高频功率放大器.docx

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高频功率放大器

1.调谐功率放大器知识简介

在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。

为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。

高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。

在无线电信号发射过程中，发射机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、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。

这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。

实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。

高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。

低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。

例如，自20至20000Hz，高低频率之比达1000倍。

因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。

高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。

例如，调幅广播电台（535

－1605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz，如中心频率取为1000kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。

中心频率越高，则相对频宽越小。

因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。

由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：

低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。

高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

1.1电路工作原理

利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。

常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。

宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线

性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作为发射机的中间级，以提供较大的激励

功率。

c

利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。

根据放大器电流导通角⎝c的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。

电流导通角⎝c越小放大器的效率越高。

如丙类功放的⎝小于900，丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。

丙类谐振功率放大器原理图如图1-1所示。

图1-1谐振功率放大器的基本电路

谐振功率放大器的特点：

（1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

（2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

（3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

（4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC是晶体管的负载。

功率放大器各分压与电流的关系如图1-2所示。

（a）（b）

图1-2功率放大器各分压与电流关系

由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲。

由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加。

可以将电流分解为

iC（t）=Ic0

+Ic1m

Cos⎤t+I

Icnm

c2m

Cos2⎤t⋅⋅⋅+I

cnm

Cosn⎤t+⋅⋅⋅⋅⋅

（5-4）

Ic0

Ic1m

Ic2m

分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐

波分量的振幅

图5-3iC（t）各次谐波的波形示意图

图1-3iC（t）各次谐波的波形示意图

在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几项

利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次谐波分量下面仅列出前面几项的表达式

I=i

1Sin⎝−⎝Cos⎝

ð

=

〈（⎝）



c0cmax



1−Cos⎝



icmax0



I=i

1⎝−Sin⎝⋅Cos⎝

ð

=

〈（⎝）

c1m



cmax



1−Cos⎝



icmax1



Ic2m

=icmax

ð

Sin2⎝⋅Cos⎝−2Sin⎝⋅Cos⎝

3（1−Cos⎝）

=icmax〈2（⎝）

Ic3m

=icmax

ð

Sin3⎝⋅Cos⎝−3Sin⎝⋅Cos⎝

12（1−Cos⎝）

=icmax〈3（⎝）

只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分量。

各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。

因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。

放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为

PDC

=UCC

⋅IC0

谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻RP上的功率为

2

p=1IU

=1I

2R=1Ucm

o2cm1cm

2cm1P

2RP

集电极的功耗为

PC=

PDC

−po

1

放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比

ç=po

=1IC1Ucm

=1⎩〈1（⎝）=1⎩g（⎝）

PDC

2IC0UCC

⎩=

Ucm

2〈0（⎝）2

其中

U

1.2高功放性能分析

高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。

1.2.1谐振功率放大器的动态特性

高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。

为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。

1.2.2功率放大器的负载特性

如果VCC、VBB、vb3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。

此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

电压、电流随负载变化波形如图1-4所示。

图1-4电压、电流随负载变化波形

5

放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，

负载线的斜率由小变大，如图中1→2→3。

不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。

临界状态时负载线和ebmax正好相交于临界线的拐点。

放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。

欠压状态时B点以右的区域。

在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。

过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图1-5所示。

欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化

而变化，因此较少采用。

但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。

过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，

效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。

图1-5谐振功率放大器的负载特性曲线

1.2.3放大器工作状态的调整

调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：

改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。

改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。

在临界状态时输出

功率最大。

改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放

大器的工作状态由过压经临界转入欠压。

Vcc变化时对工作状态的影响如图1-6所示：

图1-6Vcc变化是对工作状态的影响

在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。

改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如图1-7所示。

图1-7改变VCC时工作状态和电流、功率的变化

VCC、VBB、Rp不变，Vbm变化。

当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度

和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。

当Vbm自0向正值增大时，使集电

极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。

谐振功放的放大特性是指放大器性能随Vbm变化的特性，其特性曲线如图1-8所示。

图1-8Vbm变化的特性

2方案论证

在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。

甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。

乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于180度。

乙类和丙类都适用于大功率工作。

丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。

高频功率放大器大多工作于丙类。

但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。

由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。

综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交

流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。

电路设计与参数计算

3.1设计任务要求

设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：

输出功率Po≥125mW，工作中心频率

fo=6MHz，ç>65%，

已知：

电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用2N2219，其主要参数：

Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。

3.2参数计算

3.2.1甲类谐振放大器参数计算

实验电路，它是由两级小信号谐振放大器组成的推动级和末级丙类谐振功率放大器构成，其中VT1和VT2组成甲类功率放大器，晶体管VT3组成丙类谐振功率放大器，这两类功率放大器的应用十分广泛，下面简要介绍它们的工作原理及基本计算方法。

（一）、甲类功率放大器

1、静态工作点

晶体管VT1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。

其中R1和R2为基极偏置电阻；R5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点。

R4为交直流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

电路的静态工作点由下列关系式确定：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

2、动态特性

所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对象。

如图2-1所示，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。

以第一级甲类功放为例，它与第二级甲类功放通过变压器进行耦合，因此其交流输出功率可表示为：

为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻

称为最佳匹配负载。

集电极的输出功率

的表达式为

（2-6）

式中，

为集电极输出的交流电压振幅，

为交流电流的振幅，它们的表达式分别为

（2-7）

式中，

称为饱和压降，一般为1V左右。

（2-8）

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，由式（2-5）、（2-6）可得

（2-9）

式中，

为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。

3、功率增益

与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图2-1所示电路，甲类功放不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大，功率增益

的表达式为

（2-10）

式中，

为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅

及输入电阻

的关系为

（2-11）

式中，

可表示为

（2-12）

式中，

为晶体管共射极组态的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基区体电阻

。

为晶体管共射极组态的电流放大系数，在高频情况下它是复数，可近似取值为晶体管直流电流放大系数

⑴设置静态工作点

由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般在0.8－2mA之间选取

为宜。

设计电路取Ic=1.5mA，设Re=1KΩ。

因为：

V

=IR

而I≈I

所以：

V

=1.5mA⋅1KΩ=1.5V

EQEQe

CQEQEQ

因为：

V

=V+V

（硅管的发射结电压V为0.7V）

BQEQBEQ

所以VBQ=1.5V+0.7V=2.2V

因为：

VCEQ=VCC−VEQ

所以：

VCEQ=12V−2.2V=9.8V

因为：

Rb2=VBQ/（5−10）IBQ

而

IBQ=ICQ/®=1.5mA/50=0.03mA

则：

Rb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3=7.3KΩ

取标称电阻8.2KΏ因为：

Rb1=[（VCC−VBQ）/VBQ]Rb2

则：

Rb1=[（12V−2.2V）/2.2V]∗8.2KΩ=36.5KΩ

考虑调整静态电流ICQ的方便，Rb1用22KΏ电位器与15KΏ电阻串联。

⑵谐振回路参数计算

1）回路中的总电容C∑

因为：

fo=

2ð

1

LC∑

则:

C©=

1

（2ðfo

）2L

=150.35pf

2）回路电容C

因有

取C为标称值140pf,与5-20Pf微调电容并联

3）求电感线圈N2与N1的匝数：

根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为

是一个确定值，可以把它看成是一个常数。

此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，

L=KN2

式中：

K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；

N-线圈的匝数

一般K值的大小是由试验确定的。

当要绕制的线圈电感量为某一值Lm时，可先在骨架上（也可以直接在磁心上）缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量LO，再用下面

的公式求出系数K值：

K=L

/N2

oo

实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。

在原线圈骨架上用

0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。

由此可确定

K=L

/N2=2⋅10−6/102=2⋅10−8H/匝

OO

要得到4uH的电感，所需匝数为

L4⋅10−6

N=m==14匝

K2⋅10−8

最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。

因有

N1=p1∗N2，而N2=14匝。

则：

⑷带宽的确定由于

N1=0.3∗14=4.5匝

0

Bw0.7=f

QL

QL=

其中

1

⎤Lg©

⑸确定耦合电容与高频滤波电容：

耦合电容C1、C2的值，可在1000pf—0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。

旁路电容Ce、C3、C4的取值一般为0.01-1μF，滤波电感的取值一般为220-330uH。

3.2.2丙类功放的参数计算

c

确定功放的工作状态丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。

因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态，其电流流通角⎝在600—900范围。

c

现设⎝=700。

。

在晶体管功率放大器中，可以通过改变激励电压、基极偏压、集电极负载、集电

极直流供电电压来改变放大器的工作状态。

集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数

（700）=0.25，集电极电流余弦脉冲基波ICM1

1

分解系数，〈（700）=0.44。

设功放的输出功率为0.5W。

功率放大器集电极的等效电阻为：

Rp=

集电极基波电流振幅为：

2

（Vcc−VCES）

o

2P=

（12−1.5）2

2（0.5）W=110Ω

Icm1=

集电极电流脉冲的最大振幅为：

2Po/Rp

=95mA

Icmax=Icm1/〈1（⎝c）=95mA/0.44=216mA

集电极电流脉冲的直流分量为：

Ico=Icmax⋅〈o（⎝c）=216⋅0.25=54mA

电源提供的直流功率为：

PD=VCCICO=12V⋅54mA=0.65w

则输入功率：

Pi=Po/Ap=0.5/20=25mV

基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的®=10）

B1mBm1

IBm=Icm®=21.6mA

基极基波电流的振幅为：

得基极输入的电压振幅为：

（2）基极偏置电路计算因

I=I〈（700）=9.5mA

VBm=2Pi/IB1m=5.3V

V=V

cos⎝−V

=5.3cos700=1.1V

因V=IR

EbmcZ

则有：

ECOE

R=V/I

=1.1/（54⋅10−3）=20Ω

EEco

取高频旁路电容CE2=0.01pf

（3）计算谐振回路与耦合线圈的参数

输出采用L型匹配网路，

Rp=110Ω,RL=51Ω

pLL

R=（1+Q2）R

⎤

=

L

QLRLS2

0

=1.076⋅51

2ð⋅6⋅106

H=1.46∝H

Lp=（1+

1

2）LS

Q

L

=（1+

1

1.0762

）⋅1.46=2.72∝H

C=1

P

4ð2f2L

=1

4⋅3.142⋅62⋅2.72⋅10−6

pF=259pF

匹配网路的电感L为1.46∝H，电容C为259pF。

（4）电源去耦滤波元件选择

高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取

50～100μH，滤波电感一般取0.01μF。

．电路如图3-1（见电路板）

按图接好实验板所需电源，将C、D两点短接，利用高频信号发生调回路谐振频率，使其谐振在6.5MHz的频率上。

2．加负载50Ω，从CD端测

电流。

在输入端信号频率

＝6.5MHz，信号

=120mV，测量各工作电压，同时用示波器测量输入，输出峰值电压，将测量值填入表3.1内。

图3-1功率放大器电路（丙类）原理图

（、

静态测量

Vb（V）

Ve（V）

Vc（V）

Vce（V）

结论：

BG1

0.1

0.2

0.3

BG2

0.1

0.2

0.3

BG3

.0.1

0.2

0.3

动态测量

Vb（V）

Ve（V）

Vc（V）

Vce（V）

BG3

（4）根据实验测量数据结果，分析甲类高频电压放大器与丙类谐振功率放大器直流静态的区别。

两级甲类前置放大器的调整与测量、

基本条件：

Vcc=+12VRL=120Ω载波信号：

频率fo=6.5MHZ幅度VI=80-100mV等幅波

①高频信号发生器输出频率为6.5MHz、峰-峰值为80-100mV的等幅波，并连接到“高频功率放大器”实验板的输入（IN）端上，用示波器CH1探头检测。

②将“高频功率放大器实验板”上的“C、D”两点断开。

然后把示波器CH2探头接A点，（监测第1级输出），调C2（或微调高频信号发生器频率旋钮）使输出正弦波幅度最大，从而相应的回路谐振。

③再把示波器探头移至B点，（监测第2级输出），调C6（或微调高频信号发生器频率旋钮）使输出正弦波幅度最大，从而相应的回路谐振。

需要时，亦可把示波器探头接在B点上，再反复调节C2、C6（或微调高频信号发生器频率旋钮），使输出幅度最大。

④记录测试结果数据：

（1）谐振频率fo=

（2）输入/输出信号波形与幅度。

末级谐振功率放大器（丙类）调整与测量

丙类功放的调谐

①连通“高频功率放大器”上的“C、D”端点。

②示波器“CH1”连接到“高频功率放大器”实验板的“B”点上；

③示波器”CH2”探头连接到“高频功率放大器”实验板的“OUT”点上。

④适当微调输入信号的频率（即高频信号发生器频率旋钮），使输出电压波形（OUT点）最大且不失真，即回路谐振。

⑤记录测试结果数据：

（1）谐振频率fo=

（2