通信电子线路第3章功放

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1、第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 . 概 述 . 丙 类 谐 振 功 率 放 大 电 路 . 宽 带 高 频 功 率 放 大 电 路 与 功 率 合 成 电 路 . 集 成 高 频 功 率 放 大 电 路 及 应 用 简 介 . 章 末 小 结第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 与 低 频 功 率 放 大 电 路 一 样 , 输 出 功 率 、 效 率 和 非 线 性 失 真 同样 是 高 频 功 率 放 大 电 路 的 三 个 最 主 要 的 技 术 指 标 。 不 言 而 喻 , 安全 工 作 仍 然 是 首 先 必 须 考 虑 的

2、问 题 。 在 通 信 系 统 中 , 高 频 功 率 放 大 电 路 作 为 发 射 机 的 重 要 组 成 部分 , 用 于 对 高 频 已 调 波 信 号 进 行 功 率 放 大 , 然 后 经 天 线 将 其 辐 射 到空 间 , 所 以 要 求 输 出 功 率 很 大 。 输 出 功 率 大 , 从 节 省 能 量 的 角 度 考虑 , 效 率 更 加 显 得 重 要 。 因 此 , 高 频 功 放 常 采 用 效 率 较 高 的 丙 类 工作 状 态 , 即 晶 体 管 集 电 极 电 流 导 通 时 间 小 于 输 入 信 号 半 个 周 期 的工 作 状 态 。 同 时 , 为

3、 了 滤 除 丙 类 工 作 时 产 生 的 众 多 高 次 谐 波 分 量 , 采 用 LC谐 振 回 路 作 为 选 频 网 络 , 故 称 为 丙 类 谐 振 功 率 放 大 电 路 。 . 概 述 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 显 然 ,谐 振 功 放 属 于 窄 带 功 放 电 路 。 对 于 工 作 频 带 要 求较 宽 , 或 要 求 经 常 迅 速 更 换 选 频 网 络 中 心 频 率 的 情 况 , 可 采用 宽 带 功 率 放 大 电 路 。 宽 带 功 放 工 作 在 甲 类 状 态 , 利 用 传 输线 变 压 器 等 作 为 匹 配 网 络 , 并 且

4、可 以 采 用 功 率 合 成 技 术 来 增大 输 出 功 率 。 本 章 着 重 讨 论 丙 类 谐 振 功 放 的 工 作 原 理 、 动 态 特 性 和电 路 组 成 , 对 于 甲 类 和 乙 类 谐 振 功 放 的 性 能 指 标 也 作 了 适 当介 绍 , 接 着 再 讨 论 高 频 宽 带 功 率 放 大 电 路 , 最 后 给 出 了 集 成高 频 功 率 放 大 电 路 的 一 些 实 例 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 谐 振 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理1、 使 用 高 频 功 率 放 大 器 的 目 的 放 大 高 频 大 信 号 使 发 射

5、 机 末 级 获 得 足 够 大 的 发 射 功 率 。2、 高 频 功 率 信 号 放 大 器 使 用 中 需 要 解 决 的 两 个 问 题 高 效 率 输 出 高 功 率 输 出高 频 功 率 放 大 器 和 低 频 功 率 放 大 器 的 共 同 特 点 都是 输 出 功 率 大 和 高 。联 想 对 比 ： 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 ic ebt oo ic tV BZ 3、 谐 振 功 率 放 大 器 与 小 信 号 谐 振 放 大 器 的 异 同 之 处相 同 之 处 ： 它 们 放 大 的 信 号 均 为 高 频 信 号 ， 而 且 放 大 器 的 负 载 均

6、为 谐 振 回 路 。不 同 之 处 ： 为 激 励 信 号 幅 度 大 小 不 同 ； 放 大 器 工 作 点 不 同 ； 晶 体 管 动 态 范 围 不 同 。 谐 振 功 率 放 大 器波 形 图小 信 号 谐 振 放 大 器波 形 图ic Q ebt oo ic t 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路ic Q e bt oo ic t小 信 号 谐 振 放 大 器波 形 图 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路ic e bt oo ic tVBZ 谐 振 功 率 放 大 器波 形 图 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路4、 谐 振 功 率 放 大 器 与 非 谐 振 功

7、 率 放 大 器 的 异 同共 同 之 处 :都 要 求 输 出 功 率 大 和 效 率 高 。 功 率 放 大 器 实 质 上 是 一 个 能 量 转 换 器 ， 把 电 源 供 给 的 直流 能 量 转 化 为 交 流 能 量 ， 能 量 转 换 的 能 力 即 为 功 率 放 大 器的 效 率 。 谐 振 功 率 放 大 器 通 常 用 来 放 大 窄 带 高 频 信 号 (信 号 的 通 带宽 度 只 有 其 中 心 频 率 的 1%或 更 小 )， 其 工 作 状 态 通 常 选 为 丙类 工 作 状 态 ( c 90)， 为 了 不 失 真 的 放 大 信 号 ， 它 的 负 载必

8、 须 是 谐 振 回 路 。 非 谐 振 放 大 器 可 分 为 低 频 功 率 放 大 器 和 宽 带 高 频 功 率 放大 器 。 低 频 功 率 放 大 器 的 负 载 为 无 调 谐 负 载 ， 工 作 在 甲 类或 乙 类 工 作 状 态 ； 宽 带 高 频 功 率 放 大 器 以 宽 带 传 输 线 为 负载 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路电 路 。 功 率 放 大 器 的 主 要 技 术 指 标 是 输 出 功 率 与 效 率 。表2-1 不同工作状态时放大器的特点 工 作 状 态 半 导 通 角 理 想 效 率 负 载 应 用 甲 类 c=180 50% 电 阻

9、低 频 乙 类 c=90 78.5% 推 挽 ， 回 路 低 频 ， 高 频 甲 乙 类 90 c 180 50% h 78.5% 推 挽 低 频 丙 类 c 90 h 78.5% 选 频 回 路 高 频 丁 类 开 关 状 态 90%100% 选 频 回 路 高 频 工 作 状 态 功 率 放 大 器 一 般 分 为 甲 类 、 乙 类 、 甲 乙 类 、 丙 类 等 工作 方 式 ， 为 了 进 一 步 提 高 工 作 效 率 还 提 出 了 丁 类 与 戊 类 放大 器 。 谐 振 功 率 放 大 器 通 常 工 作 于 丙 类 工 作 状 态 ， 属 于 非 线 性 第 3章 高 频

10、功 率 放 大 电 路3.2.1 工 作 原 理 图 3.2.1是 谐 振 功 率 放 大 电 路 原 理 图 。 假 定 输 入 信 号 是 角 频 率 正 弦 波 , 输 出 选 频 回 路 调 谐 在 输 入 信 号的 相 同 频 率 上 。 根 据 基 尔 霍 夫 电 压 定 律 , 可 得 到 以 下 表 达 式 :u BE=UBB+ub=UBB+Ubmcos0t (3.2.1) uCE=UCC+uc=UCC-Ic1mRcos0t =UCC-Ucmcos0t 3.2丙 类 谐 振 功 率 放 大 电 路 (3.2.2) 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.1 谐 振

11、 功 率 放 大 电 路 原 理 图 ub uBE uCE C R L ucUBB UCC 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 其 中 uBE和 uCE分 别 是 晶 体 管 b、 e极 电 压 和 c、 e极 电 压 ， ub和uc分 别 是 输 入 交 流 信 号 和 输 出 交 流 信 号 , R是 回 路 等 效 总 电 阻 , IC0和 Ic1m分 别 是 集 电 极 电 流 iC中 的 直 流 分 量 和 基 波 振 幅 。 UBB和UCC是 直 流 电 源 。 由 此 可 以 得 到 集 电 极 电 源 提 供 的 直 流 功 率 P D、 谐 振 功 放 输出 交 流 功

12、 率 Po、 集 电 极 效 率 c和 集 电 极 功 耗 PC如 下 : 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路0 220 1 1 101 1 12 2 212D CC C cmc m cm c mo c m cmc D C CCC D oP U I UP I U I R RP I UP I UP P Ph (3.2.3)(3.2.4)(3.2.5) 从 公 式 (3.2.5)可 知 , 如 果 要 提 高 效 率 , 需 增 大 Ic1m或 减 小 IC0(减小 IC0即 减 小 集 电 极 平 均 电 流 , 通 过 降 低 静 态 工 作 点 可 以 实 现 )。 第 3章 高 频

13、功 率 放 大 电 路 图 3.2.2是 三 种 不 同 静 态 工 作 点 情 况 时 晶 体 管 转 移 特 性 分 析 。 其 中 QA、 QB和 QC分 别 是 甲 类 、 乙 类 和 丙 类 工 作 时 的 静 态 工 作 点 。 工 程 上 通 常 用 dBm作 为 功 率 的 单 位 ， 转 换 式 为 10lgP（ dBm）其 中 P的 单 位 是 mW。 例 如 ， 1mW=0 dBm, 100mW=20 dBm。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 在 甲 类 工 作 状 态 时 , 为 保 证 不 失 真 , 必 须 满 足 Ic1mIC0, 又UcmUCC(忽 略

14、 晶 体 管 饱 和 压 降 ), 所 以 由 公 式 (3.2.5)可 知 , 最 高 效 率为 50%。 在 乙 类 工 作 状 态 时 , 集 电 极 电 流 是 在 半 个 周 期 内 导 通 的 尖 顶 余弦 脉 冲 , 可 以 用 傅 氏 级 数 展 开 为 : .2cos32cos211 coscos 00 02010 tItII tItIii CmCmCm mcmcCC 其 中 ICm是 尖 顶 余 弦 脉 冲 的 高 度 , 即 集 电 极 电 流 最 大 值 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 由 此 可 求 得 在 Ucm=UCC时 的 最 高 效 率 %5.7

15、8412121 h CmCmc II 在 图 3.2.2中 , 随 着 基 极 偏 置 电 压 UBB逐 渐 左 移 , 静 态 工 作 点逐 渐 降 低 , 晶 体 管 的 工 作 状 态 由 甲 类 、 乙 类 而 进 入 丙 类 。 由 刚 才的 分 析 可 知 , 乙 类 的 效 率 确 实 高 于 甲 类 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.2 甲 、 乙 、 丙 类 三 种 工 作 状 态 下 的 转 移 特 性 分 析 iC QA QB 0QC Uon u BE ICm 180 180 t 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 功 率 放 大 电 路 是

16、 大 信 号 工 作 , 而 在 大 信 号 工 作 时 必 须 考 虑晶 体 管 的 非 线 性 特 性 , 这 样 将 使 分 析 比 较 复 杂 。 为 简 化 分 析 , 可 以 将 晶 体 管 特 性 曲 线 理 想 化 , 即 用 一 条 或 几 条 直 线 组 成 折 线来 代 替 , 称 为 折 线 近 似 分 析 法 。 图 3.2.3是 将 晶 体 管 转 移 特 性 折 线 化 , 由 此 来 分 析 丙 类 工 作状 态 的 有 关 参 数 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.3 丙 类 状 态 转 移 特 性 分 析 iC 斜率 g UBB 0

17、0 u BEUon uBE Ubm i C ICm 0 t t 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 由 图 3.2.3可 以 得 到 集 电 极 电 流 iC的 分 段 表 达 式 ： iC=g(uBE-Uon) uBEUon 0 uBE Uon (3.2.6) 如 果 将 输 入 信 号 在 一 个 周 期 内 的 导 通 情 况 用 对 应 的 导 通 角度 2来 表 示 , 则 称 为 导 通 角 。 可 见 , 0 180 。 在 放 大 区 , 将 式 (3.2.1)代 入 式 (3.2.6), 可 以 得 到 : i C=g(UBB+Ubmcost-Uon ) iC (3.2

18、.7) 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 cos1 coscoscos tIU UUtgUi Cmbm BBonbmC 当 t=时 , iC=0, 由 式 (3.2.7)可 求 得 : (3.2.8)当 t=0时 , iC=ICm, 由 式 (3.2.7)和 (3.2.8)可 求 得 :所 以 , 式 (3.2.7)可 写 成 : arccos on BBimU UU max1 cosCim IgU (3.2.9)(3.2.10) 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 从 集 电 极 电 流 iC的 表 达 式 可 以 看 出 , 这 是 一 个 周 期 性 的尖 顶 余 弦 脉

19、冲 函 数 , 因 此 可 以 用 傅 里 叶 级 数 展 开 , 即 iC=IC0+Ic1mcost+Ic2mcos2t+Icnmcosnt+(3.2.11)其 中 各 个 系 数 可 用 积 分 方 法 求 得 ， 例 如 ， ,cos1,21 10 tdtiItdiI CmcCC 式 中 iC式 （ 3.2.10） 代 入 。 由 于 iC是 ICm和 的 函 数 , 所 以 它 的 各 次 谐波 的 振 幅 也 是 ICm和 的 函 数 , 若 ICm固 定 , 则 只 是 的 函 数 , 通 常 表 示为 ：IC0=ICm0(), Ic1m=ICm1(), Ic2m=ICm2(),

20、(3.2.11) 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 其 中 0(), 1(), 2(), 被 称 为 尖 顶 余 弦 脉 冲 的 分 解 系 数 。 11 0( )( ) ( )g 图 3.2.4给 出 了 在 0 180 范 围 内 的 分 解 系 数 曲 线 和 波 形 系数 曲 线 。 )cos1( cossin)(0 )cos1( cossin)(1 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 若 定 义 集 电 极 电 压 利 用 系 数 =Ucm/UCC, 可 以 得 到 集 电 极效 率 和 输 出 功 率 的 另 一 种 表 达 式 : )(2121 101 h gUI

21、UI CCC cmmcc RIP Cm )(21 2120 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.4 尖 顶 余 弦 脉 冲 的 分 解 系 数 ()与 波 形 系 数 g1() () 0.550.500.450.400.350.300.250.200.150.100.0500.050.100 20 40 60 80 100120140160180/ g 1() 2.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.00 20 40 60 80 100 120 140 160 180/1 023 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 由 图 3.2.4可 以 看

22、出 , 1(90 )=1(180 )=0.5, 这 两 种 情 况分 别 对 应 于 乙 类 和 甲 类 工 作 状 态 , 均 比 丙 类 ( 90 )的 数 值 高 , 而 1的 最 大 值 是 1(120 )=0.536, 处 于 甲 乙 类 状 态 。 这 意 味 着当 回 路 等 效 总 电 阻 R和 脉 冲 高 度 ICm相 同 时 , 丙 类 的 输 出 功 率 比甲 类 、 甲 乙 类 和 乙 类 都 要 小 一 些 , 但 是 丙 类 的 集 电 极 效 率 比 它们 都 要 高 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 分 析 式 (3.2.12)、 (3.2.13)可

23、 知 , 增 大 和 g1的 值 是 提 高 效 率的 两 个 措 施 , 增 大 1是 增 大 输 出 功 率 的 措 施 。 然 而 图 3.2.4告 诉我 们 , 增 大 g1与 增 大 1是 互 相 矛 盾 的 。 导 通 角 越 小 , g1越 大 , 效率 越 高 , 但 1却 越 小 , 输 出 功 率 也 就 越 小 。 所 以 要 兼 顾 效 率 和 输出 功 率 两 个 方 面 , 选 取 合 适 的 导 通 角 。 若 取 =70 , 此 时 的 集电 极 效 率 可 达 到 85.9%, 而 =120 时 的 集 电 极 效 率 仅 为 64%左右 。 因 此 , 一

24、般 以 70 作 为 最 佳 导 通 角 , 可 以 兼 顾 效 率 和 输 出功 率 两 个 重 要 指 标 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 例 3.1 在 图 3.2.3中 , 若 Uon=0.6 V, g=10mA V, ICm=20mA, 又 UCC=12V, 求 当 分 别 为 180 , 90 和 60 时 的 输 出 功 率 和 相应 的 基 极 偏 压 UBB, 以 及 为 60 时 的 集 电 极 效 率 。 (忽 略 集 电极 饱 和 压 降 ) 解 ： 由 图 3.2.4可 知 :0(60 )=0.22, 1(180 )=1(90 )=0.5, 1(60 )

25、=0.38因 为 Ucm=UCC=12V 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路所 以 , 当 甲 类 工 作 时 (=180 ), 根 据 式 (3.2.11), (3.2.4), VgIUU mWUIP mAII CmonBB cmmco Cmmc 6.1210206.0 6012102121 105.020)180(11 1 在 乙 类 工 作 时 (=90 )， 有 VUU mWP mAII onBBo Cmmc 6.0 60121021 105.020)90(11 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 当 丙 类 工 作 时 (=60 ),有 %8686.0 124.4 126

26、.72121 4.422.020)60( 6.45126.721 6.738.020)60(0101 01 CCC cmmcc CmCo Cmmc UI UI mAII mWP mAIIh 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路由 式 (3.2.9)可 )cos1( g IU cmbm VgIUUUU CmonbmonBB 4.1)60cos1(10 60cos206.0 )cos1( coscos 所 以 由 式 (3.2.8)可 求 得 : 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路3.2.2性 能 分 析 若 丙 类 谐 振 功 放 的 输 入 是 振 幅 为 Ubm的 单 频 余 弦

27、信 号 , 那 么输 出 单 频 余 弦 信 号 的 振 幅 Ucm与 Ubm有 什 么 关 系 ?Ucm的 大 小 受 哪些 参 数 影 响 ? 式 (3.2.1)、 (3.2.2)和 (3.2.6)分 别 给 出 了 谐 振 功 放 输 入 回 路 、 输 出 回 路 和 晶 体 管 转 移 特 性 的 表 达 式 。 由 这 些 公 式 可 以 看 出 , 当 晶 体 管 确 定 以 后 , U cm的 大 小 与 VBB、 VCC、 R和 Ubm四 个 参 数有 关 。 利 用 图 3.2.5所 示 折 线 化 转 移 特 性 和 输 出 特 性 曲 线 , 借 助以 上 三 个 表

28、达 式 , 我 们 来 分 析 以 上 两 个 问 题 。 在 分 析 之 前 , 让 我们 先 确 定 动 态 线 的 情 况 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 在 输 出 特 性 图 中 , 表 示 输 出 电 压 uCE随 集 电 极 电 流 iC变 化 的轨 迹 线 称 为 动 态 线 , 又 称 为 交 流 负 载 线 。 由 于 谐 振 功 放 的 负 载是 选 频 网 络 , 故 输 出 交 流 电 压 uc必 然 是 一 个 完 整 的 余 弦 信 号 。由 图 3.2.5可 以 看 到 , 截 止 区 和 饱 和 区 内 的 动 态 线 分 别 和 输 出 特性

29、中 截 止 线 和 临 界 饱 和 线 重 合 (其 中 临 界 饱 和 线 斜 率 为 gcr), 而放 大 区 内 的 动 态 线 是 一 条 其 延 长 线 经 过 Q点 的 负 斜 率 线 段 AB。 放 大 区 内 动 态 线 AB的 表 达 式 可 用 以 下 步 骤 求 出 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.5 折 线 化 转 移 特 性 和 输 出 特 性 分 析 iC斜率gUBB00 Ubm t uBEuBE iCICm 0 t iCA0 C B D斜率gd UCC uCEQ uCE0 t Ucm 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 由 式 (3

30、.2.1)和 (3.2.2)可 写 出 ： cm CECCbmBBBE U uUUUu 代 入 式 (3.2.6), 经 过 整 理 可 得 到 动 态 线 表 达 式 :iC=-gd(uCE-U0) 其 中 bm cmoncmBBbmCCcmbmd U UUUUUUU UUgg 0 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路由 图 (3.2.5)可 以 写 出 斜 率 值 gd的 另 一 种 形 式 :)cos1( cm Cmd U Ig因 为 Ic1m=ICm1(), R=Ucm/Ic1m RgR dd )cos1)(1 1 (3.2.14)可 见 ， 放 大 区 内 动 态 线 的 斜 率

31、 是 负 的 ， 其 数 值 gd（ 动 态 电 导 ） 与R、 两 个 参 数 都 有 关 系 ， 且 动 态 电 阻 Rd与 回 路 等 效 总 电 阻 R不相 等 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 1. 负 载 特 性 若 UBB、 UCC和 Ubm三 个 参 数 固 定 , R发 生 变 化 , 动 态 线 、Ucm以 及 Po、 c等 性 能 指 标 会 有 什 么 变 化 呢 ?这 就 是 谐 振 功 放的 负 载 特 性 。 由 图 3.2.6可 知 , U BB和 UCC固 定 意 味 着 Q点 固 定 , Ubm固 定 进一 步 意 味 着 也 固 定 。 根 据 式

32、 (3.2.14), 放 大 区 动 态 线 斜 率 1/ Rd将 仅 随 R而 变 化 。 图 中 给 出 了 三 种 不 同 斜 率 情 况 下 的 动 态 线 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 1 coscosBE BB bmCE CC c mu U U tu U U t 三 点 法 作 图 ：t=0， uBE=UBB+Ubm； uCE=UCC-Uc1m 得 到 C点t=/2， uBE=UBB； uCE=UCC 得 到 B点t= ， uBE=UBB-Ubm 0-iC=0； uCE=UCC+Uc1m 得 到 D点直 线 BC与 横 轴 交 于 A点动 态 特 性 分 析 ：iC

33、、 uBE和 uCE的 关 系 曲 线 ， 称 动 特 性 曲 线 即 交 流 负 载 线 uCEC B D UBE=UBB+UbmUBE=UBBUCC0 icUc1m A折 线 CAD即 为 谐 振 功 率 放 大 器 的 动 态 特 性 曲 线 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.6 三 种 不 同 斜 率 情 况 下 的 动 态 线 及 波 形 分 析 iC 0 t iC A2 A1 A3 0 B1B2 B3 UCC uCE Q 0 Ucm1 Ucm2 Ucm3 t uCE 0 UBB uBE t Ubm 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 动 态 线 A1B1的

34、 斜 率 最 大 ,即 对 应 的 负 载 R最 小 , 相 应 的 输 出电 压 振 幅 Ucm1也 最 小 , 晶 体 管 工 作 在 放 大 区 和 截 止 区 。 动 态 线A2B2的 斜 率 较 小 ， 与 特 性 曲 线 相 交 于 饱 和 区 和 放 大 区 的 交 点 处(此 点 称 为 临 界 点 ), 相 应 的 输 出 电 压 振 幅 Ucm2增 大 , 晶 体 管 工 作 在临 界 点 、 放 大 区 和 截 止 区 。 动 态 线 A3B3的 斜 率 最 小 , 即 对 应 的 负载 R最 大 , 相 应 的 输 出 电 压 振 幅 Ucm3比 Ucm2略 为 增 大

35、 , 晶 体 管 工作 在 饱 和 区 、 放 大 区 和 截 止 区 。 根 据 输 出 电 压 振 幅 大 小 的 不 同 , 这 三 种 工 作 状 态 分 别 称 为 欠 压 状 态 、 临 界 状 态 和 过 压 状 态 , 而 放大 区 和 饱 和 区 又 可 分 别 称 为 欠 压 区 和 过 压 区 。 注 意 , 在 过 压 状 态 时 , i C波 形 的 顶 部 发 生 凹 陷 , 这 是 由 于 进 入过 压 区 后 转 移 特 性 为 负 斜 率 而 产 生 的 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.7 给 出 了 负 载 特 性 曲 线 。 参

36、照 图 3.2.6和 式 (3.2.3) (3.2.5), 对 于 图 3.2.7中 各 参 数 曲 线随 R变 化 的 规 律 将 很 容 易 理 解 。 由 图 3.2.7可 以 看 到 , 随 着 R的 逐 渐 增 大 , 动 态 线 的 斜 率 逐 渐减 小 , 由 欠 压 状 态 进 入 临 界 状 态 , 再 进 入 过 压 状 态 。 在 临 界 状 态时 , 输 出 功 率 P o最 大 , 集 电 极 效 率 c接 近 最 大 , 所 以 是 最 佳 工 作状 态 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路图 3.2.7 谐 振 功 放 的 负 载 特 性 曲 线 0 Ic

37、lm IC0 Ucm 欠压 临界 过压 R 欠压 临界 过压 R PD Po PC ch 0 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 2. 放 大 特 性 若 UBB、 UCC、 R三 个 参 数 固 定 , 输 入 Ubm变 化 , 此 时 输 出Ucm以 及 Po、 c等 性 能 指 标 随 之 变 化 的 规 律 被 称 为 放 大 特 性 。 图 3.2.8是 利 用 折 线 化 转 移 特 性 分 析 丙 类 工 作 时 iC波 形 随U bm变 化 的 关 系 , 并 给 出 了 Ucm、 Ic1m和 Ic0与 Ubm的 关 系 曲 线 。 由于 Ubm的 变 化 将 导 致 的

38、 变 化 , 从 而 使 输 出 特 性 欠 压 区 内 动 态 线的 斜 率 发 生 变 化 , 所 以 利 用 输 出 特 性 分 析 放 大 特 性 不 方 便 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 由 图 3.2.8可 以 看 到 , 在 欠 压 状 态 时 , Ucm随 Ubm增 大 而 增 大 , 但 不 成 线 性 关 系 , 因 为 也 会 随 之 增 大 , 使 iC脉 冲 的 宽 度 和 高 度都 随 之 增 大 。 仅 当 处 于 甲 类 或 乙 类 工 作 状 态 时 ,固 定 为 180或 90 , 不 会 随 Ubm的 变 化 而 变 化 , 此 时 Ucm与

39、Ubm才 成 正 比 关 系 。在 过 压 状 态 , 随 着 U bm增 加 , Ucm几 乎 保 持 不 变 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.8 放 大 特 性 分 析 iC0 uBEuBEUbm t iC0 欠压临界 过压 t0 欠压 临界 过压UcmIclmIC0Ubm(a) (b) 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 3. 调 制 特 性 (1) 基 极 调 制 特 性 。 若 UCC、 R和 Ubm固 定 , 输 出 电 压 振 幅 Ucm随 基 极 偏 压 UBB变 化的 规 律 被 称 为 基 极 调 制 特 性 。 由 于 UBB和 ub是 以

40、 串 联 迭 加 方 式 处 于 功 放 的 输 入 回 路 , 所 以U BB的 变 化 与 ub的 振 幅 Ubm的 变 化 对 输 出 电 流 iC和 输 出 电 压 振 幅Ucm的 影 响 是 类 似 的 , 可 以 将 图 3.2.9和 图 3.2.8(b)进 行 对 照 分 析 。 基 极 调 制 的 目 的 是 使 Ucm随 UBB的 变 化 规 律 而 变 化 , 所 以 功 放应 工 作 在 欠 压 状 态 , 才 能 使 UBB对 Ucm有 控 制 作 用 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路图 3.2.9 基 极 调 制 特 性 Ucm I clm I C0 0欠

41、压 临界 过压 U BB 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 (2) 集 电 极 调 制 特 性 。 若 UBB、 R和 Ubm固 定 , 输 出 电 压 振 幅 Ucm随 集 电 极 电 压 UCC变 化 的 规 律 被 称 为 集 电 极 调 制 特 性 。 由 图 3.2.10(a)可 以 看 到 , UCC的 变 化 使 得 静 态 工 作 点 左 右 平移 , 从 而 使 欠 压 区 内 的 动 态 线 左 右 平 移 , 动 态 线 的 斜 率 不 变 。 由 图 3.2.10(b)可 以 看 到 ， 在 欠 压 状 态 时 , 当 U CC改 变 时 , Ucm几 乎不 变

42、 。 在 过 压 状 态 时 , Ucm随 UCC而 单 调 变 化 。 所 以 , 此 时 功 放 应工 作 在 过 压 状 态 , 才 能 使 UCC时 对 Ucm有 控 制 作 用 , 即 振 幅 调 制 作用 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路iC 过 压 0 3 2 临 界 欠 压 t iC 0 UCC3 UCC2 UCC1 Q3 Q2 Q1 uCEmin (a) (b) 0 过压 临界 欠压 U CC Ucm Iclm IC0 1 uCE 图 3.2.10 集电极调制特性 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 4. 小 结 根 据 以 上 对 丙 类 谐 振 功 放

43、的 性 能 分 析 , 可 得 出 以 下 几 点 结 论 : (1) 若 对 等 幅 信 号 进 行 功 率 放 大 , 应 使 功 放 工 作 在 临 界 状 态 , 此 时 输 出 功 率 最 大 , 效 率 也 接 近 最 大 。 比 如 对 第 7章 将 介 绍 的 调频 信 号 进 行 功 率 放 大 。 (2) 若 对 非 等 幅 信 号 进 行 功 率 放 大 , 应 使 功 放 工 作 在 欠 压 状态 , 但 线 性 较 差 。 若 采 用 甲 类 或 乙 类 工 作 , 则 线 性 较 好 。 比 如 对第 6章 将 介 绍 的 调 幅 信 号 进 行 功 率 放 大 。

44、 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 (3) 丙 类 谐 振 功 放 在 进 行 功 率 放 大 的 同 时 , 也 可 进 行 振 幅调 制 。 若 调 制 信 号 加 在 基 极 偏 压 上 , 功 放 应 工 作 在 欠 压 状 态 ； 若 调 制 信 号 加 在 集 电 极 电 压 上 , 功 放 应 工 作 在 过 压 状 态 。 (4) 回 路 等 效 总 电 阻 R直 接 影 响 功 放 在 欠 压 区 内 的 动 态 线斜 率 , 对 功 放 的 各 项 性 能 指 标 关 系 很 大 , 在 分 析 和 设 计 功 放 时应 重 视 负 载 特 性 。 第 3章 高 频

45、 功 率 放 大 电 路比 较 三 种 工 作 状 态 ：（ 1） 临 界 状 态 ： Pin最 大 ； h较 高 ； 最 佳 工 作 状态 (对 应 最 佳 负 载 RLcr)； 主 要 用 于 发 射 机 末 级 。（ 2） 过 压 状 态 ： h较 高 （ 弱 过 压 状 态 h最 高 )；负 载 阻 抗 变 化 时 ， UC1基 本 不 变 ； 用 于 发 射 机 中间 级（ 3） 欠 压 状 态 ： P in较 小 ； h较 低 ； Po大 ； 输出 电 压 不 够 稳 定 ； 很 少 采 用 ， 基 极 调 幅 电 路 工作 于 此 状 态 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电

46、 路 【 例 3.2】 已 知 一 谐 振 功 放 工 作 在 欠 压 状 态 ， 如 果 要 将 它 调整 到 临 界 状 态 ， 需 要 改 变 哪 些 参 数 ？ 不 同 调 整 方 法 所 得 到 的 输出 功 率 Po是 否 相 同 ？ 为 什 么 ？ 解 ： 可 以 有 四 种 调 整 方 法 。 设 原 输 出 功 率 为 Po0， 原 放 大区 内 动 态 线 及 其 延 长 线 为 AQ1， 四 种 方 法 得 到 的 输 出 功 率 分 别为 P o1、 Po2、 Po3、 Po4。 （ 1） 增 大 负 载 R， 则 放 大 区 内 动 态 线 斜 率 减 小 ， Q点

47、不 变 ， 仍 为 Q1， 动 态 线 及 其 延 长 线 为 BQ1。 根 据 图 3.2.7负 载 特 性 ， Ucm和 Po将 增 大 ， 所 以 Po1 Po0。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 （ 2） 减 小 UCC， 则 动 态 线 平 行 左 移 ， R不 变 ， 动 态 线 及 其延 长 线 为 BQ2。 根 据 图 3.2.10集 电 极 调 制 特 性 ， Ucm略 减 小 ， Po略有 减 小 ， 所 以 Po2Po0。 （ 3） 增 大 UBB， 则 动 态 线 平 行 上 移 ， R 不 变 ， Q点 上 移 ， 动 态 线 及 其 延 长 线 为 CQ3

48、。 根 据 图 3.2.9基 极 调 制 特 性 ， Ucm增 大 ， P o将 增 大 ， 所 以 Po3 Po0。 （ 4） 增 大 Ubm， 则 动 态 线 从 A延 长 到 D， R不 变 ， Q点 不 变 ， 根 据 图 3.2.8放 大 特 性 ， Ucm和 Po均 增 大 ， 所 以 Po4 Po0。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 从 图 例 3.3可 见 ， （ 4） 的 Ucm略 大 于 （ 3） 的 Ucm， 而 （ 3）和 （ 4） 的 R相 同 ， 故 Po4 Po3。 另 外 ， （ 1） 的 Ucm 略 大 于（ 3） 、 （ 4） 的 Ucm ， 但

49、（ 1） 的 R大 于 （ 3） 、 （ 4） 的 R ， 所 以 ， Po1的 功 率 大 小 取 决 于 R增 大 的 程 度 。 若 采 用 方 法 （ 1）时 R增 大 较 多 ， 使 Po1 Po3， 则 有 Po4 Po3 Po1 Po2。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 例 3.3 iC 0 C D B 原状态 UCC uCE Q2 (1) (2) (4) (3) 原状态 Ucm uBE (4) (3) (1) (2) t UBB ubm A Q3 Q1,Q4 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 3.2.3直 流 馈 电 线 路 与 匹 配 网 络 1. 直

50、流 馈 电 线 路 在 高 频 功 放 的 输 入 回 路 和 输 出 回 路 应 分 别 加 上 合 适 的 直 流偏 压 , 有 关 的 直 流 馈 电 线 路 可 分 为 串 联 馈 电 和 并 联 馈 电 两 种 基本 电 路 形 式 。 前 者 是 指 晶 体 管 、 直 流 电 源 和 回 路 三 部 分 串 联 , 后 者 是 指 这 三 部 分 并 联 。 但 无 论 哪 种 电 路 形 式 , 直 流 偏 压 与 交流 电 压 总 是 串 联 迭 加 的 , 假 定 交 流 电 压 是 单 频 信 号 , 即 满 足u BE=UBB+Ubmcost, uCE=UCC-Ucmc

51、ost的 关 系 式 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 (1) 集 电 极 馈 电 线 路 。 图 3.2.11给 出 了 集 电 极 馈 电 线 路 的 两种 基 本 形 式 。 由 于 集 电 极 电 流 是 脉 冲 形 状 , 包 括 直 流 、 基 频 及 各 次 谐 波分 量 , 所 以 集 电 极 馈 电 线 路 除 了 应 有 效 地 将 直 流 电 压 加 在 晶 体管 的 集 电 极 与 发 射 极 之 间 外 , 还 应 使 基 频 分 量 流 过 负 载 回 路 产生 输 出 功 率 , 同 时 有 效 地 滤 除 高 次 谐 波 分 量 。 图 中 的 高

52、频 扼 流圈 L c和 高 频 短 路 电 容 Cc、 Cc1、 Cc2的 作 用 在 于 阻 止 高 次 谐 波 流过 直 流 电 源 并 为 其 提 供 短 路 通 道 , 以 免 高 次 谐 波 影 响 直 流 电 源的 稳 压 性 能 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 串 联 馈 电 方 式 的 优 点 是 Lc和 Cc处 于 高 频 地 电 位 , 它 们 对 地 的分 布 电 容 不 会 影 响 回 路 的 谐 振 频 率 , 缺 点 是 电 容 器 C的 动 片 不 能直 接 接 地 ,安 装 调 整 不 方 便 。 而 并 联 馈 电 方 式 的 优 缺 点 正 好

53、 相 反 。由 于 Lc和 Cc1不 处 于 高 频 地 电 位 , 它 们 对 地 的 分 布 电 容 直 接 影 响 回路 的 谐 振 频 率 , 但 回 路 处 于 直 流 地 电 位 , L、 C元 件 可 接 地 , 故 安装 调 整 方 便 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.11 集 电 极 馈 电 线 路(a) 串 联 馈 电 ； (b) 并 联 馈 电 uc LA UCC UCCC Cc uc LC UCCCc2 Lc B Cc1UCCUCC(a) (b)Lc C 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 (2) 基 极 馈 电 线 路 。 基 极 馈

54、电 也 有 串 馈 与 并 馈 两 种 形 式 , 但 对 于 丙 类 谐 振 功 放 , 通 常 采 用 自 给 偏 压 方 式 。 图 3.2.12给 出 了 几 种 基 极 馈 电 线 路 , 均为 自 给 偏 压 形 式 。 在 无 输 入 信 号 时 , 自 给 偏 压 电 路 的 偏 置 为 零 。 随 着 输 入 信 号 的 逐 渐 增 大 , 加 在 晶 体 管 be结 之 间 的 偏 置 电 压 向负 值 方 向 增 大 。 由 此 可 见 ,乙 类 功 放 不 能 采 用 自 给 偏 压 方 式 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 图 3.2.12 谐 振 功 放

55、 的 基 极 偏 置 电 路 Cb2 LbRb Cb1 CbLb Re Ce Cb Lb(a) (b) (c) 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 2 .匹 配 网 络 为 了 使 谐 振 功 放 的 输 入 端 能 够 从 信 号 源 或 前 级 功 放 得 到 有效 的 功 率 , 输 出 端 能 够 向 负 载 输 出 不 失 真 的 最 大 功 率 或 满 足 后 级功 放 的 要 求 ,在 谐 振 功 放 的 输 入 和 输 出 端 必 须 加 上 匹 配 网 络 。 匹 配 网 络 的 作 用 是 在 所 要 求 的 信 号 频 带 内 进 行 有 效 的 阻 抗变 换 (根

56、 据 实 际 需 要 使 功 放 工 作 在 临 界 点 、 过 压 区 或 欠 压 区 ), 并充 分 滤 除 无 用 的 杂 散 信 号 。 第 1章 已 介 绍 了 几 种 基 本 LC选 频 匹配 网 络 , 具 体 应 用 时 为 了 产 生 良 好 的 选 频 匹 配 效 果 , 常 采 用 多 节 匹 配 网 络 级 联 的 方 式 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路为 了 衡 量 输 出 匹 配 网 络 上 的 功 率 损 耗 ， 可 以 定 义 回 路 效 率 为 oLn PPh （ 3.2.15）其 中 ， PL、 Po分 别 是 负 载 上 得 到 的 功 率

57、和 功 放 的 输 出 功 率 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 例 3.4 分 析 图 例 3.4所 示 工 作 频 率 为 175 MHz的 两 级 谐 振 功率 放 大 电 路 的 组 成 及 元 器 件 参 数 。 图 例 3.4 C1R1Rs C2 R2 V1R3R1 C3 C4L1 L2 R4 V2R5R2 C5 L3C6Rs50 (前级输出电阻) C7 C8 C9 C10 UCC RL50 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 解 ： 两 级 功 放 的 输 入 馈 电 方 式 均 为 自 给 负 偏 压 , 输 出 馈 电 方式 均 为 并 馈 。 此 电 路 输

58、入 功 率 Pi=1W, 输 出 功 率 Po=12W, 信 号 源 阻 抗Rs=50, 负 载 RL=50。 其 中 第 一 级 输 出 功 率 Po1=4W, 电 源 电 压UCC=135 V。 两 级 功 放 管 分 别 采 用 3DA21A和 3DA22A, 均 工 作 在 临 界 状 态 , 饱 和 压 降 分 别 为 1V和 15V。 各 项 指 标 满 足 安 全 工 作 条 件 。 可 以计 算 出 各 级 回 路 等 效 总 阻 抗 分 别 应 该 为 : 2042 )15.13(2 212 11 ocmPUR 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 由 于 3DA21A和

59、 3DA22A的 输 入 阻 抗 分 别 为 R2=7和 R4=5, 故 RsR2, R1 R4, R2RL, 即 不 满 足 匹 配 条 件 , 所 以 在 信 号 源 与 第一 级 放 大 器 之 间 、 第 一 级 放 大 器 与 第 二 级 放 大 器 之 间 分 别 加 入 T型 选 频 匹 配 网 络 (C 1、 C2、 L1和 C3、 C4、 L2), 在 第 二 级 放 大 器 与 负载 之 间 加 入 倒 L型 选 频 匹 配 网 络 (C5、 L3、 C6)。 三 个 选 频 匹 配 网络 在 175MHz工 作 频 率 点 的 输 入 阻 抗 分 别 是 R1、 R3和

60、R5。 且 有R1=RS=50,R3= R1=20,R5= R2= 6。 6122 )5.15.13(2 22 22 ocmPUR 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 高 频 大 功 率 晶 体 管 的 等 效 电 路 与 用 作 小 信 号 放 大 的 高 频 小功 率 晶 体 管 的 等 效 电 路 不 一 样 ， 比 较 复 杂 。 工 作 在 高 频 段 时 ， 功 放 管 的 输 入 电 容 可 以 忽 略 ， 仅 考 虑 输 入 电 阻 即 可 ； 而 输 出电 阻 很 大 ， 可 以 忽 略 ， 只 需 要 考 虑 输 出 电 容 。 在 设 计 匹 配 网络 时 应 注

61、意 这 一 点 。 其 中 第 一 级 输 入 匹 配 网 络 是 T型 ， 可 直 接 采 用 第 1章 例 1.4所得 结 果 确 定 其 中 三 个 电 抗 元 件 值 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路设 Q2 5， 由 式 （ 1.1.39） 、 （ 1.1.40） 、 （ 1.1.41） 可 求 得 pFRf QQC HfRQL pFRQfC QRe e 9.16182101752 625.152 032.0101752 752 2.1150625.1101752 12 1 625.1,182 60 122 60221 61101 1 第 3章 高 频 功 率 放 大 电

62、 路 第 一 级 与 第 二 级 之 间 的 级 间 匹 配 网 络 虽 然 也 采 用 T型 网 络 ，但 由 于 要 考 虑 第 一 级 放 大 器 输 出 电 容 的 影 响 ， 故 不 能 直 接 采 用例 1.4所 得 结 果 。 第 二 级 输 出 匹 配 网 络 同 样 要 考 虑 第 二 级 放 大 器输 出 电 容 的 影 响 ， 所 以 也 不 能 直 接 采 用 倒 L型 匹 配 网 络 的 公 式 。 有 关 级 间 和 输 出 匹 配 网 络 的 公 式 推 导 较 复 杂 ， 故 此 处 不 再讨 论 。 3DA21A与 3DA22A 的 输 出 电 容 分 别 是

63、 36pF和 80 pF 。 根 据 相 应 公 式 可 计 算 出 本 电 路 中 另 外 两 个 匹 配 网 络 的 电 抗 元 件值 分 别 为 C 323.3 pF， C420.7 pF， L20.023H， C518.2 pF，L30.071H， C623.9 pF。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 以 上 计 算 未 考 虑 晶 体 管 参 数 的 分 散 性 和 分 布 参 数 的 影 响 。 C1 C6均 采 用 可 变 电 容 器 , 其 最 大 容 量 应 为 计 算 值 的 2 3倍 。 通 过 实 验 调 整 , 最 后 确 定 匹 配 网 络 元 件 的 精

64、 确 值 。 电 路 中 四 个 高 扼 圈 的 电 感 量 为 1H左 右 , 其 中 两 个 作 为 基 极直 流 偏 置 的 组 成 元 件 , 另 外 两 个 在 集 电 极 并 馈 电 路 中 对 iC中 的 各次 谐 波 分 量 起 阻 挡 作 用 , 并 为 集 电 极 直 流 电 源 提 供 通 路 。 高 频旁 路 电 容 C 7和 C9的 值 均 为 0.05F, 穿 心 电 容 C8和 C10为 1500 pF, 它们 使 高 次 谐 波 分 量 短 路 接 地 。 一 般 来 说 , 在 400MHz以 下 的 甚 高 频 (VHF)段 , 匹 配 网 络 通 常采 用

65、 第 1章 介 绍 的 集 总 参 数 LC元 件 组 成 , 而 在 400MHz以 上 的 超高 频 (UHF)段 , 则 需 使 用 分 布 参 数 的 微 带 线 组 成 匹 配 网 络 , 或 使用 微 带 线 和 LC元 件 混 合 组 成 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路 微 带 线 又 称 微 带 传 输 线 , 是 用 介 质 材 料 把 单 根 带 状 导 体 与接 地 金 属 板 隔 离 而 构 成 的 , 图 3.2.13给 出 了 结 构 示 意 图 和 符 号 。 微 带 线 的 电 性 能 , 如 特 性 阻 抗 、 带 内 波 长 、 损 耗 和 功 率 容量 等 , 与 绝 缘 基 板 的 介 电 系 数 、 基 板 厚 度 H和 带 状 导 体 宽 度 W有 关 。 实 际 使 用 时 , 微 带 线 是 采 用 双 面 敷 铜 板 , 在 上 面 作 出 各 种图 形 , 构 成 电 感 、 电 容 等 各 种 微 带 元 件 , 从 而 组 成 谐 振 电 路 、 滤 波 器 以 及 阻 抗 变 换 器 等 的 。 第 3章 高 频 功 率 放 大 电 路图 3.2.13 微 带 线 结 构 和 符 号 W 薄铜带绝缘基板 (相对介电系数为C1) H 铜底层