【文章內(nèi)容簡介】 V~6V，即V6V8=V12V10=4V~6V，V8V4=V10V1=4V~6V，V2（Vee）=V3（Vee）=4V~6V。為了使輸出上，下調(diào)制對稱，在設(shè)計(jì)外部電路時(shí)，還應(yīng)使V12=V6，V8=V10，而且12腳及6腳所接的負(fù)載電阻應(yīng)相等，即R28=R29，調(diào)制輸出信息波形（圖344）如下[8]：圖344 調(diào)制信號 高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)高頻功率放大器是各種無線電發(fā)射機(jī)的重要組成部分，其工作頻率較高，相對寬帶也比較窄，一般都采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載構(gòu)成諧振功率放大器。由于諧振網(wǎng)絡(luò)頻率調(diào)節(jié)困難，因此諧振功率放大器主要用來放大固定頻率或窄帶信號，所以諧振功率放大器也稱為窄帶高頻功率放大器[15]。高頻功率放大器一般多用于發(fā)射機(jī)的末級電路，其電流消耗往往要占到整機(jī)耗電量的絕大部分，所以功率放大器工作狀態(tài)的優(yōu)劣以及工作效率的高低就相當(dāng)重要。為了提高效率，諧振功率放大器通常工作在丙類。1. 諧振功率放大器的工作原理（1） 電路組成圖351 晶體管高頻功率放大器原理圖 諧振功率放大器的原理如圖所示，除電源和偏置電路外，它由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制作的NPN高頻大功率晶體管，他能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率ft。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，它在較小的激勵(lì)信號電壓作用下，形成基極電流，控制了較大的集電極電流，流過諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。如前所述，為了使高頻功放以高效率輸出大功率，常選在丙類狀態(tài)下工作，為了保證在丙類工作，基極偏置電壓應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號應(yīng)為大信號，可達(dá)到1~2V,，甚至更大。也就是說，晶體管工作在截至和導(dǎo)通（線性放大）兩種狀態(tài)下，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號。與低頻功放不同的是，高頻功放選用諧振回路作負(fù)載，即保證輸出電壓相對于輸入電壓不失真，還具有阻抗變換的作用，這是因?yàn)榧姌O電流是周期性的高頻脈沖其頻率分量除了有用分量（基波分量）外，還有諧波分量和其他頻率成分，用諧振回路選出有用分量，將其他（a）無用分量濾除；通過諧振回路阻抗的調(diào)節(jié)，從而使諧振回路呈現(xiàn)高頻功放所要求的最佳負(fù)載阻抗值，即匹配，使高頻功放以高效率輸出大功率[17]。（2）電壓電流波形當(dāng)基極輸入一余弦高頻信號后，晶體管基極和發(fā)射級之間的電壓為（b）（c）其波形如圖（a）所示。當(dāng)?shù)乃矔r(shí)值大于基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓時(shí)，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生基極脈沖電流，如圖（b）所示?；鶚O導(dǎo)通后，晶體管便由截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，集電極將流過電流，與基極電流相對應(yīng)，也是脈沖形狀，如圖（c）所示。將用傅里葉級數(shù)展開，得式中，為集電極電流直流分量，分別為集電極電流的基波，二次諧波及高次諧波分量的振幅。（d）圖352 電流電壓波形（a）（b）（c）（d）當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號頻率ω上，即與高頻輸入信號的基波諧振時(shí)，諧振回路對基波電流而言等效為一純電阻。對其他各次諧波而言，回路失諧而呈現(xiàn)很小的電抗并可看成短路。直流分量只能通過回路電感線圈支路，其直流電阻較小，對直流也可看成短路。這樣，脈沖形狀的集電極電流，或者說包含有直流，基波和高次諧波成分的電流流經(jīng)諧振回路時(shí)，只有基波電流才產(chǎn)生壓降，因而LC諧振回路兩端輸出不失真的高頻信號電壓。若回路諧振電阻為Re，則 （351）式中，為基波電壓振幅。所以，晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓為 （352）其波形如圖（d）所示?？梢?，利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集電極脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。同時(shí)，諧振回路還可以將含有電抗分量的外接負(fù)載變換為純電阻Re。通過調(diào)節(jié)L,C使并聯(lián)回路諧振電阻Re與晶體管所需集電極負(fù)載值相等，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，在諧振功率放大器中，諧振回路除了起濾波作用外，還起到阻抗匹配的作用[23]。（3） 輸出功率與效率由于輸出回路調(diào)諧在基波頻率上，輸出電路中的高次諧波處于失諧狀態(tài)，相應(yīng)的輸出電壓很小，因此，在諧振功率放大器中只需研究直流及基波功率。放大器的輸出功率Po等于集電極電流基波分量在負(fù)載Re上的平均功率，即 （353）集電極直流電源供給功率PD等于集電極電流直流分量Ico與Vcc的乘積，即 （354）集電極耗散功率Pc等于集電極直流電源供給功率PD與基波輸出功率Po之差，即 （355）放大器集電極效率等于輸出功率Po與基波供給功率PD之差，即 （356）丙類工作狀態(tài)的諧振功率放大器的效率很高，當(dāng)電流導(dǎo)通角時(shí)，效率可達(dá)90%，隨著的減小，效率還會進(jìn)一步提高。但是也不能過小，因?yàn)榇藭r(shí)為了達(dá)到一定的輸出功率，所要求的輸入激勵(lì)信號電壓的幅值將會過大，從而對前級提出過高的要求。所以，諧振功率放大器一般取為70度左右[24]。2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)（1） 諧振功率放大器的工作狀態(tài)圖353 放大器的工作狀態(tài)在丙類諧振功率放大器中，根據(jù)晶體管工作是否進(jìn)入飽和區(qū)，可將其分為欠壓臨界和過壓工作狀態(tài)。將不進(jìn)入飽和區(qū)的工作狀態(tài)稱為欠壓，其集電極電流脈沖形狀如圖中曲線①所示，為頂尖余弦脈沖。將進(jìn)入飽和區(qū)的工作狀態(tài)稱為過壓狀態(tài)，其集電極脈沖形狀如圖中曲線③所示，為中間凹陷的余弦脈沖。如果晶體管工作剛好不進(jìn)入飽和區(qū)，則稱為臨界工作狀態(tài)，其集電極電流脈沖形狀如圖中曲線②所示，雖然仍為尖頂余弦脈沖，但頂端變化平緩。在諧振功率放大器中，雖然三種狀態(tài)下集電極電流都是脈沖波形，由于諧振回路的濾波作用，放大器的輸出電壓仍為沒有失真的余弦波形[25]。l 欠壓狀態(tài)根據(jù)丙類諧振功率放大器的工作原理可知，基極電壓最大值與集電極電壓最小值出現(xiàn)在同一時(shí)刻，所以只要當(dāng)比較大（大于），晶體管工作就不會進(jìn)入飽和區(qū)而工作在欠壓狀態(tài)。由于，可見輸出電壓的幅值越小，就越大，晶體管工作就不會進(jìn)入飽和區(qū)。l 臨界狀態(tài)增大，就會減少，可使放大器在時(shí)工作在放大區(qū)和飽和區(qū)之間的臨界點(diǎn)上，晶體管工作在放大區(qū)和截止區(qū)，所以集電極電流仍為尖頂余弦脈沖。l 過壓狀態(tài)由于諧振功率放大器的負(fù)載是諧振回路，有可能產(chǎn)生較大的（例如諧振回路Q值比較大），很?。ㄐ∮冢率咕w管在附近因很小而進(jìn)入飽和區(qū)。因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)晶體管集電結(jié)被加上正向電壓，的增加對的影想很小，而卻隨的下降迅速減小，所以使得集電極電流脈沖頂部產(chǎn)生下凹現(xiàn)象。越大，越小，脈沖凹陷越深，脈沖的高度越小。（2） 負(fù)載特性當(dāng)放大器中直流電源帶電壓，及輸入電壓振幅維持不變時(shí)，放大器的電流、電壓、功率與效率等隨諧振回路諧振電阻Re變化的特征，稱為放大器的負(fù)載特征。負(fù)載特性是高頻功率放大器的重要特性之一。根據(jù)諧振功率放大器工作狀態(tài)的分析可知，當(dāng)及不變，負(fù)載Re變化時(shí)，就會引起放大器輸出電壓的變化，從而使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。下圖（圖354）是諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線。（b）功率、效率變化曲線（a）電流、電壓變化曲線圖354 諧振功率放大器負(fù)載特性由圖中的負(fù)載特性可以看出高頻功放各種狀態(tài)的特點(diǎn)：臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高，通常應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作。過壓狀態(tài)的特點(diǎn)是效率高，損耗小，并且輸出電壓受負(fù)載電阻RL的影像較小，近似為交流恒壓源特性，但由于效率低，并且集電極損耗大，一般不選擇在此狀態(tài)工作。在實(shí)際調(diào)整中，高頻功放可能會經(jīng)歷上述各種狀態(tài)，利用負(fù)載特性就可以正確判斷各種狀態(tài)，已進(jìn)行正確的調(diào)整。 諧振功率放大器的設(shè)計(jì)過程[1]高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的主要作用是將電源的直流轉(zhuǎn)換成高頻交流輸出，通信線路中應(yīng)用的高頻功率放大器，按其工作頻帶的寬窄可以分為窄帶和寬帶。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶又比較窄，所以工作時(shí)一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。一般把集電極電流導(dǎo)通時(shí)間相對應(yīng)的角度的一半稱為集電極電流的導(dǎo)通角，當(dāng)導(dǎo)通角等于180176。表示管子在整個(gè)工作周期內(nèi)全部導(dǎo)通，稱為放大器工作在甲類狀態(tài)，當(dāng)導(dǎo)通角等于90176。表示放大器在工作期間的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，稱為放大器工作在乙類，當(dāng)其導(dǎo)通角小于90176。表示管子的導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期，稱為放大器工作在丙類狀態(tài)。2電路原理圖：丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因?yàn)榍穳籂顟B(tài)的工作效率較低，而過壓狀態(tài)的又會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的失真，所以一般選用讓其工作在臨界狀態(tài)。在晶體管功率放大器中，一般可以通過改變激勵(lì)電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。由于輸出功率要求Po≥1W，因此功放可采用甲類或者丙類功率放大器，但由于總效率要求η≥50%，顯然，只采用一級甲類功放是達(dá)不到要求的，故采用兩級功放電路，第一級采用甲類功率放大器作為激勵(lì)級，第二級采用丙類功率放大器，其中甲類功放選用的晶體管為3DG12，丙類功放選擇的晶體管為3DA1。 其參數(shù)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為：圖355 高頻功率放大器電路圖功放的基極偏置電壓UBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IEO在射級電阻RE2上產(chǎn)生的壓降來提供的，故將其稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號Ui為正弦波時(shí)，則在集電極輸出波形為電流為Ic的余弦脈沖波。利用諧振回路的選頻作用可使輸出基波諧振電壓為UC1，電流為IC1.當(dāng)功率放大器的電源電壓為+Ucc，基極偏置電壓Ub，輸入電壓（或激勵(lì)電壓）Ubm確定后，如果電流導(dǎo)通角θ選定，則放大器的工作狀態(tài)就只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻Rq。當(dāng)交流負(fù)載線正好穿過靜態(tài)特征曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A時(shí)，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和管壓降UCES，集電極電流脈沖接近最大值Icm。整個(gè)電路的原理圖（圖355）見右：3功率放大器的設(shè)計(jì)過程（1）所需器件:3DG12(主要參數(shù)：PCM=700mw，ICM=300mA，UCES≤，hfe≥30，ft≥150MHz，Ap≥6dB）3DA1（主要參數(shù)：PCM=1w，ICM=750mA，UCES≥，hfe≥10，ft≥70MHz，Ap≥13dB）鎳鋅鐵氧磁環(huán)（NX100）若干(規(guī)格：φ10mmφ6mmφ5mm)電源（+Ucc=12V）漆包線（）電阻若干電容若干（2）丙類諧振功率放大器的設(shè)計(jì)（A）確定放大器的工作狀態(tài) 為獲得較高的效率η和最大的輸出功率Pe，功放的工作狀態(tài)應(yīng)選為臨界狀態(tài)，取θ=70度，可得此時(shí)集電極的等效負(fù)載電阻 其中Vcc=12V，Vces=，Pc=Po=1W。集電極基波電流振幅為 集電極電流脈沖的最大值 直流分量為 電源供給的直流功率為 集電極的耗散功率為 集電極的效率 若設(shè)末級功率增益Ap=13dB（20倍），則輸入功率 基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)晶體管3DA1的β=10） 基極基波電流的振幅 輸出電壓的振幅 （B）計(jì)算諧振回路及耦合回路的參數(shù)丙類功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸出阻抗Zi可計(jì)算如下： 輸出變壓器線圈匝數(shù)比為 取N3=7，N1=8。若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容C=100pF，得回路電感為 若采用10*6*5的鐵氧體來繞制輸出耦合變壓器，則可計(jì)算出總線圈的匝數(shù)為N2，即 則N2=8（C）基極偏置電路參數(shù)計(jì)算基極直流偏置電壓 射級電阻 取高頻旁路電容為CE2=。（3）寬帶功率放大器(激勵(lì)級）設(shè)計(jì)（A）計(jì)算電路參數(shù)寬帶功率放大器的輸出功率應(yīng)等于下級的丙類功率放大器的輸入功率，并且其輸出負(fù)載應(yīng)等于丙類功放的輸入阻抗。設(shè)高頻變壓器的效率為η= 取功放的靜態(tài)電流Icq=Icm=7mA則集電極電壓的振幅Vcm及等效負(fù)載電阻Rh’分別為 射級直流負(fù)反饋電阻 高頻變壓器匝數(shù)比為 取次級匝數(shù)N2’=2，則初級匝數(shù)N1’=6.激勵(lì)級功放采用3DG12晶體管，設(shè)β=30，取功率增益為Ap=13dB（20倍），則輸出功率為 功放的輸入阻抗為 取負(fù)反饋電阻R3=10Ω則本級輸入電壓的振幅為 （B）計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)由上述計(jì)算結(jié)果得到靜態(tài)時(shí)晶體管的射級電位為 取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則 試驗(yàn)調(diào)整時(shí)取R1=+10K的電位器。取高頻旁路電容為CE1=,輸入耦合電容為C1=。高頻電路的電源去耦合濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π型LC低通濾波器，如下圖所示，L10，L20可按經(jīng)驗(yàn)取50uF~100uF，C10，C20，C11。L10，L20可以采用色碼電感，也可以采用環(huán)形磁芯繞制。此外，還可以在輸出變壓器的次級與負(fù)載Rl之間插入LC濾波器，以改變R1上的輸出波形。