第4章 高频功率放大电路
讲授内容：4.1 概述
4.2 丙类谐振功率放大电路
4.3 宽带高频功率放大电路与功率合成电路 4.4 集成高频功率放大电路及应用简介 4.1概述
电路:将直流电源能量转换成输出信号能量装置
1、分类：按频率高低分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。按其工作频带宽窄分为宽带功率放大电路和窄带功率放大电路，其共同点为输出功率大、效率高和非线性失真小。
2、高频窄带功率放大电路特点： （1）工作频率高，但相对频带窄；
（2）放大器工作于丙类状态，其电流的流通角小于1800； （3）负载采用具有滤波能力的调谐回路；
（4）电路分析，由于是非线性电路，常用图解法和解析近似分析法，其中最常用的是解析近似分析法中的折线法。
3、丙类谐振功率放大电路：具有输出功率大、效率高和非线性失真小，且具上述4个特点功率放大电路称为丙类谐振功率放大电路，属于谐振功放之一。
4、宽带功率放大电路：功放工作在甲类状态，利用传输线变压器等作为匹配网络，采用功率合成技术增大输出功率。
本章着重讨论丙类谐振功率放大电路的工作原理、动态特性和电路组成。同时简要介绍高频宽带功率放大电路和集成高频功率放大电路的一些实例。
4.2丙类谐振功率放大电路4.2.1 工作原理
电路如图示：
设输入信号是单频正弦波，输出回路调谐在输入信号的相同频率上。则：
UBE=VBB+Ub=VBB+Ubmcosωt
UCE=VCC+Uc=VCC-Ic1mRΣcosωt=VCC-Ucmcosωt
设集电极电源提供的直流功率PD，谐振功放输出交流功率Po、集电极效率η和集电极功耗PC: PD=VCCIC0
P0?112ICm1Ucm?ICR1m?22P01Ic1mUcm??PD2IcoVCC??PC=PD-Po
说明：
1、要增大P0，在 R不变的情况下，需增大Ic1m ；当器件确?定时，就是要增大输入信号振幅Ubm
2、要提高效率，需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗，通过降低静态工作点可以实现)。
由上知，增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。
图示是三种不同静态工作点情况时晶体管转移特性分析。其中QA、QB和QC分别是甲类、乙类和丙类工作时的静态工作点。
在甲类工作状态时，为保证不失真，必须满足Ic1m≤IC0，又Ucm≤VCC(忽略晶体管饱和压降)，所以可计算出，最高效率为50%。
在乙类工作状态时, 集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲, 可以用傅氏级数展开为:
iC=IC0+Ic1mcos 2ω0t+Ic2mcos2ω0t+…
1?Icm?12Icmcos?0t?Icmcos2?0t?...23?
由此 可求得在Ucm=VCC时的最高效率
1I12cm??????78.54Icm?
随着基极偏置电压
VBB逐渐左移，静态工作点逐渐降低，晶体管的
工作状态由甲类、乙类而进入丙类。
此时将晶体管特性曲线理想化，用折线来代替，称为折线近似分析法。
图示是将晶体管转移特性折线化，以此分析丙类工作状态。 由图可以得到iC的分段表达式： iC= g(uBE-Uon) uBE≥Uon
0 uBE＜Uon
如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2θ来表示，则称θ为导通角。可见，
0°≤θ≤180°在放大区，可得: iC=g(VBB+Ubmcosωt-Uon)
当ωt=θ时，有 iC=0，此时可得:
θ=arccos ??
?Uon?VBB?Ubm????IcmgU:当ωt=0时，有 iC=Icm ，则此时可求得 bm? 1?cos?ic?g(VBB?Ubmcos?t?Uon)
?
从iC的表达式可以看出，这是一个周期性的尖顶余弦脉冲函数，
?Uon?VBB?cos?t?cos???gUbm?cos?t??I??cm1?cos?Ubm??因此可以用傅里叶级数展开，即
iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos 2ωt+…+Icnmcos nωt+…。 若ICm固定， 则分解系数只是θ的函数， 通常表示为： IC0=ICmα0(θ)、 Ic1m=ICmα1(θ)、 Ic2m=ICmα2(θ)、 … 其中α0(θ)、α1(θ)、α2(θ)， …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
图示为θ在0°～180°范围内的分解系数曲线和波形系数曲线。 波形系数：g1(θ)= a1(?) ?0(?)?1???为
sin???cos??0(?)?
?(1?cos?)
??sin?cos?
?1(?)? ?(1?cos?)
a0(?):若定义集电极电压利用系数 ? ? ，可以得到集电极效率和输出VCC功率的另一种表达式:
Ucm??
说明:
1、由图可以看出，在回路等效总电阻RΣ和脉冲高度ICm相同时，丙类的输出功率比甲类、甲乙类和乙类要小，但是丙类的集电极效率比它们都要高。
2、从上分析和图示情况知，导通角θ越小， g1越大，效率越高，但α1却越小，输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面，选取合适的导通角θ。一般以70°作为最佳导通角，此时的集电极效率可达到85.9%， 可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。
例3.1在图3.2.3中, 若Uon=0.6V，g=10mA／V，ICm=20mA，又VCC=12V，求当θ分别为180°，90°和60°时的输出功率和相应的基极偏压VBB，以及θ为60°时的集电极效率。(忽略集电极饱和压降)
1Ic1mUcm1??g1(?)2Ic0VCC2p0?122Icma1(?)R?2解： 由α(θ)曲线可查得:
α0(60°)=0.22，α1(180°)=α1(90°)=0.5，α1(60°)=0.38因为： Ucm=VCC=12V
所以：当甲类工作时(θ=180°)：
1Ic1m=0.5×20=10mA，Po= 2×10×12=60mW
UBB?Uon?Icm20?0.6??1.62g10?22
17.6?12 IC0=0.22×20=4.4mA， η= × ?0.86?86$.4?12
Icmcos? ?Ubm?g(1?cos?)
?Icmcos?20cos60 ?UBB?Uon?Ubmcos??Uon??0.6???1.4V?g(1?cos?)10(1?cos60)
当乙类工作时(θ=90°)： 1Ic1m=0.5×20=10mA， Po= ×10×12=60mW
2VBB=0.6V
当丙类工作时(θ=60°)： Ic1m=0.38×20=7.6mA，Po= 1 ×7.6×12=45.6mW
4.2.2
设输入是振幅为
Ubm的单频余弦信号，输出单频余弦信号的振幅
为Ucm
uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcosωt
uCE=VCC+uc=VCC-Ic1mRΣcosωt=VCC-Ucmcosωt 又： iC= g(uBE-Uon) uBE≥Uon
0 uBE＜Uon
由上述公式知，当晶体管参数确定以后， Ucm的大小与VBB、VCC、RΣ和Ubm四个参数有关。
在输出特性图中，截止区和饱和区内的动态线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重
第4章 高频功率放大电路要点
