高频功率放大器

1.原理说明利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。

它是无线电发射机中的重要组成部件。

根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。

电流导通角θ愈小放大器的效率η愈高。

如甲类功放的θ=180o ，效率η最高也只能达50%，而丙类功放的θ<90o ,效率η可达到80%。

甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的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。

高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

1.1高频功放的主要技术指标1.1.1 功率关系：功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率O P ，使之一部分转变为交流信号功率1P 输出去,一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率C P 。

根据能量守衡定理：1o C P P P =+直流功率： 输出交流功率：2211111222c c c c L L U P U I I R R =⋅== C U -----回路两端的基频电压 c1I ----- 基频电流 L R ----回路的负载阻抗。

1.1.2 放大器的集电极效率1101122c c o CC c U I P P U I ηξγ⋅===⋅ 其中集电极电压利用系数：1c c L CC CCU I RU U ξ== 0o c CCP I U =⋅波形系数：1100()()c c I I αθγαθ==为通角 θ 的函数；θ 越小γ越大。

1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算临界状态下，若已知电源电压Ucc ，BB U 三极管的参数C g ，'U BB ，设电压利用系数为 ξ，集电极的导通角为θ。

求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效率等。

1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量cmax i 和θ导通角θ：'cos BB BBbU U arc U θ+=功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。

在实际运用中，为兼顾高效率的输出功率和高效率，通常导通角为60~80度。

集电极电流脉冲幅值icmax ：max (1cos )c c b i g U θ=-2）由θ 值，查表求得电流余弦脉冲的各谐波分量系数()0 αθ、()1 αθ、() γθ，并求得各个分量的实际值C0I 、 C1I 。

0max 01max ()C C c C I i I i αθαθ1=()=3)根据：221()1122c CC L LU U P R R ξ== 可求得最佳负载电阻：21()2CC LCRU R P ξ=1.2 功率放大器的负载特性只在其他条件不变（CC U 、BB U 、U b 为一定），只变化放大器的负载电阻LR 而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。

1.2.1 c u 、c i 随负载变化的波形当负载电阻L R 由小至大变化时， 1.负载线的斜率由小变大。

2. 放大器的工作状态由欠压→过压→临界；3. 输出电压c u 逐渐增大。

4.输出电流c i 的波形由尖顶脉冲→凹顶脉冲1.2.2 功率及效率随负载（工作状态）变化的波形：① 欠压状态 在欠压区至临界点 的范围内，放大器的输出电压Uc 随负载电阻RL 的增大而增大，而电流cmax i 、C1I 、 C0I 其基本不变，根据1112c c P U I =⋅ 0o c CC P I U =⋅ c 01P P P =- 1o P P η= 则电源功率O P 不变、输出功率1P 将增加，管耗将减少。

② 临界状态 负载线和b U 正好相交于临界线的拐点。

放大器工作在临界状 态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。

③ 过压状态 放大器的负载较大，在过压区，随着负载L R 的加大，C1I 要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小1.3谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路1.3.1直流馈电电路1. 集电极馈电电路根据直流电源连接方式不同，集电极电路又分为串联馈电和并联馈电两种， (1) 串馈电路 指直流电源CC V 、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。

1C 、C L 为低通滤波电路，A 点为高频地电位，既阻止电源CC V 中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。

(2) 并馈电路 指直流电源CC V 、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。

如图C L 为高频扼流圈，1C 为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，2C 为高频输出耦合电容。

2. 基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种 1）基极偏置常采用自给偏置电路；------串馈 2）由负电源-U 分压供给基极偏置电压；------串馈 3）零偏压；------串馈图1-3-1 基极馈电形式1.3.2 输出回路和级间耦合回路1. 级间耦合网络对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。

多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。

这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。

此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。

2. 输出匹配网络输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络。

这种匹配网络有L 型、π型、T 型网络及耦合回路。

输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波、和高效率。

需要匹配的原因：当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。

在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载（如天线等）相匹配。

匹配的原理：通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗L R 转换成放大管所要求的最佳负载阻抗LCR R ，使管子送出的功率1P 能尽可能多的馈至负载。

L 型匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q 值很低（通常Q<10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中常常用T 型或π型网络作匹配之用。

211LCRL R R Q=+ 22'1Q C C Q =+ L Q C R ω=⋅⋅21LCR L R Q R =+（） 22'1Q L L Q =+ LLQ R ω⋅=2.高频功率放大器设计电路中参数简单计算依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。

2.1丙类功率放大器的设计2.1.1放大器工作状态的确定因为要求获得的效率η>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取θ=70°,所以谐振回路的最佳电阻为202)(P U U R CES CC -==551.25Ω集电极基波电流振幅12R P I m c =≈0.019A集电极电流最大值为)70(11 αmc cm I I ==0.019/0.436=43.578mA其直流分量为CO I =cm I *)70(0 α=43.578*0.253=11.025mA电源供给的直流功率为P D =Ucc*Ico =132.3mW集电极损耗功率为P = P D – P C =32.3mW转换效率为η= P C / P D =100/132.3=75.6%当本级增益ρA =13dB 即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，有： 输入功率为P1=P0/AP=5mW基极余弦电流最大值为I BM = I CM /β ≈ 4.36Ma基极基波电流振幅)70(11 α⨯=BM M B I I =4.36⨯0.436=1.9mA所以输出电压的振幅为U BM =2 P 1/ I B1M ≈5.3V2.1.2谐振回路和耦合回路参数计算丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻R bb <25Ω, 则输入阻抗436.0)70cos 1(25)()cos 1(11⨯-Ω=⨯-=θαθbb R Z ≈87.1Ω 则输出变压器线圈匝数比为13R R N N L=≈6.4 在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF ，则20)21(1f C L π⨯=≈7.036μH采用Φ10mm×Φ6mm×5mm 磁环来绕制输出变压器，因为有322210)()()(4-⨯⨯⨯=N l A L cmcm μπ其中 μ=100H/m , A=210m m , l =25mm, L =7.036μH 所以计算得N 2=72.2甲类功率放大器的设计2.2.1电路性能参数计算甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：P H = P 1 =5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗，即R H =1Z =87.1Ω设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率b η取0.8，则集电极输出功率P C =b Hp η≈6.25mW若取放大器的静态电流I CC = I CM =5mA ，则集电极电压振幅U CM =2 P C / I CM =2.5V最佳负载电阻为CCMH P U R 22==0.5kΩ则射极直流负反馈电阻cqCESCM CC E I U U U R --=1≈1780Ω (cq I ≈I CM )则输出变压器线圈匝数比21R R N N bH η=≈2 本级功放采用3DG12晶体管，取β=30 ρA =13dB 即20倍放大倍数 则输入功率P i = P 0 /ρA =0.3125mW放大器输入阻抗R i = R bb +β*R3=25Ω+30R3若取交流负反馈电阻R3=10Ω，则Ri=335Ω 所以本级输入电压i i im P R U 2=≈0.46V2.2.2静态工作点计算综上可知U i =0时，晶体管射极电位U EQ = I CQ ×R E1 = 8.9VU BQ =9.5V I BQ = I CQ /β=0.17mA若基极偏置电流I 1 =5 I BQ ，则R 2 = U BQ /5 I BQ ≈11.2kΩ 所以，有21R U U U R boboCC ⨯-=≈2.95Kω（1）设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流I CQ 一般0.8—2mA 之间选取为宜。