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1、第6章 高频功率放大电路,在高频电子技术中，需要对高频信号进行功率放大，如在无线电信号发射过程中，发射机里的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中级放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上发射出去。高频功率放大电路是所有无线电信号发射装置的重要组成部分。,6.1 高频功率放大概述,功率放大属于能量转换电路，它把电源所提供的直流功率转换成被放大信号的交流功率，在这个转换过程中必须满足如下要求。 1、较大的输出功率 2、较高的转换效率 3、较小的非线性失真,高频功率放大电路,因为工作频率很高，相对频带却很窄，因此一般都采用选频网络作为
2、负载回路，工作状态选用丙类、丁类。对于需要在很宽的范围内变换工作频率的情况，还可采用宽带高频功率放大电路，它不采用选频网络作负载，而是以频率响应很宽的传输线变压器作负载。由于受功放管的限制，单个功率放大电路输出功率是有限的，在大功率无线电信号发射装置中，采用功率合成技术来增大输出功率。 本章重点讨论丙类谐振高频功率放大电路，其次介绍丁类高频功率放大电路，宽带高频功率放大电路和功率合成电路。另外，晶体管倍频器的工作原理和分析方法类似于高频谐振功率放大电路，故亦在本章讨论。,2.丙类谐振功率放大电路的特点 这里丙类是指按导通角的大小对放大器工作状态的分类，180为甲类，90为乙类，90为丙类。对应
3、的工作电流波形如图6-1所示。,图6-1 甲、乙、丙三种工作状态下晶体管集电极电流和电压的波形,图6-2 丙类谐振功率放大电路,图6-4 丙类谐振功率放大电路中电压和电流的波形,图6-5 尖顶余弦脉冲的分解系数与波形系数,根据图中所示，当=0时，g1（） =2达到最大值。如果值接近1，那么效率几乎可达100%。虽然这时效率最高，但=0，输出功率等于零，显然并非理想工作状态。从1（）曲线看，当120。 时，成分达到最大值，意味着输出功率最大，但g1（） 1.3，65%，变换效率较低，因此兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。 从图6-5还可以看出，当=60时，2达到最大值；当=40时，3达到最大值
4、，这些数值是后面设计倍频器的参考值。,图6-12 谐振功率放大电路的测试电路,（2）若输入信号振幅增加一倍，则根据功放的振幅特性，放大器将工作到过压状态，此时输出功率基本不变。 （3）若负载电阻增加一倍，则根据功放的负载特性，放大器工作到过压状态，此时输出功率约为原来的一半。 （4）若回路失谐，则功率放大器将工作到欠压状态，此时集电极损耗将增加，有可能烧坏晶体晶体管。,（1）集电极馈电电路 图6-15是集电极馈电电路的两种形式：串联馈电电路和并联馈电电路，简称串馈和并馈。所谓串馈，指电子元件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的，图6-15a所示集电极电流的直流成分从UCC正端流出，经扼流圈L
5、B和回路电感L流入集电极，然后经发射极回到电源负端。从发射极出来的高频电流经过旁路电容CB和谐振回路再回到集电极。LB的作用是阻止高频电流流过电源，因为电源总有内阻，所以高频电流流过电源会损耗功率，而大多数放大器共用电源时，会产生不希望的寄生反馈。CB的作用是提供交流通路，CB的值应使它的阻抗远小于回路高频阻抗。,图6-15 集电极馈电电路的两种形式,图6-15b中晶体管、电源 、谐振回路三者是并联连接的，故称为并联馈电电路。图中晶体管、直流电源和扼流圈组成直流通道，谐振网络、电容C B 和晶体管组成交流通道，电容CB1 是为了避免高频成分通过电源而设置的旁路。 串联馈电的优点是UCC、LB、
6、CB处于高频地电位，分布电容不易影响回路；并联馈电的优点是回路一端处于直流地电位，回路L、C一端可以接地，安装方便。但无论何种馈电形式均有uCE=UCC-uC 。 （2）基极馈电电路 基极馈电电路也有串联和并联两种形式。图6-16给出了几种基极馈电形式，基极的负偏压既可以是外加的，也可以是基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。前者称为固定偏压，后者称为自给偏压。图6-16a是发射极自给偏压，CE 为旁路电容；图6-16b为基极组合偏压；图6-16c为零偏压。自给偏压的优点是偏压能随激励大小而变化，工作较稳定。,图6-16 基极馈电线路的几种形式,图6-18 L型匹配网络,图6-21 互感耦
7、合输出回路,6.3丁类高频功率放大电路 前已说明，高频功率放大的主要任务是完成功率变换，在这个过程应努力设法提高变换效率和输出功率，以便减小功率损耗。为此目的，便有丁类放大电路的出现。丁类放大电路中，晶体管处于开关状态。当晶体管饱和导通时，集电极-发射极之间电压为饱和压降，即UCES0；当晶体管截止时，流过晶体管集电极的电流iC=0。因为晶体管集电极的瞬时损耗功率等于集电极瞬时电流 iC和集电极-发射极之间瞬时电压uCE的乘积，因此理想情况下，晶体管丁类高频功放电路的效率可达100%。晶体管丁类放大电路都是由两个晶体管组成，它们轮流导通来完成功率放大任务。输入信号可以是正弦信号，也可以是方波信
8、号。丁类放大电路有电流开关型和电压开关型两种电路。 6.3.1 电流开关型功率放大电路 在电流开关型电路中，电源通过一个大电感L，供给一个恒定电流IC0。两个晶体管轮流饱和导通，因而回路中的电流方向也随之轮流变换，如图6-23所示。每管的电流波形都是矩形脉冲。,图6-23 电流开关型功率放大电路原理图,6.3.2电压开关型功率放大电路 在图6-25所示的电压开关型电路中，两晶体管是与电源电压UCC串联的。当上面的晶体管导通时，下面的晶体管截止，A点对地电压UA=UCC-UCES；当上面的晶体管截止时，下面的晶体管导通，UA=UCES。因而A点的电压为矩形波，其幅值等于UCC-2UCES，它的基
9、波电压振幅等于2（UCC-2UCES ）/。,图6-25 电压开关型功率放大电路原理图,6.4宽带高频功率放大电路 前面所讨论的丙类、丁类高频功率放大电路都是以LC谐振回路作为负载，其相对频带宽度比较小，通常称为窄带高频功率放大器，它适用于固定频率或者频率变化较小的信号处理。在多频道通信系统及频段通信系统中，一般采用宽频带功率放大电路，它不需要调谐回路，以非调谐宽带网络作为输出匹配网络，能在很宽的波段范围内对载波或已调波信号进行线性放大，但是此类放大电路工作效率较低（20%左右）。实际上此类放大电路是以低效率换取宽频带的。因此，一般来说，宽带功率放大电路适用于中、小功率级。对于大功率设备来说，
10、可以采用宽带功放作为推动级。常用的宽带匹配网络是宽带变压器，宽带变压器有两种形式：高频变压器。常用的传输线变压器（transmission line transformer）。后者可使放大电路的最高工作频率扩展到几百兆赫兹甚至上千兆赫兹，并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度，在改变工作频率时不需要重新调谐。现在也有采用共射-共基级联电路来实现宽带功率放大的。,由于高频变压器仍然用的是普通变压器的工作方式，因而线圈漏感与分布电容将限制它工作在更高的频率。 6.4.2传输线变压器的性能和匹配电路 传输线变压器是用传输线（双导线或同轴电缆）在高磁导率、低损耗的磁心上绕制的变压器。图6-27表示1:1倒相
11、传输线变压器的结构及相应的传输线和变压器两种工作方式。,图6-27 11倒相传输线变压器,图6-27 传输线及其等效电路,图6-29 41和14的传输线变压器电路,图6-30 宽频带传输线变压器耦合放大电路,6.4.3 共射-共基级联宽频带高频功率放大器 晶体管的共射共基级联电路在第3章已有介绍，晶体管共射共基级联电路作为小信号放大器时，具有工作稳定性好、增益高和高频特性好的特点，这些特点也是宽频带高频功率放大器所需要的，因此中小功率的宽频带高频功率放大器也常采用共射-共基级联电路。 如多频彩色显示器的视频输出电路既有采用分立元件共射-共基级联电路的，也有采用集成电路（内部是共射-共基级联电路
12、）的。多频彩色显示器的视频输出电路要推动彩色显像管工作，输出功率较大，视频信号的带宽达到几十兆赫兹，属于宽频带高频功率放大器。,但共基极电路增益低，不能满足视频输出要求。因此只有采用共射-共基级联放大电路才能满足视频放大器的要求，级联放大器具有两个放大器的优点，有较高的电压增益、功率增益和较宽的通频带，因而在很多显示器上采用。这种共射-共基接法放大电路对视放管的要求是：共发射极接法的视放管应选用特征频率高（500MHz以上）的晶体管，反向击穿电压可低一些（反向击穿电压为40V即可），共基极接法的视放管应选用反向击穿电压高（应大于160V）的晶体管，特征频率可低一些（200MHz，大于3倍工作频
13、率即可）。 为了增强共射-共基级联放大器的驱动能力，彩色显示器视频输出常采用射极跟随器输出。射极跟随器又有单管和互补对称双管两种，近期生产的数控彩色显示器视频输出多数采用互补对称双管射极跟随器。 采用共射-共基级联视频输出电路的机型有厦华15Z型等多频数控彩色显示器，其电路如图6-31所示。,6.5功率合成技术 在高频功率放大电路中，受电子元器件本身的限制，单个电子元器件的输出功率是有限的，当需要输出的功率比较大时，可以考虑将几个电子元器件的输出功率叠加起来完成任务，这就是功率合成技术。在低频电子电路中，可以采用推挽或并联电路来增加输出功率，在高频电子电路中也可以采用此法，但是，推挽或并联电路
14、都有一个共同的缺点：当其中一个晶体管损坏时，其他晶体管的工作状态也发生了剧烈的变化，因此推挽或并联电路不是进行功率合成的理想方案。为了对功率合成有一个定性的了解，给出功率合成框图如图6-33所示。,图6-33 功率合成框图示例,从图中可以看出，在功率合成技术中，除了功率放大环节以外，尚有功率分配和功率合成环节。用传输线变压器构成的T形混合网络，既可以实现功率合成和分配的功能，又可以克服推挽和并联电路的缺陷，是一种较为理想的功率合成电路。 6.5.1 T形混合网络的工作原理 利用1:4传输线变压器组成的T形混合网络的基本电路如图6-34a所示，图6-34b为变压器形式的等效电路。,混合网络有A、
15、B、C、D四个端点，为了满足网络匹配条件，取RA=RB=ZC=R、RC=ZC/2=R/2、RD=2ZC=2R、 ZC=R为传输线变压器的特性阻抗，在此基础上，利用A、B、C、D四个端点，可以实现功率合成和功率分配，具体情况如下所述。 1.反相功率合成 若A、B两个端点分别接入两个功率放大器输出端，且这两个功率放大器的输出电压幅值相同，极性相反，如图6-35，则可在D端获得它们的合成功率，C端无输出。,图6-39 反相功率合成电路,图6-40 同相功率合成电路,3.反相功率分配 若从D端馈入要被分配的信号，A端和B端就能得到等值反相的功率。如图6-37所示，图中Tr2为传输线变压器，完成平衡和不
16、平衡的变换。,图6-37 D端输入，A、B端反相等值输出,4.同相功率分配 若从C端馈入要被分配的信号，A端和B端就能得到等值同相的功率，如图6-38所示。,图6-38 C端输入，A、B端同相等值输出,6.5.2 功率合成电路实例 图6-39是一个反相功率合成器的典型电路，它是一个输出功率为75W、带宽为3075MHZ的放大电路的一部分。图中Tr2为反相功率分配网络，Tr5为反相功率合成网络。Tr1与Tr6为起平衡-不平衡变换作用的1:1传输线变压器。Tr3与Tr4为4:1阻抗变换器。,图6-39 反相功率合成电路,反相功率合成器的优点是：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边工作时高，因而引线电感的影响减小。 图6-40是一个典型的同相功率合成电路。图中，Tr1为同相功率分配网络，Tr6为同相功率合成网络，Tr2、Tr3与Tr4、Tr5分别为4:1与1:4阻抗变换器，各处的阻抗均已在图中注明。晶体管发射极接入1.1的电阻，用以产生负反馈，以提高晶体管的输入阻抗。各基极串联的22电阻，作
