第4章 高频功率放大电路

第4章高频功率放大电路讲授内容：4.1 概述4.2 丙类谐振功率放大电路4.3 宽带高频功率放大电路与功率合成电路4.4 集成高频功率放大电路及应用简介4.1概述电路:将直流电源能量转换成输出信号能量装置1、分类：按频率高低分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。

按其工作频带宽窄分为宽带功率放大电路和窄带功率放大电路，其共同点为输出功率大、效率高和非线性失真小。

2、高频窄带功率放大电路特点：（1）工作频率高，但相对频带窄；（2）放大器工作于丙类状态，其电流的流通角小于1800；（3）负载采用具有滤波能力的调谐回路；（4）电路分析，由于是非线性电路，常用图解法和解析近似分析法，其中最常用的是解析近似分析法中的折线法。

3、丙类谐振功率放大电路：具有输出功率大、效率高和非线性失真小，且具上述4个特点功率放大电路称为丙类谐振功率放大电路，属于谐振功放之一。

4、宽带功率放大电路：功放工作在甲类状态，利用传输线变压器等作为匹配网络，采用功率合成技术增大输出功率。

本章着重讨论丙类谐振功率放大电路的工作原理、动态特性和电路组成。

同时简要介绍高频宽带功率放大电路和集成高频功率放大电路的一些实例。

4.2丙类谐振功率放大电路4.2.1 工作原理电路如图示：设输入信号是单频正弦波，输出回路调谐在输入信号的相同频率上。

则：U BE=V BB+Ub=V BB+U bm cosωtU CE =V CC +Uc=V CC -I c1m R Σcos ωt=V CC -Ucmcos ωt设集电极电源提供的直流功率P D ，谐振功放输出交流功率Po 、集电极效率η和集电极功耗P C 则: P D =V CC I C0P C =P D -Po说明：1、要增大P0，在 不变的情况下，需增大Ic1m ；当器件确定时，就是要增大输入信号振幅Ubm2、要提高效率，需增大Ic1m 或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗，通过降低静态工作点可以实现)。

由上知，增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。

图示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。

在甲类工作状态时，为保证不失真，必须满足Ic1m ≤IC0，又Ucm ≤VCC(忽略晶体管饱和压降)，所以可计算出，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:iC=IC0+Ic1mcos 2ω0t+Ic2mcos2ω0t+…由此 可求得在Ucm=VCC 时的最高效率%5.78412121≈=⋅=ππηcm cm I I ...2cos 32cos 21100+++t I t I I cm cm cm ωπωπ∑==R I U I P m C cm Cm 21012121CC co cm m c D V I U I P P 1021⋅==η∑R随着基极偏置电压VBB 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。

此时将晶体管特性曲线理想化，用折线来代替，称为折线近似分析法。

图示是将晶体管转移特性折线化，以此分析丙类工作状态。

由图可以得到iC 的分段表达式：i C= g(uBE-Uon) uBE ≥Uon0 uBE ＜Uon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2θ来表示，则称θ为导通角。

可见，0°≤θ≤180°在放大区，可得: iC=g(V BB +Ubmcosωt-Uon)当ωt=θ时，有 iC=0，此时可得:θ=arccos当ωt=0时，有 iC=Icm ，则此时可求得:从i C 的表达式可以看出，这是一个周期性的尖顶余弦脉冲函数，)cos (on bm BB c U t U V g i -+=∴ω⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-bm BB on U V U θcos 1-=cm bm I gU θθωωcos 1cos cos cos --=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=t I U V U t gU cm bm BB on bm因此可以用傅里叶级数展开，即iC=I C0+Ic1mcos ωt+Ic2mcos 2ωt+…+Icnmcos nωt+…。

若I Cm 固定， 则分解系数只是θ的函数， 通常表示为：I C0=I Cm α0(θ)、 Ic1m=I Cm α1(θ)、 Ic2m=I Cm α2(θ)、 …其中α0(θ)、α1(θ)、α2(θ)， …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。

图示为θ在0°～180°范围内的分解系数曲线和波形系数曲线。

波形系数：g1(θ)=若定义集电极电压利用系数 ，可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式:说明:1、由图可以看出，在回路等效总电阻R Σ和脉冲高度ICm 相同时，丙类的输出功率比甲类、甲乙类和乙类要小，但是丙类的集电极效率比它们都要高。

2、从上分析和图示情况知，导通角θ越小， g1越大，效率越高，但α1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θ。

一般以70°作为最佳导通角，此时的集电极效率可达到85.9%， 可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。

例3.1在图3.2.3中, 若Uon=0.6V ，g=10mA ／V ，ICm=20mA ，又VCC=12V ，求当θ分别为180°，90°和60°时的输出功率和相应的基极偏压VBB ，以及θ为60°时的集电极效率。

(忽略集电极饱和压降) )()(01θθa a ():10)(为θθθθ)cos 1(cos sin )(0θπθθθθα--=)cos 1(cos sin )(1θπθθθθα--=CC cm V U =ξ)(2121101θξηg V I U I CC c cm m c ==∑=R a I p cm )(212120θ解： 由α(θ)曲线可查得:α0(60°)=0.22，α1(180°)=α1(90°)=0.5，α1(60°)=0.38因为： U cm =V CC =12V所以：当甲类工作时(θ=180°)： Ic1m=0.5×20=10mA ，Po= ×10×12=60mW当乙类工作时(θ=90°)： Ic1m=0.5×20=10mA ， Po= ×10×12=60mW V BB =0.6V 当丙类工作时(θ=60°)： Ic1m=0.38×20=7.6mA ，Po= ×7.6×12=45.6mWIC0=0.22×20=4.4mA ， η= ×4.2.2 性能分析设输入是振幅为Ubm 的单频余弦信号，输出单频余弦信号的振幅为UcmuBE=VBB+ub=VBB+Ubmcos ωtuCE=VCC+uc=VCC-Ic1mR Σcos ωt=VCC-Ucmcos ωt又： iC= g(uBE-Uon) uBE ≥Uon0 uBE ＜Uon由上述公式知，当晶体管参数确定以后， Ucm 的大小与V BB 、V CC 、R Σ和Ubm 四个参数有关。

在输出特性图中，截止区和饱和区内的动态线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重6.1210206.02=⨯+=+=g I U U cm on BB 2121%8686.0124.4126.7==⨯⨯)cos 1(cos θθ-=g I U cm bm Θ)cos 1(cos cos θθθ--=-=∴g I U U U U cm on bm on BB V 4.1)60cos 1(1060cos 206.0-=--=οο2121合(其中临界饱和线斜率为gcr)，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 。

其表达式可用以下步骤求出：代入iC= g(uBE-Uo n)式，经整理可得：iC= -gd(uCE-V0)因为：Ic1m=ICm α1(θ)，1 负载特性V BB 、V CC 和U bm 三个参数固定，R Σ发生变化，动态线、Ucm 以及Po 、η等性能指标随之变化规律称为谐振功放的负载特性。

由图示知， VBB 和VCC固定意味着Q 点固定, Ubm 固定则θ也固定。

此时放大区动态线斜率1/Rd 将随R Σ而变化。

图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。

说明：1、动态线A1B1：斜率较大， R Σ较小，与特性曲线相交于放大区，此时输出电压振幅Ucm 较小，晶体管工作在放大区和截止区，其工作状态称为欠压状态。

此时输出功率和效率都比较低。

2、动态线A2B2：斜率较小， R Σ较大，与特性曲线相交于饱和Cm CE CC bm BB BE U u V U V u -+=Θbm cm on cm BB bm cc cm bm d U U U U V U V V U U g g -+==0,其中cm bm d U gU g =Θθcos 1-=cm bm I gU )cos 1(θ-=∴Cm cmd U I g m c cmI U R 1=∑∑-=-==∴R a I I I U g R cmm c m c cm d d )cos 1)(()cos 1(1111θθθ区和放大区的交点处,此时输出电压振幅Ucm比Ucm1增大，晶体管工作在临界点、放大区和截止区，其工作状态称为临界状态。

此时输出功率最大，效率也较高，称为最佳工作壮态。

3、动态线A3B3：斜率最小, RΣ最大，此时的输出电压振幅Ucm 比Ucm2略为增大, 晶体管工作在饱和区、放大区和截止区，其工作状态称过压状态。

此时负载变化时，输出电压比较平稳，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所减小。

另iC波形的顶部发生凹陷, 是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。

5、随着RΣ的逐渐增大, 动态线的斜率逐渐减小,晶体管工作状态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Po最大, 集电极效率η接近最大, 所以是最佳工作状态。

2 放大特性V BB、V CC、RΣ三个参数固定，输入Ubm变化，Ucm以及Po、η等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。

图示利用折线化转移特性给出了丙类工作时iC波形随Ubm变化的关系并给出了Ucm、Ic1m和Ic0与Ubm的关系曲线。

由于Ubm的变化导致θ的变化, 从而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化,说明：1、在欠压状态时，Ucm随Ubm增大而增大，同时θ也随之增大，使iC脉冲的宽度和高度都随之增大，其变化规律为非线性关系.2、当处于甲类或乙类工作状态时, θ固定为180°或90°，Ucm 不会随Ubm的变化而变化，此时Ucm与Ubm才成正比关系。