第 3 章 高频功率放大器

实践中，为了利于集电结的散热，以提高 PCM， 双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，
(a) (b) 功率管底座上加装散热器
3. 窄带功放
高频功率放大器可以分为窄带和宽 带功率放大器两类。窄带和宽带是指有 用信号的带宽大小。一般来说，信号最 低频率fimin与最高频率fimax满足2fimin>>fimax 关系时，放大电路被称为窄带放大器， 如第二章讲述的高频小信号谐振放大器 就是一例，本章讲述的C类(也称丙类)功 放也是一例。
总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲 类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率 的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放 大，在电路中需采取特定措施。
2 功率器件
功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率 管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的 问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全 工作区。
用ηc 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效 率：
式中：
c
Po PD
Po
Po PC
Po —— 输出信号功率 (Output Signal Power)；
PD —— 电源提供的功率； PC —— 管耗 (Power Dissipation)
Po 一定，ηc 高→PD 小→PC 小 → 可选 PCM 小的 管子，以降低费用。
若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发 到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到 热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的 热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度 上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。
热崩 (Thermal runaway)： 集电结结温 (Tj) 升高 → 集电极电流 (iC) 增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 → iC 增大 → PC 增大 → Tj 升高，如此反复，直至 Tj 超 过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的一种恶 性循环现象。
双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数 的限制：
(1) 集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切 相关
(2) 集电极击穿电压 V(BR)CEO
(3) 集电极最大允许电流 ICM 以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。
一、功率管散热和相应的 PCM 耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上， 造成集电结发热，结温升高。
第 3 章 高频功率放大器的结构与实现
3.1 概述
3.2 谐振功率放大器的结构和原理
3.3 实际丙类谐振功放的原理分析
3.4 谐振功放的耦合和设计原则
Hale Waihona Puke 3.5 丙类倍频器3.6* 宽带高频功率放大器
3.7* 功率合成与功率分配电路
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3.1 概述
作用：高效地实现能量变换和控制。 种类： 根据应用领域和处理对象不同 (1) 功率放大电路：放大器的一类。用于通信、音 像等电子设备。
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3.2 谐振功率放大器的结构和原理
谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率 放大器，一般工作在丙类（或丁类、乙类），主要用 在无线电发射机中，用来对载波或已调波进行功率放 大。
匹配网络: 为谐振系统 应用状态：丙类（或丁类、乙类） 用途：对载波或已调波进行功率放大
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3.2.1 非饱和下的丙类功放分析
减小 PC 可提高ηC。
假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为
PC21π o2πiCvCE dt
讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE
途径 1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子 在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。
途径 2：使管子运用在开关状态 (又称丁类)；管子 在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通 时，vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管 耗 iC × vCE 处在很小的值上。截止时，不论 vCE 为何值， iC 趋于 0，iC × vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小，ηC 显著增大。
3. 输出电压 vo
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3.2.1 非饱和下的丙类功放分析
4 对基波分量近似分析
• 非饱和是指放大管在导通时间内只处于 管子的放大区，而没有进入饱和区的工
作情况。如将iC 波中的虚实线合起来就 有了一个完整的正弦波，设此完整正弦
波的振幅为Icm ，那么：
•
ar I c c m I C c m o /I c a s x m
(2) 电源变换电路：对电源能量进行特定变换。用 于电源设备、电子系统、工业控制。
1 功率放大器
与其它放大器相比 相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流 功率转换为输出信号功率。 不同点：性能要求和运用特性不同。
一、功率放大器的性能要求
1. 安全。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。 2. 高效率。
3. 失真小。输出功率越大，相应的动态电压电流越 大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用 反馈技术外，还必须限制输出功率。
作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上 述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功 率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。
二、功率管的运用特点 1. 功率管的运用状态 根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同， 功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等 多种。
在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电 路和滤波匹配网络两部分组成。
1. 电路组成
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VBB——基极偏置电压， 设置在功率管的截止区，以 实现丙类工作。
2. 集电极电流 ic
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用付里叶级数可将电流脉冲序列分解为平均分量、基 波分量和各次谐波分量之和，即
iCIC 0ic1 ic2
IC 0Ic1cm ostsIc2cm osst 2
功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。
甲类：功率管在一个周期内导通 (如小信号放大)。 乙类：功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。 丙类：功率管小于半个周期内导通。
2. 不同运用状态下的ηC
管子的运用状态不同，相应的ηCmax 也不同。
c
Po Po PC