高频功率放大器的结构与实现

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1、第三章高频功率放大器的结构与实现功率放大器是指能输出大功率信号的放大电路，它可以分为低频功放和高频功放两类。本章将讲述高频功放的工作原理。它区别于低频功放的根本原因在于信号的频率较高、信号的频带有限。3.1概述3.2丙类谐振功放的结构和原理3.3实际丙类谐振功放的原理分析3.4谐振功放的耦合和设计原则3.5丙类倍频器3.6*宽带高频功率放大器3.7*功率合成与功率分配电路3.8*D、E类谐振功放3.1概述高频功率放大器可以分为窄带和宽带功率放大器两类。窄带和宽带是指有用信号的带宽大小。一般来说，信号最低频

2、率fimin与最高频率fimax满足2fiminfimax关系时，放大电路被称为窄带放大器，如第二章讲述的高频小信号谐振放大器就是一例，本章讲述的C类(也称丙类)功放也是一例。与窄带放大器相对应的是宽带放大器，它的最大特点在于最低信号频率fimin的某些倍频仍属于有用频率范围。常见的高频宽带功率放大器有A类(也称甲类)和B类(也称乙类)两种，它们的工作原理和结构与低频甲、乙类功放基本一样。对于放大部分，将取决于增益元器件本身在输出回路中消耗的平均功耗(也称管耗，用Pc来代表)。如果Pc小，则效率就高；反

3、之，效率就低。下面就提高效率的基本思路介绍如下。(1)通过减小增益元器件在信号周期内的导通时间，来提高功放效率。(2)设法减小导通时，增益元器件的功耗。(3)频带选通部分应选用本身耗能低的LC选频网络请参见本书附录A。3.2丙类谐振功放的结构和原理丙类谐振功率放大器也称为C类高频窄带功放。在增益元器件为放大管时，A、B、C类放大器的差别可通过输入单一正弦波信号来说明，A类功放的放大管应在整个输入信号周期内工作于放大状态；B类功放中的放大管只有半个周期处于放大状态，另半周则处于截止状态；C类功放中的放大管

4、一般来说只有小于半周的时间工作于放大状态。3.2.1非饱和下的丙类功放分析如θ=π，则管子在整个信号周期内处于放大区，这时称管子为甲类工作状态；如θ=π/2，则称管子处于乙类工作状态；如θ＜π/2，则称管子处于丙类工作状态。严格说来，只要θ＜π，且具有图中的特定电路结构就可称为丙类放大器，但由于实际中的θ均满足小于π/2的条件，所以有丙类功放中放大管θ＜π/2的说法。【例3-2-1】设计一个C类放大器。采用N沟道增强型VMOSFET管子作为电路的增益元件，要求电路向负载R提供25W的功率，放大器效率为85

5、%，忽略管子可变电阻区带来的影响。工作频率为50MHz，电源电压为+12V。解：根据题意画出相应电路如图3-2-3所示。图中CD对交流短路，C和L谐振于工作频率。在忽略可变电阻区的影响条件下，可令：Vom=VDD=12V，那么R=122/(225)=2.88。由式(3-2-11)可得：=73.5o。又将IDm=2Po/Vom代入式(3-2-5)可得放大管的最大漏极电流IDm=7.884(A)。由式(3-2-2)有vDm=VDD+Vom=24V。若设R、L、C回路的品质因素Q=5，则有：L=R/(Q

6、)=1.8310-3(H)C=1/(L2)=5.52610-3(F)若取RFC的感抗RFC25ZL，则：C类放大器的负载线可用下列方式确定。首先采用实验测量的方法描出iB(t)与vCE(t)的时间函数。接着将某一时刻的iB、vCE值，在三极管输出特性曲线上确定出一点，类似地定出其它时刻的对应点。最后，由这些点连结起来的曲线就为所需的负载线。3.2.2进入饱和区的丙类功放分析在忽略放大管输出电压本身对输入特性产生影响的条件下，结合3.2.1节的分析和电路选频网络的特点，我们可以定性得出如

7、下所示的丙类功放各电量间相互制约关系。显然，在丙类功放输出选频网络的作用下，电路能有效地将iC中的无用频率分量消去，保证输出波仅与基波有关。因此，即使放大管进入饱和区工作，iC整个波形有所改变，功放也能够正常输出基波电压。为了便于与3.2.1节的非饱和情况相区别，我们常将有部分时间进入饱和的情况称为丙类功放的过压工作状态；否则，称为欠压工作状态；而将过压与欠压的临界情况称为临界工作状态。首先，我们设理想情况下的三极管输出特性曲线如图3-2-5(a)所示。同时，设管子在饱和区内iC与vCE应满足公式式中，

8、Scr近似为常数，表示了饱和线(或临界饱和线)的斜率大小，反映了iC基本只受vCE影响的性能特点。图3-2-5【例3-2-2】电路结构如图3-2-1(a)所示。三极管的Scr为0.41S，电路处于临界工作状态，电压利用系数=0.9，VCC=30V，导通角为90o。求Vom，R，Po。解：由电压利用系数定义，Vom=VCC=27V；考虑电路工作于临界状态，以及Scr的定义，可得：在=90o条件下，由式（3-