諧振功率放大器

顧名思義,高頻功率放大器用於放大器高頻信號並獲得足夠大的輸出功率，常又稱為射頻功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它廣泛用於發射機、高頻加熱裝置和微波功率源等電子設備中。

根據相對工作頻帶的寬窄不同，高頻功率放大器可分為窄帶型和寬頻型兩大類。

1.窄帶型高頻功率放大器

通常採用諧振網路作負載，又稱為諧振功率放大器。

為了提高效率，諧振功率放大器一般工作於丙類狀態或乙類狀態，近年來出現了工作在開關狀態的丁類狀態的諧振功率放大器。

2.寬頻型高頻功率放大器

採用傳輸線變壓器作負載。

傳輸線變壓器的工作頻帶很寬，可以實現功率合成。

1.採用諧振網路作負載。

2.一般工作在丙類或乙類狀態。

3.工作頻率和相對通頻帶相差很大。

4.技術指標要求輸出功率大、效率高。

1.輸出功率:PO

2.效率:η

3.功率增益:Ap

1.2諧振功率放大器的工作原理

一、丙類諧振功率放大器電路

電路圖如1-1所示

圖1-1 丙類諧振功率放大器

LC諧振網路為放大器的並聯諧振網路。

諧振網路的諧振頻率為信號的中心頻率。

作用：濾波、匹配。

VBB:基極直流電壓

作用：保證三極體工作在丙類狀態。

VBB的值應小於放大管的導通電壓Uon；通常取VBB≤0。

VCC：集電極直流電壓

作用：給放大管合理的靜態偏置，提供直流能量。

二、丙類諧振功率放大器的工作原理

ui→uBE→iB→iC→uC

ui為餘弦電壓，可表示為ui=UimCOSωct

則：uBE=VBB+ui=VBB+UimCOSωct

根據三極體的轉移特性可得到集電極電流iC，為餘弦脈衝波，如圖4-2所示：

圖1-2iC波形

根據傅立葉級數的理論，iC可分解為：

ic=Ico+iC1+iC2+iC3+………+iCn+………

式中：Ico為直流電流分量

iC1為基波分量；iC1=Icm1COSωct

iC2為二次諧波分量；iC2=Icm2COS2ωct

iCn為n次諧波分量；iCn=IcmnCOSnωct

其中，它們的大小分別為：

Ico=iCmax·α0（θ）

Icm1=iCmax·α1（θ）

Icmn=iCmax·αn（θ）

iCmax是ic波形的脈衝幅度。

αn（θ）的大小可根據餘弦脈衝分解係數表查。

Ic信號的導電角可以用下面的公式進行計算

當iC信號通過諧振網路時，由於諧振網路的作用，可得其諧振網路壓降為：

uc=RIcm1COSωct=UcmCOSωct

uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSωct

各信號的波形如圖1-3所示：

圖1-3波形圖

三、功率關係

直流功率：PV=VCCICO

輸出功率：PO=Icm1Ucm

放大管功耗：PT=PV-PO

效率：η=PO/PV

丙類諧振功率放大器的性能分析

一、丙類諧振功率放大器的工作狀態

欠壓狀態：管子導通時均處於放大區；

臨界狀態：管子導通時從放大區進入臨界飽和；

過壓狀態：管子導通時將從放大區進入飽和區；

在實際工作中，丙類放大器的工作狀態不但與Ubm有關，還與VCC、VBB和R有關。

在丙類諧振功放中，工作狀態不同，放大器的輸出功率和管耗就大不相同，因此必須分析各種工作狀態的特點，以及Ubm、VCC、VBB和R的變化對工作狀態的影響，即對丙類諧振功放的特性進行分析。

二、丙類諧振功率放大器的動態線

1.基本概念：

大信號的功率放大器一般採用圖解法進行分析，為此就要在輸出特性曲線上作出交流負載線。

由於諧振功放的集電極負載是諧振迴路，且共集電極電壓與集電極電流的波形截然不同，因此其交流負載線已不是直線了，是一條曲線，又稱為動態線。

2.動態線的作法：

三極體的輸出特性曲線轉上的參變數iB換成uBE，在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不變的情況下，假設ωct取不同的值，根據式uBE=VBB+UbmCOSωct和uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSωct可得以相對應的uBE和uCE值，從而確定輸出特性曲線上的各個“動態點”，然後依次連接各個“動態點”就可以得到動態線。其圖形如1-4所示。

圖1-4動態線

3.不同工作狀態的動態線

如圖1-5所示

圖1-5不同狀態的動態線

丙類諧振功放在不同狀態的動態線動畫演示請點擊

4.根據動態線分析放大器的特性

（1）放大器工作在過壓狀態時，ic波形會出現下凹。

（2）動態線、放大器的工作狀態與VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有關係。

三、丙類諧振功率放大器的特性

負載特性：

基極調製特性：

調製特性

集電極調製特性：

放大特性：

1.負載特性：

負載特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不變時，隨R變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著R從小變大，放大器將由欠壓狀態→臨界狀態→過壓狀態變化

(2)ic波形的變化

隨著R增大，ic的變化如圖1-6所示

圖1-6ic隨R變化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性

如圖1-7所示

圖1-7Ucm、Ico、Icm1隨R的變化

(4)PO、PV、Pc、η的變化特性

如圖1-8所示

圖1-8PO、PV、Pc、η的變化特性

負載特性動畫演示請點擊

2.基極調製特性

基極調製特性是指放大器在R、VCC和Ubm不變時，隨VBB變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著VBB從小變大，放大器將由欠壓狀態→臨界狀態→過壓狀態變化

(2)ic波形的變化

如圖4-9所示

圖1-9ic隨VBB的變化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性如圖1-10所示

圖1-10Ucm、Ico、Icm1的變化特性

基極調製特性動畫演示請點擊

3.集電極調製特性

集電極調製特性是指放大器在VBB、R和Ubm不變時，隨VCC變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著VCC從小變大，放大器將由過壓狀態→臨界狀態→欠壓狀態變化

(2)ic波形的變化

如圖1-11所示

圖1-11ic隨VCC變化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性

如圖1-12所示

圖1-12Ucm、Ico、Icm1的變化特性

集電極調製特性動畫演示請點擊

4.放大特性

放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不變時，隨Ubm變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著Ubm從小變大，放大器將由欠壓狀態→臨界狀態→過壓狀態變化

(2)ic波形的變化

如圖1-13所示

圖1-13ic隨Ubm的變化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性

如圖1-14所示

圖1-14Ucm、Ico、Icm1的變化特性

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該電路由高頻大功率晶體管VT、LC諧振迴路和直流饋電電源組成。改變基極的直流電源電壓UBB可以改變放大器的工作類型，該電路設置在丙類工作狀態。實際負載RL通過變壓器耦合到諧振迴路。濾波匹配網路L、C構成並聯諧振迴路，調諧在輸入信號頻率上，作為晶體管集電極負載，濾除高頻脈衝電流ic中的諧波分量，同時實現阻抗匹配。

LC諧振網路為放大器的並聯諧振網路。

諧振網路的諧振頻率為信號的中心頻率。

作用：濾波、匹配。

UBB:基極直流電壓

作用:保證三極體工作在丙類狀態。

UBB的值應小於放大管的導通電壓UBZ；通常取UBB≤0。

UCC：集電極直流電壓

作用：給放大管合理的靜態偏置，提供直流能量。

諧振高頻功率放大器的發射結在UBB的作用下處於負偏壓狀態，當無輸入信號電壓時，晶體管處於截止狀態，集電極電流ic=0。當輸入信號為ui=Ubmcoswt時，基極與發射極之間的電壓uBE=UBB+Ubmcoswt，為分析電路的工作波形，先對晶體管的特性曲線進行折線化處理。處理後分析與計算大大簡化，但誤差也大，所以實際電路工作時需要調整。

特性曲線的折線化

對於高頻諧振功率放大器進行精確計算是十分困難的，為了研究諧振功率放大器的輸出功率、管耗、效率，並指出一個大概變化規律，可採用近似估算的方法，即對特性曲線進行折線化處理：

①忽略高頻效應，晶體管按照低頻特性分析；特性曲線的折線化

②忽略基區寬變效應，輸出特性水平、平行且等間隔；

③忽略管子結電容和載流子基區渡躍時間；忽略穿透電流，在截止區ICEO=0。

晶體管輸出電流、電壓波形

當基極輸入一餘弦高頻信號ui=Ubmcoswt時，基極與發射極之間的電壓為uBE=UBB+ui=UBB+Ubmcoswt

當uBE的瞬時值大於晶體管的導通電壓UBZ時，晶體管導通，產生基極脈衝電流，由轉移特性可得集電極流過的電流ic也為脈衝波形。將ic用傅里葉級數展開可得：

其中，Ic0為集電極電流直流分量，Ic1m、Ic2m、···、Icnm分別為集電極電流的基波、二次諧波及高次諧波分量的幅度。

當集電極迴路調諧於高頻輸入信號頻率w時，由於LC迴路的選擇性，對集電極的基波分離來說，迴路等效為純電阻Re；對各次諧波來說，迴路失諧，呈現很小的阻抗，迴路兩端可近似認為短路；二直流分量只能通過迴路電感支路，其直流電阻很小，也可近似認為短路。這樣，脈衝形狀的集電極電流ic經諧振迴路時，只有基波電流才產生電壓降，因此LC諧振迴路兩端輸出不失真的高頻信號電壓uc=-ReIc1mcoswt=-Ucmcoswt

其中Ucm=ReIc1m，為基波電壓幅度

所以晶體管的輸出電壓為uCE=UCC-Ucmcoswt

丙類放大器在一個信號周期內只有小於半個周期的時間內有集電極電流流過，形成了餘弦脈衝電流，將icmax稱為餘弦脈衝電流的最大值。丙類放大器的導通角θ小於90°。餘弦脈衝電流依靠LC諧振迴路的選頻作用，濾除直流及各次諧波，輸出電壓uc與基極輸入電壓ui相反。ic只在uCE很低的時間內出現，故集電極損耗很小，功率放大器的效率比較高。