高频电子线路高频功率放大器

3.3.1谐振功率放大器的工作状态与负载特性
1.高频功放的动态特性 动态特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时，晶体 管集电极电流ic与电极电压uBE或uCE的关系曲线，它在iC~uBE 或iC~uCE坐标系统中是一条曲线。其作法与小信号放大器不 同。当晶体管的特性用折线近似时，动态特性曲线即为直线。 据式（3.11）
g cU im iCmax 2 U cm U cm (1 cos ) Re (2 sin2 )
动态特性不仅与Re有关，而且与 有关。
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图3.6 高频谐振功率放大器的动特性曲线
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2.谐振功率放大器的工作状态 由图3.6可知，若改变电路参数，瞬时工作点 A(uBEmax , uCEmin ) 的位置可能发生移动。因此，根据A点的位置不同，谐振功率 放大器有欠压、临界和过压三种工作状态。
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3.2.3 输出功率与效率
放大器输出的交流功率等于集电极基波电流分量在负 载Re上的平均功率，即：
2 U cm 1 1 2 Po I c1mU cm I c1m Re 2 2 2Re
（3.21）
电源输入的直流功率PD等于集电极直流分量IC0与VCC的乘 积，即： （3.22） PD I C0 VCC
（a）脉冲形状变化 （b）集电极调制特性 图3.10 对放大器工作状态的影响
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图3.11 集电极调幅电路
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3.3.3 Uim和VBB对放大器工作状态的影响
1.U im 对放大器工作状态的影响
（a）iC脉冲形状变化 （b）放大特性 图3.12 对放大器工作状态的影响
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2. V BB 对放大器工作状态的影响
Uim cos VBZ VBB
cos VBZ VBB U im
（3.10）
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需要注意的是，VBB可正可负，即
VBZ V BB 的长度。将 u
3.4中 （VBZ VBB 就是图 )
BE代入式（3.7），并利用式（3.10）可得：
iC gc (uBE VBZ ) g c (VBB U im cost VBZ )
（3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6）
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iC I C0 I c1m cost I c2m cos2t ... I cnm cosnt ...
uc I c1m Re cost Ucm cost
Ucm I c1m Re
u CE VCC u c VCC Ucm cost
， 1 (70 ) 0.436 解：由图可查得 0 (70 ) 0.253
因此由式(3.15) 可求得 由式(3.17) 可求得 由式(3.21) 可求得 由式(3.22) 可求得 由式(3.23) 可求得 由式(3.24) 可求得 由式(3.5) 可求得
iC max
Ic0 100 395 mA 0 (70) 0.253
gc Uim (cost cos )
iC 0
uBE VBZ
uBE VBZ
（3.11） （3.12）
由图3.4可见，当 t= 0时，iC = iCmax，由式（3.11）可得：
iCmax gc Uim (1 cos )
g c U
1

C
cost dt
cost cos i Cmax cost dt (1 cos ) 1 sin cos i Cmax (1 cos ) 1

iCmax 1 ( )

1 sin cos i Cmax (1 cos )
i Cmax 0 ( )
1 sin cos 0 ( ) (1 cos )
（3.15） （3.16）
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同理，
I c1m
i
式中，gc为折线化转移特性曲线的斜率。输入回路和输出 回路可以重新写为： （3.8）
u BE VBB U im cost
u CE VCC Ucm cost
（3.9）
定义一个周期内导通角度的1/2为导通角（见图 3.4）。由图所示的几何关系，即当 t= 时，iC=0，可 以写出：
（a）iC脉冲形状变化 （b）基极调制特性 图3.13 对放大器工作状态的影响
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图3.14基极调制电路 例3.2某谐振功放工作在过压状态，现欲将它调整到临界状态，应改 变哪些参数？不同的调整方法所得到的输出功率是否相同？
解： 减小RP（如图3.9），或增大VCC（如图3.10），或减小VBB，减小Uim （如图3.12~3.13）；或综合调节。不同的调整方法所得到的输出功率不相同。
第 3 章 高频功率放大器电路
内 容
3.1 高频功率放大器概述
3.2 谐振功率放大器的工作原理
3.3 谐振功率放大器的特性分析
3.4 谐振功率放大器电路与设计 3.5 丁类和戊类谐振功率放大器 3.6 集成射频功率放大器及其应用简介 3.7 宽带高频功率放大器
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3.1 高频功率放大器概述
高频功率放大器是各种无线电发射机的重要组成部分， 主要用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大
iCmax n ( )
（3.19） （3.20）
2 sinn cos ncosn sin n ( ) n(n 2 1)(1 cos )
( ) 称为余弦脉冲电流分解系数，其大小是 式中， 导通角 的函数。
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图3.5 余弦脉冲电流分解系数
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这样，
cost cos i C i Cmax (1 cos )
iC 0
uBE VBZ
uBE VBZ
（3.13）
式（3.13）是以 和iCmax为自变量的iC的表达式。上式实 质上就是式（3.3）尖顶电流脉冲的数学表达式，利用傅 立叶级数可展开为：
iC I C0 I cnm cos nt
图3.9谐振功率放大器的负载特性
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临界状态对应的负载电阻称为匹配负载，用 工程上
Reopt 可以根据所需输出信号功率
Reopt
2 1 U cm 1 VCC U CES 2 Po 2 Po
Reopt 表示。
P 由下式近似确定 o


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其中， U CES 为集电极饱和压降。
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3.3.2 VCC对放大器工作状态的影响
图3.1 高频谐振功率放大器原理电路图
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设输入信号 ui Uim cost ，从图3.1(c)电路可见，晶 体管基极与发射机之间的电压为：
u BE VBB u i VBB U im cost
（3.1）
VBB本身包含正负号。晶体管集电极与发射极之间 的电压为：
u CE VCC u c
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iC g c (VBB U im cost VBZ )
又根据 uCE VCC U cm cost 可得
VCC uCE cost U cm V uCE iC g c (VBB U im CC VBZ ) U cm
（3.25）
由上式可知，iC与uCE是直线关系，两点决定一条直线， 因此只要在输出特性上求出谐振功率放大器的两个瞬时工 作点，它们的连线就是晶体管放大区的动特性曲线。 在A点没有进入饱和区时，动态特性曲线的斜率为：

其输出功率小到几毫瓦，大到几百瓦，上千瓦，甚至兆 瓦量级。

在高频功率放大领域内扮演重要角色的是高频谐振功率 放大器。

本章主要介绍高频谐振功放的基本原理、动态特性、功 率和效率等指标和高频谐振功放电路的实际设计，并简要介 绍了集成和宽带高频功放与有关技术。

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3.2 谐振功率放大器的工作原理
3.2.1 基本工作原理
Re
Po 2.4 80% PD 0.1 30
U cm 28 163 Ω I c1m 0.172
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3.3谐振功率放大器的特性分析
谐振功率放大器的输出功率、效率及集电极耗散等都 与集电极负载回路的谐振阻抗、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密切相关。为了得 到大功率、高效率的输出，必须对谐振功率放大器的工 作状态进行分析。
1 sin cos 1 ( ) (1 cos )
（3.17） （3.18）
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一般情况下，
I cnm
i

1

C
cosntdt
2 sinn cos ncosn sin iCmax 2 n ( n 1 )( 1 cos )
I c1m iC max1 (70) 395 0.436 172 mA
P o
1 1 Ic1mUcm 0.172 28 2.4 W 2 2
PD I C0 VCC 0.1 30 3 W
PC PD - Po 3 - 2.4 0.6 W
C
图3.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形
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3.负载特性 负载特性是指当保 持晶体管及VCC、 VBB、Uim不变时， 改变负载电阻Re， 谐振功率放大器的 电流IC0、Ic1m，输出 电压Ucm，输出功率 P0，集电极耗散PC， 电源功率PD及集电 极效率C随之变化 的曲线。
图3.8 电流波形随变化的特性 三种状态下的动特性及集电极电流波形
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3.4谐振功率放大器电路与设计
前面，我们对谐振功率放大器的原理电路进行了分析， 但实际的谐振功率放大器电路，往往要比原理电路复杂得 多。它通常包括直流馈电（包括集电极馈电和基极馈电） 和匹配网络（包括输入匹配网络和输出匹配网络）两个部 分，现分别介绍如下。