高频功率放大器：功率放大与工作方式分析

在无线电通信和遥控、遥测等发送设备中，为使信号能够远距离发射出去，必须使信号达到一定的功率，以抵消远距离传输的衰耗。对这种高频信号进行功率放大的放大器称为高频功率放大器。

1.高频功率放大器与低频功率放大器的比较

高频功率放大器与低频功率放大器有一些共同之处，它们都工作在大信号状态，都要求具有足够的输出功率和较高的效率，但在用途、负载形式以及晶体管的工作状态等方面还是有所不同。

低频功率放大器由于工作频率低和相对通频带较宽，常采用电阻、变压器等非调谐负载。为了减小非线性失真，放大器一般工作在甲类或乙类状态。

高频功率放大器的目的是把信号放大到需要的功率，进而通过天线发射出去。由于工作频率高，相对通频带较窄，一般采用调谐式负载。为了提高效率，放大器多工作在丙类状态。

从电路性质来看，低频功率放大器工作于线性情况下，而高频功率放大器工作于非线性情况下。

在分析方法上，高频功率放大器要复杂得多。

2.调谐功率放大器的工作原理

单管调谐高频功率放大器如图2-83所示。

从图中可以看到，放大器集电极负载是由L₃、C₂组成的并联谐振回路，它调谐在载频的基波上。晶体管的基极没有正向偏置电阻，通过自给偏压电阻R_e加上反向偏压，使放大器工作在丙类状态。

（1）采用丙类工作状态的原因

图2-83 单管调谐高频功率放大器

丙类放大器在没有信号输入时，晶体管静态电流等于0，而且基极与发射极间还加有反向偏置电压。丙类放大器波形如图2-84所示。当有信号输入而且输入电压足够大，使晶体管基极与发射极间的电压u_be大于晶体管导通电压时，基极电流i_b和集电极电流i_c才不为0，输入信号在每个周期内只有部分被放大，如图2-84a所示。因此，丙类放大器的直流耗散功率比乙类要小。高频功率放大器采用丙类放大的目的，在于降低晶体管的集电极耗散功率，最终提高输出功率和效率。但因丙类功率放大器的失真很大（集电极电流i_c的波形如图2-84b所示），谐波也多，所以要采用调谐回路做负载来解决信号失真问题。

图2-84 丙类放大器波形

（2）调谐式负载能减少失真和谐波的原因

在调谐功率放大器中，晶体管的集电极负载是LC并联谐振回路。回路调谐在输出信号的基波频率上，对基波的等效阻抗很大，而对谐波的等效阻抗很小。因此回路两端的输出电压几乎全是基波电压，其他频率成分（谐波成分）很少。这样，调谐放大器的输出电流虽然是失真很大的脉冲波形，但由于谐振回路的滤波作用，放大器仍能输出正弦波电压。

从能量转换的角度解释LC回路的滤波作用更容易理解。谐振回路由可以储存磁能的电感线圈L和可以储存电能的电容C组成。

图2-85所示是调谐功率放大器的电流、电压波形图。当晶体管导通时，调谐功率放大器由于通过集电极负载LC回路中电感L的电流不能突变，输出的脉冲电流流过电容C，使C充电。电容C两端电压逐渐上升，电流逐渐减小，电感L中的电流逐渐增大。当晶体管截止时，电容C放电，C中的电能转变为电感L中的磁能。如此，晶体管按照输入信号的规律周期性地导通、截止，电容、电感不断交换能量，形成等幅正弦振荡，振荡频率与LC回路的谐振频率相同。

（3）如何取得基极反向偏置电压

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图2-85 调谐功率放大器的电流、电压波形图

调谐功率放大器工作在丙类放大状态，晶体管的基极要加上反向偏置电压。一般反向偏置电压的产生方式有三种，图2-86给出了三种反向偏置电压供给方式的原理图。

图2-86a所示的电路中没有加任何偏置电阻，基极反向偏置电压的取得是利用晶体管本身的基极扩散电阻r_bb′的压降作用，即基极电流中的直流分量I_b在r_bb′上产生电压降，使晶体管的基极获得负偏压。由于L₂的圈数很少，直流电阻很小，反向偏置电压大小主要取决于r_bb′。r_bb′^一般数值不大，因此晶体管的负偏压也不大。另外，r_bb′的值不十分稳定，偏压的稳定性也受到影响。但因为电路简单，所以一般在输出功率不太大的时候，这种偏置方式仍被广泛采用。

图2-86b所示的偏置方式是利用基极电流中的直流分量I_b流过偏置电阻R_b产生反向偏置电压，偏压的大小可以通过调整R_b的值来控制。R_b两端并联的电容C为输入信号提供通路。

图2-86c所示的自给偏压方式，利用发射极电流中的直流分量I_e在发射极电阻R_e上产生的电压降来为基极提供反向偏置电压，R_e还具有负反馈的作用。

图2-86 三种反向偏置电压供给方式的原理图

（4）输出电路怎样与负载匹配

为了使输出功率有效地传送到下一级输入回路或天线回路，高频功率放大器和负载之间必须实现阻抗匹配，以保证放大器为负载提供尽可能大的功率。这里的阻抗匹配与小信号放大器中的阻抗匹配不是一个概念。因为高频功率放大器工作在丙类放大状态，晶体管导通和截止时，输出电阻相差很大，所以要求负载电阻与晶体管输出电阻匹配，显然没有意义。

高频功率放大器的阻抗匹配指的是在一定条件下，负载折合到晶体管输出端的等效负载电阻，要等于在要求的输出功率下放大器的最佳负载电阻。匹配不良时，放大器输出功率不能有效地送到负载上，晶体管集电极耗散功率增大，严重时将损坏晶体管。

下面以天线负载为例说明。输出回路与负载天线的连接一般采用两种方式。一种是天线负载直接接入集电极回路，如图2-87所示。这种方式电路简单，但是阻抗不易匹配，天线回路对谐振回路滤波性能有影响。图中L₂是天线的加感线圈，调整线圈的电感量可以使天线的辐射功率最大。图2-88所示电路是将天线回路通过变压器的互感与集电极回路耦合。图中L₃、C₂是天线回路的调谐元器件，它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态。当回路谐振时，回路电流最大，天线的辐射功率也最大。

图2-87 天线负载直接接入集电极回路

图2-88 天线回路通过互感与集电极回路耦合

传输效率与集电极调谐回路的Q_L值及耦合变压器一次侧、二次侧的耦合度有关。一般集电极调谐回路的有载Q_L值越小越好，而空载Q₀值越大越好。Q_L小表示在负载上“损耗”的功率大。但Q_L太小，回路的基波谐振阻抗降低，滤波特性将变坏。因此，Q_L的选择要兼顾传输效率和滤波性能。耦合变压器的耦合度一般越大越好，当然耦合太紧又将影响输出回路与天线回路的匹配关系。通常耦合度有一个最佳值，可以通过实验来调整。

高频功率放大器从电路和结构上看似乎较简单，但因为高频功率放大器对匹配网络及传输效率要求很高，而影响信号传输和回路匹配的因素又比较复杂，所以设计好的电路在安装后要进行精细的调整。调整中使用的电源、仪器等都要力求避免对放大器产生影响，否则放大器应用时的实际指标要低于调整达到的指标。

3.高频功率放大器实例

图2-89为某遥控发射机的实用电路，其工作频率是28～29.7MHz。电路分为两部分，由晶体管VT₁和晶体等组成的电路是产生28～29.7MHz载频信号的石英晶体振荡器；VT₂和L₃、C₄回路构成调谐功率放大器。T₁是输入变压器，T₂是输出变压器，它们的一次侧都接成并联谐振回路，都调谐在选定的载频上。T₂的二次侧L₄以天线回路为负载，放大的载频信号通过T₂的互感作用送给天线发射出去。C₁、C₃、C₅是高频旁路电容，R₄为VT₂提供反向偏置电压，C₆是高频滤波电容。L₅是天线加感线圈，调整L₅可以使天线辐射功率最大。

图2-89 某遥控发射机的实用电路