似地把过压状态的放大器当作一个恒压源 。,Po、PD、PC及C随负载变化关系：,直流输入功率PD=VCCIc0：由于VCC不变，因此与曲线I

12、c0形状相同；,交流输出功率Po=1/2UcmIc1m，因此曲线可以从Ucm与Ic1m两条曲线相乘求出。,Po、PD、PC及随负载的变化曲线如图3.7(b)所示。,图3.7 谐振功率放大器的负载特性曲线,Ic0、Ic1m及Ucm随负载的变化曲线,Po、PD、PC及C随负载的变化曲线,由图3.7(b)可以看出，在临界状态，Po达到最大值。因此在设计高频功率放大器时，如果希望输出功率最大，就应使之工作在临界状态。,集电极功耗PC=PD-Po，在欠压区内，当减小时，PC上升很快；当R 0时，PC达到最大值，可能使晶体管烧坏，必须避免发生这种情况。,效率C Po/PD，在欠压时，PD变化很小，所以随P

13、o的增加而增加；到达临界状态，开始时Po的下降没有PD下降快，因而继续增加，但增加缓慢。随着R 的继续增加，Po因Ic1m的急剧下降而下降，因而略有减小。由此可知，在靠近临界的弱过压状态出现的最大值。,利用负载特性所反映的电流、电压和功率的变化关系，可以帮助我们认识功率放大器的不同特点。并且根据不同工作状态的特点，使放大器得到合理的运用，并能更好地满足高频设备提出的要求。,(1) 作为末级功率放大器，要求输出足够大的功率和具有较高的效率，采用临界工作状态是合理的。,(2) 过压状态具有较高的效率，并具有恒压性质，因此它较适合用于中间级。这时它能向后级提供比较稳定的激励电压。欠压状态的输出功率与

14、效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不够稳定，一般不选择在此状态工作。但在某些场合，例如线性功率放大器等则必须工作在欠压状态才能得到非线性失真为最小的有用输出信号。,三种工作状态的优缺点综合如下：,3.2.3 谐振功率放大器的调制特性,在高频功率放大器中，有时通过改变它的某一电极直流电压来改变高频信号的振幅，从而实现振幅调制的目的。高频功率放大器的调制特性分为集电极调制特性与基极调制特性。,集电极调制特性,图3.8 集电极电压变化的波形图,当VCC较小即为图3.8的VCC1时，放大器工作于过压工作状态。在过压区，集电极电流为有凹陷的尖顶余弦脉冲，随着VCC增加时，Q点向右移动，相当于

15、动态线沿VCC增加的方向平移，则过压程度降低，Ic1m、Ic0增加，由于负载电阻保持不变，此时Ucm与Ic1m、Ic0的变化规律一致。,增加VCC直到VCC2，此时放大器工作在临界状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲。,在临界状态，进一步增加VCC，此时放大器工作在欠压状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲。在欠压状态，Ic1m、Ic0几乎保持不变，Ucm也保持不变。,根据上面的讨论，Ic1m、Ic0与Ucm随VCC的变化关系如图3.9所示。要实现振幅调制，就必须选择输出高频信号的振幅与集电极电压VCC呈现线性关系。在图3.9中，要实现集电极调制，则必须工作在过压工作状态。,图3.9 集电极调制特性,基极调

16、制特性,基极调制特性是指仅改变基极偏置电压VBB时，放大器的电流、电压等的变化特性，其波形如图3.10所示。,图3.10 基极电压变化的波形图,当基极偏置电压较小时，此时工作在欠压状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲，电流Ic1m、Ic0随着VBB的增加而增加；当基极偏置电压增加时到VBB2时，放大器工作在临界状态，此时集电极电流为尖顶余弦脉冲；在临界状态进一步增大VBB，则放大器工作在过压状态，集电极电流出现了凹陷，随着VBB的增加，电流Ic1m、Ic0基本保持不变。Ic1m、Ic0与Ucm随VBB的变化关系如图3.11所示。,图3.11 基极调制特性,要实现振幅调制，就必须选择输出高频信号的振幅

17、与基极电压VBB呈线性关系。在图3.11中，要实现基极调制，则必须工作在欠压工作状态。,3.2.4 谐振功率放大器的放大特性,谐振功率放大器的放大特性是指仅改变输入信号振幅时，放大器的电流、电压等的变化特性，其分析过程与基极偏置电压VBB类似。当Uim较小时，此时放大器工作在欠压工作状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲，Ic1m、Ic0随Uim的增加而增加；当Uim增大到过压区时，集电极电流出现了凹陷，Ic1m、Ic0基本保持不变。Ic1m、Ic0与Ucm随Uim的变化关系如图3.12所示。,图3.12 放大特性,3.2.5 谐振功率放大器的调谐特性,在前面分析谐振功率放大器的各种特性时，都是假定负

18、载回路调谐于输入信号频率，因而呈现一纯电阻，且阻值最大。在实际的谐振功率放大器使用过程中，需要通过回路电容C对其进行调谐。谐振功率放大器的电流Ic1m、Ic0与Ucm随回路电容C的变化特性称为调谐特性，利用调谐特性指示放大器是否工作于谐振状态。,当回路失谐时，回路呈现感性或者容性，称为感性失谐或者容性失谐。在失谐时，回路等效阻抗的模值减小，工作状态会相应的发生变化。现假设谐振功率放大器原先工作在临界状态，当回路失谐时，根据谐振功率放大器的负载特性，此时工作在欠压状态，则电流Ic1m、Ic0基本不变，而输出电压Ucm随等效阻抗的模值减小而减小，如图3.13所示。,图3.13 高频功率放大器的调谐

19、特性,由于放大器在失谐时，输出电压下降，而电流Ic1m、Ic0基本不变，就导致了直流功耗不变而输出功率降低，则集电极功耗将增加，因此高频功率放大器必须保持在谐振状态。在调谐的过程中，调谐时间要迅速，在实际中可通过降低集电极电压VCC或者减小输入信号幅度等措施以避免损坏晶体管。,【例3.2】一高频功率放大器工作在临界状态，其电源电压Vcc=18V ，临界饱和线斜率为gcr=0.6A/v ，导通角 =60o ，集电极电流Icm=0.45A，求等效负载R、输出功率Po、直流功率PD以及集电极效率c。,解：,得,而,则,3.3 谐振功率放大器电路,高频功率放大器与其他放大器一样，其输入端和输出端的外电

20、路由直流馈电电路和匹配网络所组成。由于工作场合以及工作频率的不同，电路组成形式也不相同，下面对常用的电路形式予以讨论。,3.3.1 直流馈电电路,直流馈电电路包括集电极和基极馈电电路。直流馈电电路的作用是：一方面需在高频谐振功率放大器的输入回路与输出回路加上合适的直流偏压，以使放大器正常的工作；另一方面由于电源是作为一个系统的公共部分，要求高频信号不能通过直流电源以免对其他的单元电路产生干扰。,集电极直流馈电电路,对于集电极电路，由于其电流是脉冲形状，包含各种频率成分，电路的组成原则如下。,(1) 由于直流Ic0是产生直流功率的，Ic0由VCC经过外电路提供给集电极，应该是除了晶体管的内阻外，

21、没有其他电阻消耗能量。因此，要求外电路对直流Ic0的等效电路如图3.14(a)所示。,(a) 直流等效电路,(2) 基波分量Ic1m应通过负载电路，以产生所需要的高频输出功率。因此，Ic1m只应在负载回路产生电压降，其余部分对于Ic1m来说，都应该是短路的。所以对于Ic1m的等效电路如图3.14(b)所示。,(b)基波等效电路,(3) 外电路对高次谐波Icnm为短路到地，如图3.14(c)所示。,(c) 高次谐波等效电路,要满足以上几条原则，可以采用串联馈电电路与并联馈电电路两种电路，简称串馈与并馈。串馈是指直流电源、晶体管以及谐振负载回路三者之间是串联连接的，如图3.15(a)所示。并馈是将

22、上述三部分并联连接，如图3.15(b)所示。,在图3.15中，Lc是大电感，称为高频扼流圈，其对高频电流呈现很大的阻抗，阻止高频电流通过，近似为断路；Cc1、Cc2是大电容，分别称为高频旁路电容和耦合电容，其对高频电流呈现很小的阻抗，近似为短路。Lc与Cc1构成电源滤波电路，用以避免高频信号通过直流电源而产生寄生干扰影响其他电路的正常工作。不管是并馈还是串馈，交流电压与直流电压都是串联叠加在一起的，满足 。,(a) 串馈,(b) 并馈,图3.15 集电极馈电电路,基极直流馈电电路,要使放大器工作在丙类，功率管基极应加反向偏置电压或小于导通开启电压Uon的正向偏置电压。当基极的偏置电压通过外加电

23、压方式实现的，称为固定偏压方式；由基极直流电流或发射极电流流过电阻而产生的偏压，称为自给偏压方式。常见的自给偏压方式如图3.16所示。,图3.16(a)是利用基极电流脉冲iB中直流分量IB0经RB产生偏置电压，根据IB0的流向，则该偏置电压给基极加了一个反向偏置电压。高频旁路电容CB使iB的基波以及各次谐波电流到地而不经过RB，从而使RB上产生稳定的直流压降。通过改变RB的大小可以调节反向偏置电压的大小。,图3.16(b)利用发射极电流的直流分量IE0在发射极偏置电阻RE上产生所需要的VBB。其分析方法与图3.16(a)的分析类似，都是直流负反馈电路，RB、RE都是负反馈电阻，可以稳定输出电压

24、振幅。,图3.16(c)是利用高频扼流圈LB中固有的直流电阻以及晶体管基区体电阻Rbb对基极实现一个较小的反向偏置，其优点是简单、元件用得少；缺点是数值较小且不够稳定，因而一般只在需要小的VBB时才采用这种电路。,3.3.2 滤波匹配网络,高频功率放大器中都采用一定形式的回路，以使它的输出功率能有效地传输到负载。一般来说，放大器与负载之间所用的回路可以用图3.17所示的四端网络来表示。,图3.17 放大器的匹配网络,对于理想的阻抗变换，即在频率很窄的范围内实现阻抗变换，一般可采用LC选频匹配网络。LC选频匹配网络有倒L形、T形以及形等形式，下面对其阻抗变换特性予以讨论。,倒L形选频匹配网络,倒

25、L形选频匹配网络是由两个异性电抗元件接成倒L形结构的阻抗变换网络，是最简单的阻抗变换电路，有两种连接方式，可分别将低阻抗变为高阻抗以及高阻抗变为低阻抗。,图3.18(a)所示电路为低阻抗变为高阻抗的选频匹配网络。其中X1、X2为两个异性质的电抗元件，RL是负载电阻，RE是二端网络在工作频率处的等效输入电阻。,(a) 倒L形选频匹配网络,(b) 等效电路,图3.18 低阻抗变高阻抗倒L形阻抗选频匹配网络,将图3.18(a)中的X2和RL的串联电路用并联电路来等效，得到图3.18(b)所示电路。由串联-并联电路阻抗变换关系有,在工作频率上，图3.18(b)所示电路发生并联谐振，有,由于Qe1，则图

26、3.18(a)所示的倒L形选频匹配网络能将低阻抗负载变换为高阻抗负载，其变换倍数取决于品质因数Qe的大小。为了实现阻抗匹配，在已知负载RL和等效负载RE的情况下，品质因数Qe为：,根据品质因数的定义，得到两个异性质电抗元件为,如果外接负载RL较大，而放大器所要求的负载电阻RE较小，可采用图3.19(a)所示电路。将X2与RL并联形式等效变换为Xs与Rs的串联形式，如图3.19(b)所示。,(a) 倒L形选频匹配网络,(b) 等效电路,图3.19 高阻抗变低阻抗倒L形阻抗选频匹配网络,由串联-并联电路阻抗变换关系,在工作频率上，图3.19(b)所示电路发生串联谐振,可得品质因数为,得到两个异性质

27、电抗元件为,【例3.3】 已知一谐振功率放大器，其工作频率f=20MHz，该放大器工作在临界状态所需要的等效阻抗为 ，求：(1) 当负载电阻 ，设计该选频匹配网络；(2) 若该负载为感性负载，由10电阻和0.2H电感串联组成，此选频匹配网络该如何设计？,解：(1) 由题意可知，匹配网络应该使负载值增大，故采用图3.18(a)所示的倒L形网络。,因此有,由0.16H电感和318pF电容组成的倒L形匹配网络如图3.20(a)所示。,图3.20,（2）当负载由10电阻和0.2H电感串联组成时,0.2H电感在20MHz时的电抗值为,因此有,由1560pF和318pF两个电容组成的倒L形匹配网络如图3.

28、20(b)所示。为设计所要求的匹配网络，即当负载为感性负载时，由电容C2与负载电感L的串联部分的等效阻抗等效为图3.20(a)所示的L2的电抗。,图3.20,T型、型选频匹配网络,倒L型网络电路简单，但由于只有两个元件可以选择，因此在满足阻抗匹配关系时，回路的Q值就确定了，其变换关系为，当要求变换的倍数不高时，回路的Q值低，则滤波效果不好。为了克服这一矛盾，可采用T型或者型选频匹配网络，分别如图3.21(a)、(b)所示。,图3.21 T形和形选频匹配网络,下面就以T形选频匹配网络为例，说明T形和P形选频匹配网络的工作原理以及相关参数的求取。,图3.22 T形拆成两个倒L形电路,将图3.21(

29、a)所示的T形选频匹配网络分解为两个倒L形网络的组合，如图3.22虚线框所示，图中。设Qe1、Qe2分别为右、左两个倒L形网络的品质因数，RE1为右边选频匹配网络的等效阻抗。由网络结构可知，在工作频率处，右网络可以增大负载阻抗的等效值，而左网络可以减小右网络等效阻抗的等效值。,则有,得,通过两个倒L形网络品质因数的恰当选择，就可以兼顾到滤波和阻抗匹配的要求。,3.3.3 谐振功率放大器电路举例,图3.23所示是频率为160MHz的谐振功率放大器电路，该电路通过高频扼流圈Lb给基极提供自给偏压电路，集电极馈电采用并馈方式，电源VCC通过高频扼流圈Lc给集电极供电，电容Cc为高频旁路电容，滤除高次

30、谐波以免其通过电源形成寄生干扰。,图3.23 160 MHz谐振功率放大器电路,在高频功率放大器的输入端采用由C1、C2、L1组成的T形匹配网络，通过调谐使该网络的谐振频率为160MHz，一方面起滤波的作用，滤除160MHz以外信号的进入；另一方面起阻抗变换的作用，即将放大器的输入阻抗变换为与前级阻抗相匹配。,高频功率放大器的输出端由C3、C4、L1组成的倒L形匹配网络，通过调整C3、C4使该网络的谐振频率为160MHz，一方面滤除放大器工作在非线性状态所产生的高次谐波；另一方面进行阻抗变换，将负载变换为放大器所要求的最佳阻抗。,3.4 D、E类功率放大器概念,高频功率放大器的主要指标是如何尽

31、可能地提高其输出功率与效率。丙类放大器是采取减小电流导通角以减小集电极电流中的直流分量的方法来提高其效率。但是导通角的减小是有一定限制的，因为导通角减小，为了使输出功率符合要求，就必须增大输入信号的振幅，这样就给前级放大器增加了负担。,放大器集电极效率为,要提高放大器集电极效率，需要尽可能地减小集电极耗散功率PC，而,可见，要减小集电极耗散功率PC，一种方法是减小PC的积分区间，即减小电流导通角 ，这就是丙类放大器所采用的方法；另一种方法就是减小iC与uCE的乘积，即电流导通角固定为90，放大器工作在开关状态：当uCE处于高电压时，使流过的电流iC很小；当通过器件的电流很大时，使器件两端电压很

32、低。这样，在理想情况下，iC与uCE的乘积接近于零，其效率接近100%。,3.4.1 D类功率放大器,D类、E类放大器有电压开关型和电流开关型两种电路，下面就以电压开关型电路为例，介绍D类谐振功率放大器的工作原理。图3.24(a)所示为电压开关型D类功率放大器原理图。,图3.24 D类放大器原理图及电压、电流波形,图中输入信号电压ui是角频率为的正弦信号，而且幅度足够大。该输入信号通过变压器Tr在次级产生两个极性相反的推动电压ub1和ub2，分别加到两个相同型号的同类放大器VT1和VT2的输入端，使得当其中一管从导通到饱和状态时，另一管截止。负载电阻RL和L、C构成串联谐振回路，调谐频率为输入

33、信号的频率。忽略VT1和VT2的饱和压降UUES，当在输入信号的正半周时，VT1饱和，VT2截止，则VT2的集电极对地电压UCE2为电源电压VCC；当在输入信号的负半周时，VT1截止，VT2饱和，则VT1的集电极对地电压UCE1为电源电压VCC。因此，VT2输出端的电压在0VCC之间轮流变化。VT1、VT2的集电极电流iC1、iC2为高频余弦脉冲。当串联谐振回路调谐在输入信号频率上，且回路等效品质因数Qe足够高时，通过回路的是UCE2方波电压的基波分量，这样在负载RL上得到与输入信号频率相同的正弦信号。UCE2、iC2、iC2以及输出电压uo如图3.24(b)所示。,由图3.24(b)可知，在

34、理想情况下，两管的集电极损耗都为0，故理想的集电极效率可达100%。,实际上，由于晶体管结电容的存在，在高频工作时，晶体管VT1、VT2的开关转换速度不够高，电压UCE2会有一定的上升沿和下降沿，如图3.24(b)虚线所示，这样会导致两管在瞬间同时导通或断开，将使晶体管的耗散功率增大，放大器的实际效率降低，这种现象会随输入信号频率的增加而更严重。为了克服上述缺点，在D类放大器的基础上采用特殊输出回路，提出了E类功率放大器。,3.4.2 E类功率放大器,E类高频功率放大器的电路原理图与等效电路图分别如图3.25(a)、3.25(b)所示，其是单管工作在开关状态，电容C0为晶体管的结电容和外加补充

35、电容；L与C为串联谐振回路，调谐于输入信号的频率上；L1是激励电感，jX是补偿电抗，用以校正输出电压相位，以获得高的集电极效率。,(a)E类功率放大器电路图,(b)E类功率放大器等效电路图,图3.25 E类功率放大器电路图及等效电路图,E类功率放大器在信号一个周期的工作过程如下。(1) 当在信号的正半周时，此时开关闭合，输出电压，电容C0的电流，iC将随输入信号的变换规律而进行变换。(2) 当在信号的负半周时，此时开关断开，则iC突变为0，iL1开始向电容C0充电，充电不久后电容又给负载放电，得到输出电压UCE的波形，如图3.26所示。,由图3.26可知，在E类功率放大电路中，当UCE=0时才

36、有集电极电流，克服了D类在开关转换过程中的集电极功耗，故其效率很高。,图3.26 E类功率放大器波形图,3.5 集成射频功率放大器及其应用简介,在射频和非线性状态下的射频功率放大器和各种功能部件的设计是很复杂的，通常需要通过大量的调整、测试工作，才能使它们的性能达到设计要求。目前，国内外的制造厂商制造了大量的射频模块放大器，这种射频模块放大器组件可完成振荡、混频、调制、功率合成与分配等各种功能。这些组件体积小，可靠性高，输出功率一般在几瓦至几十瓦之间。下面以日本三菱公司的M57704系列介绍其结构与工作原理。,三菱公司的M57704系列高频功率放大器是一种厚膜混合集成电路，包含有多个型号，频率

37、范围为335512MHz，各种型号的工作频率如表3.1所示。,表3.1 三菱公司M57704系列的工作频率,图3.27(a)是M57704系列的外形图，3.27(b)是其等效电路图，包括三级放大电路，匹配网络由微带线和LC元件混合组成。脚为信号输入端，、脚分别为三级放大器的集电极电源输入端，脚为信号输出端，脚为接地端。,(a) 外形图,(b) 内部结构图,图3.27 M57704系列功率放大器外形和内部结构,图3.28是TW-42超短波电台中发信机高频功率放大器部分电路图，此电路采用的三菱公司的M57704H作为高频功率放大器，其工作频率为457.7458MHz，发射功率为5W。调频信号通过M

38、57704H的脚输入，通过M57704H功率放大器输出，一路经微带线匹配滤波后，通过V115送到多节形LC匹配网络，然后通过天线发射出去；另一路经过V113、V114检波，取出与M57704H输出平均功率大小成正比的低频电压分量，通过V104、V105直流放大后，送给V103调整管，然后作为控制电压从M57704H的脚输入，调节第一级功率放大器的集电极电源，以稳定这个集成功率放大器的输出功率。第二、第三级功率放大器的集电极电源是固定的13.8V。,图3.28 TW-42超短波电台发射机高频功率放大器部分电路图,本 章 小 结,高频谐振功率放大器可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下，丙类谐振

39、功率放大器的输出功率虽不及甲类和乙类大，但效率高，节约能源，所以是高频功率放大器中经常选用的一种电路形式。丙类谐振功率放大器效率高的原因在于导通角小，集电极功耗减小，但此时放大器的集电极电流波形失真。采用LC谐振网络作为放大器的负载，可克服工作在丙类时产生的失真。由于LC谐振网络的带宽较窄，因此丙类谐振功率放大器一般放大窄带高频信号。,在丙类谐振功率放大器中，为了提高谐振功率放大器的效率，采用减小导通角的方法，但导通角越小，将导致输出功率越小。所以选择合适的角，是丙类谐振功率放大器在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。,由于高频功率放大器是工作在大信号的输入信号状态下，则在工程上常采用

40、折线分析法对其进行分析。利用折线分析法可以对丙类谐振功率放大器进行性能分析，得出它的负载特性、放大特性和调制特性。若丙类谐振功率放大器用来放大等幅信号(如调频信号)时，应该工作在临界状态；若用来放大非等幅信号(如调幅信号)时，应该工作在欠压状态；若用来进行基极调幅，应该工作在欠压状态；若用来进行集电极调幅，应该工作在过压状态。折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的作用。,丙类谐振功率放大器的基极回路常采用自给偏压方式，集电极有串馈和并馈两种直流馈电方式。丙类谐振功率放大器的滤波匹配网络有两方面的作用：其一是进行阻抗变换，即将实际负载变换为放大器所要求的最佳负载；其二是滤除晶体管工作在非线性状态下所产生的高次谐波分量。,D类、E类功率放大器，由于功率管工作在开关状态，故效率可达90%以上。,集成射频功率放大器功率增益较大，使用方便，广泛应用于移动通信以及一些便携式仪器中。,