第四章 諧振功率放大器

第4章

諧振功率放大器4.1概述4.2諧振功率放大器的原理4.3晶體管線形分析放大器的折線近似分析法4.4諧振功率放大器電路4.5諧振功率放大器實例4.6晶體管倍頻器4.1概述1、使用高頻功率放大器的目的：放大高頻大信號使發(fā)射機(jī)末級獲得足夠大的發(fā)射功率。2、高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題？高效率輸出高功率輸出高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高。聯(lián)想對比：4.1概述（續(xù)）3、諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同之處。相同之處：它們放大的信號均為高頻信號，而且放大器的負(fù)載均為諧振回路。不同之處：激勵信號幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同；晶體管動態(tài)范圍不同。諧振功率放大器波形圖小信號諧振放大器波形圖圖4-1

小信號諧振放大器波形圖線性放大.swf4.1概述（續(xù)）4.1概述（續(xù)）圖4-2

諧振功率放大器波形圖負(fù)偏置.swf4.1概述（續(xù)）4、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同：共同之處都要求輸出功率大和效率高。功率放大器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量，能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號(信號的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(c＜90)，為了不失真的放大信號，它的負(fù)載必須是諧振回路。非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無調(diào)諧負(fù)載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載。集電極平均散功率：甲類50%乙類78%丙類100%集電極電流流通角的一半（c）稱為通角，根據(jù)通角大小的不同區(qū)分晶體管的工作狀態(tài)4.1概述—工作狀態(tài)

功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。高頻放大器工作狀態(tài)的劃分.swf諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率4.2諧振功率放大器工作原理1、原理電路諧振功率放大器的基本電路晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用。諧振回路LC是晶體管的負(fù)載電路工作在丙類工作狀態(tài)外部電路關(guān)系式：晶體管的內(nèi)部特性：4.2諧振功率放大器工作原理故晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線表達(dá)式：圖4－4諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線故得：必須強(qiáng)調(diào)指出，集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖如下頁的圖所示放大圖4－4諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線圖4-5高頻功率放大器中各分電壓與電流的關(guān)系圖4-5高頻功率放大器中各部分電壓與電流的關(guān)系當(dāng)晶體管由截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)電時，由于回路中電感L的電流不能突變，因此，輸出脈沖電流的大部分流過電容C，即使C充電。充電電壓的方向是下正上負(fù)。這時直流電源VCC給出的能量儲存在電容C之中。過了一段時間，當(dāng)電容兩端的電壓增大到一定程度(接近電源電壓)，晶體管截止。4.2諧振功率放大器工作原理圖4-6LC回路能量轉(zhuǎn)換過程回路的這種濾波作用也可從能量的觀點(diǎn)來解釋?；芈肥怯蒐、C二個儲能元件組成。由于這種周期性的能量補(bǔ)充，所以振蕩回路能維持振蕩。當(dāng)補(bǔ)充的能量與消耗的能量相等時，電路中就建立起動態(tài)平衡，因而維持了等幅的正弦波振蕩。4.2諧振功率放大器工作原理2、諧振功率放大器的功率關(guān)系和效率功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?。由前述所知：有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。P==直流電源供給的直流功率；Po=交流輸出信號功率；Pc=集電極耗散功率；根據(jù)能量守衡定理：故集電極效率：可見使ic在ec最低的時候才能通過，那么，集電極耗散功率自然會大為減小。4.2諧振功率放大器工作原理由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：1)設(shè)法盡量降低集電極耗散功率Pc，則集電極效率c自然會提高。這樣，在給定P=時，晶體管的交流輸出功率Po就會增大；2）由式可知如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過規(guī)定值，那么提高集電極效率c，將使交流輸出功率Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。如何減小集電極耗散功率Pc呢？晶體管集電極平均耗散功率：4.2諧振功率放大器工作原理故：要想獲得高的集電極效率，諧振功率放大器的集電極電流應(yīng)該是脈沖狀。導(dǎo)通角小于180，處于丙類工作狀態(tài)。諧振功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)時c＜90，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級數(shù)：直流功率：輸出交流功率：Vcm回路兩端的基頻電壓幅值Icm1基頻電流幅值Rp回路的諧振阻抗。4.2諧振功率放大器工作原理放大器的集電極效率：波形系數(shù)，通角c的函數(shù)；c越小g1(c)越大集電極電壓利用系數(shù)；越大(即Vcm越大或ecmin越小)，c越小，效率c越高。因此，丙類諧振功率放大器提高效率c的途徑即為減小c角；使LC回路諧振在信號的基頻上，即ic的最大值應(yīng)對應(yīng)ec的最小值?；鶚O偏置為負(fù)值；半通角c＜90，即丙類工作狀態(tài)；負(fù)載為LC諧振回路。故諧振功率放大器的工作特點(diǎn)：4.3諧振功率放大器的折線近似分析法一、折線法工程上都采用近似估算和實驗調(diào)整相結(jié)合的方法對高頻功率放大器進(jìn)行分析和計算。折線法就是常用的一種分析法。所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進(jìn)行分析和計算的方法。對諧振功率放大器進(jìn)行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0和基頻分量Icm1。折線近似分析法條件：1.輸入輸出回路（或濾波網(wǎng)絡(luò)）具有理想濾波特性。晶體管基極－發(fā)射極間電壓和集電極－發(fā)射極間電壓仍是余弦波形且相位相反。2.忽略晶體管的高頻效應(yīng)。功率晶體管在工作頻率下呈非線性電阻特性，管子的極間電容和引線電感等影響可忽略不計，功率晶體管的靜態(tài)伏安特性可以代表它在工作頻率下的特性。eb=–|VBB|+Vbmcostec=VCC–Vcmcost3.大信號激勵下功率晶體管的靜態(tài)伏安特性可近似用折線表示轉(zhuǎn)移特性三極管的三種狀態(tài)電路工作特點(diǎn)如下：1）截止?fàn)顟B(tài)：uB＜0，兩個PN結(jié)均為反偏，iB≈0,iC≈0,uCE≈UCC。三極管呈現(xiàn)高阻抗，類似于開關(guān)斷開。2）放大狀態(tài)：uB＞0，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iC=βiB。3）飽和狀態(tài)：uB＞0，兩個PN結(jié)均為正偏，iB≥IBS(基極臨界飽和電流)≈UCC/βRc,此時iC=ICS(集電極飽和電流)≈UCC/Rc。三極管呈現(xiàn)低阻抗，類似于開關(guān)接通。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法一、折線法折線分析法的主要步驟：1、測出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線ic~eb及輸出特性曲線ic~ec，并將這兩組曲線作理想折線化處理；2、作出動態(tài)特性曲線；3、是根據(jù)激勵電壓vb的大小在已知理想特性曲線上畫出對應(yīng)電流脈沖ic和輸出電壓vc的波形；4、求出ic的各次諧波分量Ic0、Ic1、Ic2……由給定的負(fù)載諧振阻抗的大小，即可求得放大器的輸出電壓、輸出功率、直流供給功率、效率等指標(biāo)。由圖5-7(b)可見，在飽和區(qū)，根據(jù)理想化原理，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關(guān)。在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。若臨界線的斜率為gcr，則臨界線方程可寫為

ic=gcrec根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線圖5-7晶體管實際特性和理想折線則ic=gc(eb–VBZ)(eb＞VBZ)

4.3諧振功率放大器的折線近似分析法二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線由圖5-7(b)可見，在飽和區(qū)，根據(jù)理想化原理，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關(guān)。在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線若臨界線的斜率為gcr，則臨界線方程可寫為

ic=gcrec根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。晶體管折線化轉(zhuǎn)移特性可表示為：式中4.3諧振功率放大器的折線近似分析法三、集電極余弦電流脈沖的分解當(dāng)晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。圖4-8尖頂余弦脈沖晶體管的內(nèi)部特性為它的外部電路關(guān)系式當(dāng)

t=0時，ic=icmaxic=gc(eb–VBZ)eb=–VBB+Vbmcostec=VCC–Vcmcost因此

icmax=gcVbm(1–cosc)t=0時，ic=icmax

icmax=gcVbm(1–cosc)cc4.3諧振功率放大器的折線近似分析法若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得其中：圖4-9尖頂脈沖的分解系數(shù)圖4-9尖頂脈沖的分解系數(shù)4.3諧振功率放大器的折線近似分析法當(dāng)c≈120時，Icm1/icmax達(dá)到最大值。在Icmax與負(fù)載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達(dá)到最大值。這樣看來，取c=120應(yīng)該是最佳通角了。但此時放大器處于甲級工作狀態(tài)，效率太低。右圖可見：圖4-9尖頂脈沖的分解系數(shù)4.3諧振功率放大器的折線近似分析法由于：－波形系數(shù)由曲線可知：極端情況c=0時，此時=1，c可達(dá)100%因此，為了兼顧功率與效率，最佳通角取70左右。四、諧振功率放大器的動態(tài)特性與負(fù)載特性4.3諧振功率放大器的折線近似分析法1.諧振功率放大器的動態(tài)特性2.諧振功率放大器的負(fù)載特性4.3諧振功率放大器的折線近似分析法1.諧振功率放大器的動態(tài)特性高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。如果VCC、VBB、vb3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時，它的外部電路關(guān)系式為4.3諧振功率放大器的折線近似分析法eb=–VBB+Vbmcost

ec=VCC–Vcmcost消去cost可得：eb=–VBB+Vbm另一方面，晶體管的折線化方程為ic=gc(eb–VBZ)得出在ic–ec坐標(biāo)平面上的動態(tài)特性曲線(負(fù)載線或工作路)方程：=gd(ec–V0)諧振功率放大器的計算gdV04.3諧振功率放大器的折線近似分析法圖中示出動態(tài)特性曲線的斜率為負(fù)值，它的物理意義是：從負(fù)載方面看來，放大器相當(dāng)于一個負(fù)電阻，亦即它相當(dāng)于交流電能發(fā)生器，可以輸出電能至負(fù)載。用類似的方法，可得出在ic–eb坐標(biāo)平面的動態(tài)特性曲線。圖4-11電壓、電流隨負(fù)載變化波形圖4-11電壓、電流隨負(fù)載變化波形4.3諧振功率放大器的折線近似分析法2.功率放大器的負(fù)載特性：1)vc、ic隨負(fù)載變化的波形vc、ic隨負(fù)載變化的波形如圖5-11所示，放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbemax，在負(fù)載電阻RP由小至大變化時，負(fù)載線的斜率由小變大，如圖中123。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的，所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。動特性_工作狀態(tài).swf圖4-11電壓、電流隨負(fù)載變化波形4.2.3諧振功率放大器的折線近似分析法2)欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)①欠壓狀態(tài)B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。②臨界狀態(tài)負(fù)載線和ebmax正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。③過壓狀態(tài)放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。圖4-11電壓、電流隨負(fù)載變化波形4.2.3諧振功率放大器的折線近似分析法2)欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)①欠壓狀態(tài)B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。②臨界狀態(tài)負(fù)載線和ebmax正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。③過壓狀態(tài)放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線4.3諧振功率放大器的折線近似分析法圖4-12負(fù)載特性曲線

放大器的負(fù)載特性.swf臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機(jī)的末級常設(shè)計成這種狀態(tài)，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態(tài)為例。過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。掌握負(fù)載特性，對分析集電極調(diào)幅電路、基極調(diào)幅電路的工作原理，對實際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標(biāo)是很有幫助的。4.2.3諧振功率放大器的折線近似分析法臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機(jī)的末級常設(shè)計成這種狀態(tài)，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態(tài)為例。過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。掌握負(fù)載特性，對分析集電極調(diào)幅電路、基極調(diào)幅電路的工作原理，對實際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標(biāo)是很有幫助的。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法五、放大器工作狀態(tài)及導(dǎo)通角的調(diào)整1.導(dǎo)通角c的調(diào)整由若保持Vb不變，增大偏置VBB；或保持VBB不變，增大激勵電壓振幅Vb；或同時增大VBB和Vb，這三種情況均可使導(dǎo)通角c增大。若相反，則可使c減小。但是采取上述三種方法中的任一個方法，當(dāng)c增大時，ic脈沖電流的振幅Im會加大，輸出功率Po當(dāng)然也會加大，而當(dāng)c減小時，Im和Po均將減小。有時希望增大c，但要保持Im不變，則應(yīng)在增加VBB的同時，適當(dāng)減小激勵Vb。

icmax=gcVbm(1–cosc)4.3諧振功率放大器的折線近似分析法五、放大器工作狀態(tài)及導(dǎo)通角的調(diào)整2.欠壓、臨界、過壓工作狀態(tài)的調(diào)整調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵Vb。(1)改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變當(dāng)負(fù)載電阻Rp由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法(2)改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變當(dāng)集電極供電電壓VCC由大至小變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。Vcc_工作狀態(tài).swf圖4-13VCC變化時對工作狀態(tài)的影響在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。放大4.3諧振功率放大器的折線近似分析法在過壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實現(xiàn)提供依據(jù)；因為在集電極調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實現(xiàn)調(diào)幅過程的。改變VCC時，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如上圖所示。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法(3)Vbm變化，但VCC、VBB、Rp不變或VBB變化，但VCC、Vb、Rp不變這兩種情況所引起放大器工作狀態(tài)的變化是相同的。因為無論是Vbm還是VBB的變化，其結(jié)果都是引起eb的變化。eb=-VBB+Vbmcost

ebmax=VBB+Vbm當(dāng)VBB或Vbm由小到大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。4.3諧振功率放大器的折線近似分析法圖4-16Vbm變化時電流、功率的變化六、諧振功率放大器的計算（以臨界狀態(tài)為例）諧振功率放大器的主要指標(biāo)是功率和效率。1)首先要求得集電極電流脈沖的兩個主要參量icmax和c導(dǎo)通角c集電極電流脈沖幅值Icm2)電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)0(c)、1(c)、…、n(c)可查表(p235-240)求得，并求得個分量的實際值。3)諧振功率放大器的功率和效率直流功率交流輸出功率集電極效率P==Ic0VCC4.3諧振功率放大器的折線近似分析法4)根據(jù)可求得最佳負(fù)載電阻在臨界工作時，接近于1，作為工作估算，可設(shè)定=1?！白罴选钡暮x在于采用這一負(fù)載值時，調(diào)諧功率放大器的效率較高，輸出功率較大。可以證明，放大器所要求的最佳負(fù)載是隨導(dǎo)通角c改變而變化的。c小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳負(fù)載電阻值。在實際電路中，放大器所要求的最佳電阻需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)和終端負(fù)載(如天線等)相匹配。4.4晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)一、概述用折線法分析高頻功率放大器時要引入相當(dāng)?shù)恼`差，低頻時誤差還是允許的。但隨著工作頻率的提高，由于晶體管的高頻特性及大信號的注入效應(yīng)而引入的誤差將更大，嚴(yán)重時，使放大器無法工作。一方面應(yīng)該考慮晶體管基區(qū)少數(shù)載流子的渡越時間、晶體管的體電阻(特別是rbb的影響)。飽和壓降及引線電感等因素的影響；另一方面，功率放大管基本工作在大信號，即大注入條件下，必須考慮大注入所引起的基極電流和飽和壓降增加的影響。上述的這些影響都會使放大器的功率增益、最大輸出功率及效率的急驟下降。4.4晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)二、基區(qū)渡越時間的影響在高頻小信號工作時，渡越角是以擴(kuò)散電容的形式來表示基區(qū)渡越時間的影響的，由于信號的幅度小結(jié)電容可等效成線性的。而在大信號高頻工作時，必須考慮其非線性特性。通過實驗，可以用示波器觀察功率放大器放大管各極電流波形隨工作頻率變化而變化的情況。圖3-18高頻情況下功放管

各電極電流波形4.4晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)在工作頻率很高，渡越角在0=10~20時，功放管各電極電流的變化情況：(1)發(fā)射極電流ie隨著工作頻率提高，存貯在基區(qū)中的載流子由于輸入信號vb迅速向負(fù)極性變化而返回發(fā)射極，因而ie出現(xiàn)反向脈沖，使管子的導(dǎo)通角加大，工作頻率越高，ie反向脈沖的寬度就越大，幅值也越南高，導(dǎo)通角也越擴(kuò)展。(2)集電極電流ic

ic的峰值滯后于ie的峰值，二者差一渡越角0，ic的導(dǎo)通角也由低頻時的c增大到：c+20(3)基極電流ib由于ie出現(xiàn)反向脈沖，根據(jù)ib=ie–ic，所以ib也出現(xiàn)反向電流脈沖，反向電流的出現(xiàn)，使其基波分量Ib1大大增加，Ib1的增加將提高了對激勵功率的要求。上述分析表明，ic的導(dǎo)通角加大，將使功率管的效率大大降低；Ib1的加大將使激勵功率增加，這會使放大器的功率增益降低，這種現(xiàn)象將隨工作頻率升高而加劇。圖4-18高頻情況下功放管

各電極電流波形(1)發(fā)射極電流ie隨著工作頻率提高，存貯在基區(qū)中的載流子由于輸入信號vb迅速向負(fù)極性變化而返回發(fā)射極，因而ie出現(xiàn)反向脈沖，使管子的導(dǎo)通角加大，工作頻率越高，ie反向脈沖的寬度就越大，幅值也越南高，導(dǎo)通角也越擴(kuò)展。(2)集電極電流ic

ic的峰值滯后于ie的峰值，二者差一渡越角0，ic的導(dǎo)通角也由低頻時的c增大到：c+20(3)基極電流ib由于ie出現(xiàn)反向脈沖，根據(jù)ib=ie–ic，所以ib也出現(xiàn)反向電流脈沖，反向電流的出現(xiàn)，使其基波分量Ib1大大增加，Ib1的增加將提高了對激勵功率的要求。上述分析表明，ic的導(dǎo)通角加大，將使功率管的效率大大降低；Ib1的加大將使激勵功率增加，這會使放大器的功率增益降低，這種現(xiàn)象將隨工作頻率升高而加劇。4.4晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)三、晶體管基極體電阻rbb的影響當(dāng)頻率增高時，已經(jīng)證明基極電流的基波振值Ib1是迅速增加的，這表明b–e間呈現(xiàn)的交流阻抗顯著減小，因此rbb的影響便相對增加，要求的激勵功率將更大，這會使功率增益進(jìn)一步減小。4.4晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)四、飽和壓降Vces大信號注入時，功率管的飽和壓降將增大，在高頻工作時，集電極體電阻也要提高，致使飽和壓降進(jìn)一步增加。例如:當(dāng)f=30MHz時，實測某管的Vces=1.5V，當(dāng)f=200MHz時，Vces則可大到3.5V。Vces的增加，會使功率放大器的輸出功率、效率、功率增益均減少。4.4晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)五、引線電感的影響在更高頻率工作時，要考慮管子各電極引線電感的影響，其中以發(fā)射極的引線電感影響最嚴(yán)重，因為它能使輸出輸入電路之間產(chǎn)生寄生耦合。一般長度為10mm的引線，其電感約為10–3H，在工作頻率為300MHz時，感抗值約為1.9，若通過1A高頻電流，則會在此感抗上產(chǎn)生約1.9V的負(fù)反饋電壓。這種負(fù)反饋當(dāng)然會使輸出功率及功率增益下降，并使激勵增加。4.5諧振功率放大器電路一、直流饋電電路二、輸出回路和級間耦合回路集電極饋電電路基極饋電電路級間耦合網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)4.5諧振功率放大器電路1.集電極饋電電路根據(jù)直流電源連接方式的不同，集電極饋電電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種。C(a)

串饋(b)

并饋LCC1LC+VCCALCCC1+VCCL2(1)串饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。C1、LC為低通濾波電路，A點(diǎn)為高頻地電位，既阻止電源VCC中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號在LC負(fù)載回路以外不必要的損耗。C1、LC的選取原則為1/LC＜回路阻抗1/10

LC＞1/c10(2)并饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖LC為高頻扼流圈，C1為高頻旁路電容，C2為隔直流通高頻電容，LC、C1、C2的選取原則與串饋電路基本相同。(3)串并饋直流供電路的優(yōu)缺點(diǎn)在并饋電路中，信號回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路安裝比較方便，調(diào)諧電容C上無高壓，安全可靠；缺點(diǎn)是在并饋電路中，LC處于高頻高電位上，它對地的分布電容較大，將會直接影響回路諧振頻率的穩(wěn)定性；串聯(lián)電路的特點(diǎn)正好與并饋電路相反。1.集電極饋電電路串饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。C1、LC為低通濾波電路，A點(diǎn)為高頻地電位，既阻止電源VCC中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號在LC負(fù)載回路以外不必要的損耗。C1、LC的選取原則為

1/LC＜回路阻抗1/10

LC＞1/c10(2)并饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖LC為高頻扼流圈，C1為高頻旁路電容，C2為隔直流通高頻電容，LC、C1、C2的選取原則與串饋電路基本相同。(3)串并饋直流供電路的優(yōu)缺點(diǎn)在并饋電路中，信號回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路安裝比較方便，調(diào)諧電容C上無高壓，安全可靠；缺點(diǎn)是在并饋電路中，LC處于高頻高電位上，它對地的分布電容較大，將會直接影響回路諧振頻率的穩(wěn)定性；串聯(lián)電路的特點(diǎn)正好與并饋電路相反。1.集電極饋電電路4.5諧振功率放大器電路2.基極饋電電路基極饋電電路也分串饋和并饋兩種?；鶚O偏置電壓VBB可以單獨(dú)由穩(wěn)壓電源供給，也可以由集電極電源VCC分壓供給。在功放級輸出功率大于1W時，基極偏置常采用自給偏置電路。4.5諧振功率放大器電路1.級間耦合網(wǎng)絡(luò)多級功放中間級的一個很大問題是后級放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個變化反映到前級回路，會使前級放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。此時，若前級原來工作在欠壓狀態(tài)，則由于負(fù)載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。對于中間級而言，最主要的是應(yīng)該保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級功放穩(wěn)定的激勵電壓，而效率則降為次要問題。對于中間級應(yīng)采取如下措施：第一，使中間級放大器工作于過壓狀態(tài)，使它近似為一個恒壓源。第二，降低級間耦合回路的效率?；芈沸式档秃?，其本身的損耗加大。這樣下級輸入阻抗的變化相對于回路本身的損耗而言就不顯得重要了。中間級耦合回路的效率一般為k=0.1~0.5，平均在0.3上下。也就是說，中間級的輸出功率應(yīng)為后一級所需激勵功率的3~10倍。1.級間耦合網(wǎng)絡(luò)多級功放中間級的一個很大問題是后級放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個變化反映到前級回路，會使前級放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。此時，若前級原來工作在欠壓狀態(tài)，則由于負(fù)載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。對于中間級而言，最主要的是應(yīng)該保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級功放穩(wěn)定的激勵電壓，而效率則降為次要問題。4.5諧振功率放大器電路2.輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)常常是指設(shè)備中末級功放與天線或其他負(fù)載間的網(wǎng)絡(luò)，這種匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、型、T型網(wǎng)絡(luò)及由它們組成的多級網(wǎng)絡(luò)，也有用雙調(diào)諧耦合回路的。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能與要求是匹配、濾波和高效率。高頻調(diào)諧功率放大器的阻抗匹配就是在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，將負(fù)載阻抗ZL轉(zhuǎn)換