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第三章 高频功率放大器

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第3章 高频功率放大器电路

第3章 高频功率放大器电路
定义集电极效率为：
Po 1 I c1m U cm 1 C g 1 ( ) PD 2 I C0 VCC 2
（3.23） （3.24）
16
其中，
g 1 ( )
I c1m 1 ( ) I C0 0 ( )
U cm VCC
称为集电极电压利用系数， 1 。 称为波形系数。
g cU im iCmax 2 U cm U cm (1 cos ) Re (2 sin2 )
动态特性不仅与Re有关，而且与 有关。
20
图3.6 高频谐振功率放大器的动特性曲线
21
2.谐振功率放大器的工作状态 由图3.6可知，若改变电路参数，瞬时工作点 A(uBEmax , uCEmin ) 的位置可能发生移动。因此，根据A点的位置不同，谐振功率 放大器有欠压、临界和过压三种工作状态。
U im cos VBZ VBB
cos VBZ VBB U im
（3.10）
9
需要注意的是，VBB可正可负，即
VBZ VBB 的长度。将u
（VBZ VBB 就是图3.4中 )
BE代入式（3.7），并利用式（3.10）可得：
iC gc (uBE VBZ ) g c (VBB U im cost VBZ )
第 3 章 高频功率放大器电路
内 容
3.1 高频功率放大器概述 3.2 谐振功率放大器的工作原理 3.3 谐振功率放大器的特性分析 3.4 谐振功率放大器电路与设计 3.5 丁类和戊类谐振功率放大器 3.6 集成射频功率放大器及其应用简介 3.7 宽带高频功率放大器
2
3.1 高频功率放大器概述
高频功率放大器是各种无线电发射机的重要组成部分， 主要用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大，其输 出功率小到几毫瓦，大到几百瓦，上千瓦，甚至兆瓦量级。 在高频功率放大领域内扮演重要角色的是高频谐振功率放大 器。本章主要介绍高频谐振功放的基本原理、动态特性、功 率和效率等指标和高频谐振功放电路的实际设计，并简要介 绍了集成和宽带高频功放与有关技术。

高频电子线路第3章高频功率放大器

高频电子线路第3章高频功率放大器

ic I c 0 I c1m cos t I c 2m cos 2t ... I cnm cos nt
其中各分量的振幅：
1 I c0 2
I c1m 1
1 i d ( t ) c 2



c
c
c
c
I cM
cost cos c I sin c c cos c d (t ) cM ( ) 0 ( c ) I cM 1 cos c 1 cos c
窄带谐振放大器
有源器件 谐振回路 采用具有滤 波特性的选 频网络作为 负载
丙类
四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同
相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。 不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。
ic ic
ic ic
Q
o o
o
eb
t
尖顶余弦脉冲
图3-5丙类状态下集电极电流波形
1、iC表达式:
u BE VBB U bm cost 由 iC g c (u BE U BZ ) iC g c (VBB U bm cost U BZ )(3 9)
图3-3
2, iC两参数:I CM 、c
另外，为了分析方便，根据理想化输入特性，将理想化输 出特性曲线中的参变量ib 改为ube。
图中 ib=7mA，由输入特性
可知，uce=0.68V时，对应 的ic=180mA；而 ib=0 时， ube=0.6V，在0.60V-0.68V之 间，可按每间隔0.02V画出
水平线，即得到以ube为参
变量的理想化特性曲线。这 样的理想化特性正好满足gc 为常数。

第三章 高频功率放大器

第三章 高频功率放大器

A 1 2 3
eb=e max b
Im
C D
Rp 负载增大 VCC Q Vcm 1.欠压状态
1)欠压工作状态（AB）： 集电极最大点电流在临界线的右方，高 频一个周期内各工作点都处于饱和区。集 电极电流脉冲幅度大。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。 2)过压工作状态（BC） 集电极最大点电流进入临界线之左的放大 区，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。
载波信号 电压 放大器 末级功 率推动
已调信号
主振荡器
倍频器
末级功率 放大器（调制器）
送话器
低频电压 放大
低频功率 放大
基带信号
图1-2 无线电调幅广播发送设备组成框图
之前已经讨论改变Rp，但Uim、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。
特性曲线
1、输入特性曲线 2、输出特性曲线 3、转移特性曲线
iB
iC
iC
v BE
0 0
v BE
vCE
0

什么是负载特性： 在VCC ，VBB，uim不变的情况下，Rp变化，负 载线的变化。
uc I c1m RP cost其中ucm I c1m RP

所以负载特性是讨论ucm或者uce的变化导致ic 的一个变化关系
（由于工作在丙类Q点是不存在的，Q点称虚拟工作点） A点：t 0 o ，所以u be VBB Vim； ce VCC Vcm u 此时 u be 为它的峰值， ce 处于谷值 u

第3章高频功率放大器

第3章高频功率放大器

(n 1)
为余弦电流脉冲分解系数； 0 ( c )为直流分量分解系数； 1 ( c )为基波分量分解系数； n ( c )为n谐波分量分解系数。
第3章 高频功率放大器
为余弦电流脉冲分解系数； 0 ( c )为直流分量分解系数； 1 ( c )为基波分量分解系数； n ( c )为n谐波分量分解系数。
第3章 高频功率放大器
三、功率和效率
u BE VBB U bm cos t uCE VCC U cm cos t
直流输入功率：P 交流输出功率：
2 1 1 2 1 U cm P I c1mU cm I c1m R p o 2 2 2 Rp 集电极损耗功率： P P P c o 效率： Po 1 U cm I c1m 1 1 ( c ) 1 g1 ( c ) P 2 VCC I c 0 2 0 ( c ) 2 （ :电压利用系数， 1 ( c )：波形系数） g
第3章 高频功率放大器
2、iC两参数: I CM 、c
U BZ VBB cos c U bm 此式表明： 当U BZ、V BB和U bm已知时可确定 半通角 c或通角， c为全通角。 2
c 1800 为甲类放大； c 900 为乙类放大； c 900 为丙类放大。
第3章 高频功率放大器
功放的种类：甲类、乙类、丙类
第3章 高频功率放大器
第二节 丙类（C类）高频功率放大器工作原理 一、基本电路及其特点
特点： 1)VBB 0, 基极 提高效率
负偏压, 丙类功放
2)负载为LC回路
第3章 高频功率放大器
上图是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理 线路, 除电源和偏置电路外, 它是由晶体管、 谐振回路 和输入回路三部分组成的。其中： 晶体管：常采用NPN高频大功率晶体管，其特征 频率fT高 。 静态工作状态：一般在C类，即基极偏置为负值； 输入信号：输入信号为大信号，可达1～2V，甚至 更大。 工作状态：晶体管工作在截止和导通(线性放大)两 种状态，基极电流和集电极电流均为高频脉冲电流。 放大器的负载：用带抽头的LC并联谐振回路作负 载，可以起到选频和阻抗变换两方面的作用。

第三章 高频功率放大器

第三章 高频功率放大器

第三节 丙类高频功率放大器的折线分析法
其中，
U cm I 称为集电极电压利用系数；g1 c c1m 1 c 为波形系数。 I C0 0 c VCC
（五）几点说明 1、在ξ=1的理想条件下，
g 甲类放大器的导通角 c 1800 ， 1 c 1 ， 故甲类放大器的理想效率 c 50%
c 1200，输出功率最大，但效率低
c 10 ~ 150 ，效率最高，但输出功率低
因此，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，通常取c 600 ~ 800
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第三节 丙类高频功率放大器的折线分析法
例3-1 某谐振高频功率放大器，其中 VCC 24V，输出功率 Po 5W ， 晶体管集电极电流
2 cm
输出电压有效值
I c1m 电流有效值 2
与基波
之积
（三）集电极损耗功率
P P= P c o
直流输入功率与高频输出功率之差
（四）集电极效率
c
Po 1 U cm I c1m 1 g1 ( c ) P= 2 VCC I C0 2
首页
输出功率与直流输入功率之比
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当集电极回路调谐于高频输入信号频率时，由于回路的选择性，对集电 极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻 Rp 支路，其直流电阻很小，也可近似认为短路。 这样，脉冲形状的集电极电流 i 流经
C
；对各次谐波来说回路失谐，
呈现很小的阻抗，回路两端可近似认为短路；而直流分量只能通过回路电感
谐振回路时，只有基波电流才产生电压
图3-6 余弦脉冲分解系数与c 的关系
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高频电子线路阳昌汉版第3章高频功率放大器

高频电子线路阳昌汉版第3章高频功率放大器

输入匹配网络
根据晶体管的输入阻抗和信号源阻抗，设计合适的输入匹配网络 ，实现最大功率传输和最小失真。
输出匹配网络
根据负载阻抗和晶体管的输出阻抗，设计合适的输出匹配网络，实 现最大功率传输和最小失真。
阻抗变换
采用阻抗变换技术，如L型、π型或T型网络等，实现输入、输出阻 抗与信号源、负载阻抗的匹配。
04
高频功率放大器是一种电子设备 ，用于将低频信号放大为高频信 号，并且能够输出足够的功率以 驱动负载。
作用
高频功率放大器在通信、广播、 电视、雷达、导航等领域中广泛 应用，是实现信号传输和处理的 关键部件之一。
发展历程及现状
发展历程
高频功率放大器的发展经历了电子管、晶体管、集成电路等不同的技术阶段， 随着半导体技术的不断进步，高频功率放大器的性能不断提高，体积不断缩小 。
偏置电路设计
静态工作点设置
根据晶体管的特性和工作 要求，设置合适的静态工 作点，以确保放大器在正 常工作范围内。
温度补偿
采用温度补偿电路，减小 温度变化对放大器性能的 影响。
偏置电路稳定性
采用合适的偏置电路结构 和元件参数，确保偏置电 路的稳定性，避免自激振 荡和失真等问题。
输入输出匹配网络设计
模块化设计
实现不同功能模块之间 的灵活组合和配置，提 高放大器的适应性和可 扩展性。
数字化控制
采用数字信号处理技术 对放大器进行精确控制 和管理，提高性能和稳 定性。
面临的挑战及解决思路
散热问题
高频功率放大器在工作过程中会产生大量热量，需要采取有效的散 热措施，如使用高效散热器、优化散热结构等。
线性度与效率的矛盾
宽带放大技术
宽带放大原理
01

第三章---高频功率放大器知识讲解

第三章---高频功率放大器知识讲解
R
i(t) v(t) R
V 1msin1tV 2msin2t
R
输出电流中仅含ω１、ω２两个频率。
高频电子线路
若把它加到非线性元件 i v 2 上，则：
R
i(t) v(t)2
R
R 1 ( V 1 2 m s2 i1 t n V 2 2 m s2 i2 t n 2 V 1 m V 2 m si 1 ts ni 2 t ) n
高频电子线路
在电子技术中一些非常重要的现象和过程都属 于非线性现象和参量现象，工程上为了简化计算， 较多的场合不用求解微分方程，而采用一些近似 分析方法。 3.2.1非线性元件的特性
(1)、非线性电阻器
直流电阻
R Vo 1
Io tg
线性电阻器特性
高频电子线路
静态电阻 R Vo 1
Io tg
V2 1m (1c
2R
o2s1t)V 22R 2m(1c
o2s2t)
2V1mV2m[c R
o s1(2)t
c
o s1 (2)t]
可见，输电流中出现新频率：直流、２ω１、２ω２、 ω１＋ω２、ω１－ω２
高频电子线路
(3) 、非线性电路不满足叠加原理
对于非线性元件
i v2 R
，若 v 1 V 1 m sin 1 t
在输入信号很大时，非线性元件的特性可用折线 近似，如三极管的转移特性可用折线近似：
ic 0 ic g c (v B v Bz )
(v B v Bz ) (v B v Bz )
三极管的转移特性可用折线近似 高频电子线路
高频电子线路
3.3 谐振高频功率放大器原理
3.3.1.基本电路 3.3.2.工作状态
vb

高频电子线路第3章-高频功率放大器

高频电子线路第3章-高频功率放大器

中间级
输出级
特点： （1）输入信号大，一般在几百毫
伏～几伏数量级 （2）一般VBB < UBZ，发射结反偏，
保证放大器工作于丙类状态。 （3）负载为LC回路，调谐于输入信号
的中心频率，选频滤波和阻抗变换 作用。 （4）采用近似的分析方法——折线法 来分析其工作原理和工作状态。
6
三、丙类高频功率放大器的工作原理
U0 VCC Ucm cosc
故动态特性的表示形式：
iC gd (uCE U0 )
uBE UBZ
iC 0
uBE UBZ
可见动态特性为折线，而不是一条直线。
21
4.动态特性的画法
iC
(一) 截距法
（1）在输出特性的 uCE 轴上取截距为
U0 VCC Ucm cosc得B点
A
•
gd
（2）u通be过m aBx点线作于斜A率点为，则gdB的A直直线线交即为
iC
iB
+
uBE
+ uCE
–
iC
iC
•
-
gc
uc
ICM
+
• • VBB
c
UBZ
uBEc c
c
ub
Ubm
设ub Ubm cost
则uBE VBB Ubm cost,VBB U BZ
iC 为尖顶余弦脉冲 ,可用傅立叶级数展开
7
uBE
UBZ
VBB
0 c
t
iB
iBmax
iC IC0 Ic1m cost （基波）
段的动态特性，则AB-BC为总动态特性
22
(二）虚拟电流法 在uCE VCC时，iC IQ

第 3 章 高频功率放大器

第 3 章 高频功率放大器
u BE VBB ui VBB U im cost
将晶体管输入特性曲线理想化，近似为 直线交横轴于 U TH 。可见管子工作在丙类状 态，只在小半小时周期内导通。如图3-2所 示。
图3-2
集电级输出回路谐调在输入信号 频率ω 上，若回路谐振电阻为 Rp ，则 可得 U C为 U C I c1m Rp cost 三极管集电极和发射极之间的瞬时 电压为 uCE VCC U cm cost
（2）4：1和1：4阻抗变换器。传 输线变压器可以构成阻抗变换器， 最常用的是4：1和1：4阻抗变换器。 将传输线变压器按图3-20a接线， 就可以实现4：1的阻抗变换，图320 b是它的电路图。
图3-20 4:1传输线变压器 可见，输入阻抗是负载阻抗的4倍，从而实 现了4：1的阻抗变换。
图3-21 1：4传输变压器
当n>2时，为了有效的抑制低于n的各次谐 波分量，实际丙类倍频器输出回路常采用 陷波电路，如图3-17所示为三倍频。
图3-17 带有陷波电路的三倍频器
3.4 宽带高频功率放大器 3.4.1 传输线变压器
1.传输线变压器的工作原理 传输线变压器是将传输线绕在髙磁导率、低消耗的磁 环上构成的。传输线可采用扭绞线、平行线、同轴线等， 而磁环一般由镍锌高频铁氧体制成，其直径小的只有几毫 米，大的有几十毫米，视功率大小而定。传输线变压器与 普通变压器相比，其主要特点是工作频带极宽，它的上限 频率可达上千兆赫兹，频率覆盖系数可达10000。而普 通变压器的上限频率只有几十兆赫兹，频率覆盖系数只有 几百或几千。传输线变压器的工作方式是传输线原理和变 压器原理相结合，即其能量根据激励信号频率的不同以传 输线或以变压器方式传输。
2. 传输线变压器的应用
（1）平衡和不平衡电路的转换。传输线变压 器可实现平衡和不平衡电路的转换，如图 3-19所示。

高频电路第3章 高频功率放大器

高频电路第3章 高频功率放大器
基波分量越小越好。
高频电子线路
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第二节 谐振高频功率放大器的工作原理
一、基本电路形式
无论中间级还是输出级电路都可以等效为： 输入回路、非线性器件和带通滤波器成。
高频电子线路
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谐振功率放大器原理图
二、基本特点
谐振于输入 信号的频率
特点： ①为了提高效率，放大器常工作于 丙类状态，流过晶体管的电流为失真 的脉冲波形； ②负载为谐振回路 取出基波分量，获
二、高频功率放大器的分类
1.按工作频率分：窄带功率放大器（丙类）-------------谐振功率放大器 宽带功率放大器（甲类或乙类推挽）--非谐振‥ ‥ 2.按放大器的工作类型分：甲、乙、丙、丁、戊类放大。 二、主要技术指标 1、输出功率:放大器的负载得到的功率。 2、效率:高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转换的效率。 3、功率增益:高频输出功率和信号输入功率的比值. 5、谐波抑制度:是对非线性高频功率放大器而提出的，也就是谐波分量相对于
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称为余弦电流脉冲分解系数。 0 (c ) 为直流分量分解系数； 1 (c ) 为 基波分量分解系数； n (c ) 为n次谐波分量分解系数。
1 c 的关系。 下图给出了 、 、 、 和 与 g 1 2 0 3

0
1
g1 1g 与 c 的关系 1 0
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放大器谐振回路调谐于输入信号频率 时。其外部电路的关系 式为 U V U cos t; V U
be bb bm
U ce Vcc U cm cos t

第3章高频功率放大器

第3章高频功率放大器
管子的保护 提高效率
遗留问题：
（1） 丙类导通角<90o，何时最优？ （2） 放大、临界、饱和，何处最优？
功率放大器的的概述
五、高频功率放大器的分类
1、窄带高频功率放大器：以LC谐振回路为负
载又称谐振功率放大器，主要工作在丙类 或者丁类。（主要掌握的内容） 2、宽带高频功率放大器：以传输变压器为负载 工作在甲类，采用功率合成技术来增大输出 功率。在军事上为了保密和反敌干扰多采用 此放大器
2.晶体管工作在什么区？（在后续的课程中仔细体会）
强调：功率放大的含义
根据能量守恒定律能量是不能放大的，功率放大 的本质是将直流电源VCC的能量转化为高频交流信号能 量的形式的过程，从现象上看就是高频小功率信号被 放大为高频大 功率信号。
3.1 丙类谐振功率放大器的工作原理
二、工作原理及性能分析
uBE＝ Uim coswt –VBB
iC vbemax
V BZ
－ V BB
t
vBE
Uim
1 Pc T

T 0
i C v CE dt
1. iC 脉冲最大时，vCE最小，使得Pc较小； 2. 导通时间越短，即导通角越小，
导通角qc <90o，Pc越小；
三种类型功率放大器的比较
转移特性曲线
ic f uBE u
C E 常量
1 π PC uCE iC d t 2π π
结论：要提高高频功率放大器的输出效率，就要
尽可能降低器件的功率损耗，因此谐振功
率放大器中晶体管工作在丙类工作状态。
功率放大器的的概述
2. 效率与失真矛盾的解决
重点体会：电流波形严重失真，但输出波形又
不失真（完整的正弦波），且频率

高频电子线路第三章高频功率放大器全解

高频电子线路第三章高频功率放大器全解
其中
U bm gd g U cm
U CCU bm U BBU cm U onU cm U0 U bm
由图（3.2.5）可以写出斜率值gd的另一种形式：
I Cm gd U cm (1 cos )
因为
I c1m I Cm1 ( )
R
U cm I c1m
所以
1 Rd 1 ( )(1 cos ) R gd
思考2：高频功放和低频功放的异同点？
相同点： 都是功率放大，追求的 目标都是高效、大功率。 不同点： 1、负载不同。 2、频率（频带）不同。
3.1 概述
1.什么叫功率放大电路？(《模拟电路》) 在实用电路中，往往要求放大电路的末级（即输出级） 输出一定功率，以驱动负载。能够向负载提供足够信号 功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

功放实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量 转化为交流能量。同时必然存在一定的能量损耗。
功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出 大电流，而是追求在电源（直流）电压确定的情况下， 输出尽可能大的功率。 主要类型：甲类、乙类、甲乙类、丙类等。 主要指标:输出功率Po 、效率η


2. 高频（谐振）功率放大器
iC
iC=g(uBE-Uon) 0
uBE≥Uon 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为半通角，且 0°≤θ≤180°。
﹡晶体管内部特性(也叫转移特性)：
iC=g(UBB+Ubmcosωt-Uon)
(3.2.7)
当ωt=θ时, iC=0，可得到导通角计算式:

0
u CE

第三章高频功率放大器

第三章高频功率放大器

分电压与电流的关系
11
二、输出功率和效率计算
功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控 制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流 信号功率输出去。
有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集 电极耗散功率。表示转换能力，引入集电极效率的概念。
Pdc=直流电源供给的直流功率； Po=集电极交流输出基波信号功率； Pc=集电极耗散功率；
高频区:0.2fT<f工作<fT (考虑内部电抗、引线电感等)
20
根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的 一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。
ic gc
ic
临界线
过压区 gcr
欠压区
vB
0 VBZ
(a)
理想化折线 （虚线）
vB 0 (b)
晶体管实际特性和理想折线
vC 21
由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流 只受基极电压的控制，而与集电极电压无关。
故得：
cosc
VBB VBZ Vbm
必须强调指出，集电极电流ic虽
然是脉冲状，但由于谐振回路的
这种滤波作用，仍然能得到正弦
波形的输出。
ic
ic
转移
特性
ic max
理想化
–VBB
t
+c o VBZ o
–c
vB +c o –c vb
Vbm
m
vBmax
t
谐振功率放大器转移特性曲线
谐振功率放大器各部分的电压与电 流的波形图如下图所示
到最大值。这样看来， 取c=120应该是最佳通 角了。但此时放大器处
于甲乙类工作状态效率太低。尖源自脉冲的分解系数18c

13-14 第三章 高频功率放大器

13-14 第三章 高频功率放大器

ic gc Vbb U bm cos wt - U BZ
gc
U BZ - Vbb U bm
gc U bm cos wt - U bm cos qc
UBZ uBE
ic g c u BE - U BZ
I c max g cU bm 1 - cosq c
上述两式相比，ic I c max
上节回顾
1、如何实现高频功率信号放大器的高效率问题？
减少集电极的损耗 工作状态的选择 减少集电极电流的流通时间
2、工作状态有哪些，如何控制？
ic ib ub + + uBE Cb
ic
Q
ic
+ uCE gc 0 UBZ
•
uBE
0
2qC=360°
wt
Vbb
甲类工作
uBE Vbb ub Vbb U bm coswt
1 2
q
-
qc
ic coswtd (wt ) I cmax (
c
1 q c - sinq c cosq c ) I cmax 1 q c 1 - cosq c

2 sinnq c cosq c - q c cos nq c sinq c ic cos nwtd (wt ) ic max ) I cmax n q c 2 -q c n n - 1 1 - cosq c
wt
ic
ic
ic
ic
Icmax
gc
Q
gc
Q
BZ
0
• U
uBE
0 2qC=180°
wt
-qC
•0
UBZ

第三章高频功率放大器要点

第三章高频功率放大器要点

3.3丙类谐振功率放大器工作状态的分析
3.3.1晶体管的集电极动态特性
1.动态特性 2.晶体管输出特性的折线化
3.动态特性的作法
(1) 写出 和 表达式
(2) 作出动态特性
(3) 画出波形
(4) 根据图进行讨论
3.3.2 高频功率放大器的负载特性
(1) 负载特性
(2) 对 ic 波形的影响
第三章 高频功率放大器
概述 高频功率放大器的工作原理 丙类谐振功率放大器工作状态的分析 调谐功率放大器的组成
3.1 概述
3.2高频功率放大器的工作原理
3.2.1高频调谐功率放大器特点
从电压、电流波形上看，丙类工作 状态为什么效率高？
3.2.2 工作原理
3.2.3 输出功率和效率的计算
(3) 讨论
3.3.3 各级电压对工作状态的影响
过压
临界 欠压
过压
临界 欠压
3.4 谐调功率放大器的电路组成
3.4.1谐调功率放大器的馈电线路
ห้องสมุดไป่ตู้
3.4 丁类功率放大器简介

第三章 高频功率放大器

第三章 高频功率放大器

∴
A 'B 段的电压：
u A' B Vcc U c cos （Vcc - U c） u A' B Vcc U c cos Vcc U c U c (1 cos )
Rd
VA' B I cM

U c (1 cos ) I c1 R p (1 cos ) （I c1R p：谐振基波电压） I cM I cM I c1 ） I cM
开启电压
晶体管输入特性曲线
大于VbZ ,导通 小于VbZ,截止
一个周期中，只有( –θ,θ ) 是导 通的，所以ib 是一串尖顶余弦脉 冲，以 IbM 为高度，以 2θ为宽 度，以T为周期。 2θ 称为导通角， θ称为截止角（截止起点）。由 于 2 , 2 ，认为是工作 在丙类状态。
上式中：
gd g
V U Vbb U c Vbz U c Vo cc b Ub
输送到负载上去。
作图法求负载线：
方法：求二点就可以做直线：（或用一点和斜率）
①取 t 0 : ②取t 2 :
ube Vbb uce Vcc
ube Vbb U b U be max uce Vcc U c U cemin
I c1 1 () I cM ① 90 180 时， 1 ( ) 大。在θ ＝120∘时， 1 ( ) 最大， 也达到最大值，集电极输出功率达到最大值，因而高频功放最好 工作在甲乙类。但这时集电极效率低，所以还是选θ ＝70∘
2 ( ) 最大，I () I 最大，可以用来实现二倍频。 ②θ ＝60∘时， c2 2 cM 3 ( ) 最大，I c 3 3 () I cM 最大，可以用来实现三倍频。 ③θ ＝45∘时，

w第3章-1-高频功率放大器解析

w第3章-1-高频功率放大器解析
2、放大区
收集能力充足，因此集电极电流只受
基极电流的控制，而与集电极电压无关，各条特性曲线均为平行的水平线。
ic = βib ，
利用前面：ib gb (ube Ubz )，当ube Ubz
为了下面分析方便，理想化输出特性曲线中的参变量ib改为ube， ic = βib = β gb(ube - Ubz) =gc (ube - Ubz)
1 2
I
2 c1m
R
p
1
U
2 cm
2 Rp
1 2
U
cm
I
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c1m
U cm R p I c1m
3、晶体管集电极消耗的功率
Pc P Po
4、集电极的效率
c
Po P
1 Ucm Ic1m 2 VCC Ic0
1 2
g1
(c
)
Ucm / VCC称为集电极电压利用系数， 1(说明）
g1(c ) Ic1m /Ic0 1(c ) / 0 (c )称为波形系数
I cM
2
sin
nc cosc n cos nc sin c n(n2 1)(1 cosc )
IcM n
(c
)
α 称为余弦脉冲分解系数,α0(θc) 称为直流分量分解系数,α1(θc) 称为基波分量分解 系数,αn(θc) 称为n次谐波分量分解系数,以上系数均可查表获得。
高频电路 g1
采用类似于模拟电路的图解方法:找到两个 ic与uce的关系方程，图解两个方程的交线，即 是丙类功率放大器的动态特性。
同样我们已知三极管的输出特性，并已理 想化线性放大区： ic = gc (ube - Ubz)
只要再找到另外一个方程即可。
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1、输出功率：放大器的负载Rl上得到的功率的最大不失真功率。 2、效率：高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值。也就是能量转换的效率。 3、功率增益：高频输出功率和信号输入功率的比值。 4、谐波抑制度和非线性失真。 谐波抑制度是对非线性高频功率放大器而提出的，是谐振回路的选频好坏，也就是谐波 分量对于基波分量越小越好。 非线性失真是对非线性功率放大器而言，是器件的非线性引起的，它是希望谐振分量相 对基波分量越小越好。
∫− π ic d ω t = 2 π ∫−θ
π
1
θc
c
I cM
cos ω t − cos θ c dω t (1 − cos θ c )
= I cM
sin θ c − θ c cos θ c = I cM α o (θ c ) π (1 − cos θ c )
π
I c1m =
1 π∫− πic 源自os ωt dωt =1 0
图3-7 余弦脉冲分解系数与θc的关系
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
四、功率与效率
（一）直流电源Vcc供给的直流功率
P = V CC I CO
1 1 2 1 U2 P0 = U cm I c1m = I c1m R p = ⋅ cm 2 2 2 Rp
图3－4各极电流电压波形
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
一、丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器的折线分析法
1、工作大信号和非线性工作状态。 2、采用将晶体管特性曲线理想化成为折线进行分析，称为折线分析法。
二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式 晶体管特性曲线的理想化及其解析式
∆ic
图3-5 晶体管特性的理想化
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第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法 丙类（ 类
三、集电极余弦电流脉冲的分解
（一）余弦电流脉冲的表示式 图3-6是丙类放大器在电源 VCC 、Vbb 晶体管 的 gc 、ubz 输入电压 ub = ubm cos ωt 确定的条 件下得到的集电极电流 ic 的波形 由图3-3已知晶体管的 ube = vcc + ubm cos ωt 。而晶体 管理想化正向传输特性可表示为
输出功率与直流输入功率之比定义为效率
（五）几点说明 1、
ηc =
Po 1 U cm I c1m 1 = = ξg1 (θ c ) P= 2 Vcc I co 2
其中，ξ=Ucm/Vcc称为集电极电压利用系数； g1(θc)=Ic1m/Ico=α1(θc)/αo(θc)称为波形系数。
2、在ξ=1的理想条件下， （1）甲类放大器的通角θc为180°， g1 (θc)=1，故甲类放大器的理想效率ηc=50%； （2）乙类放大器的通角θc为90°， g1 (θc)=1.57，故乙类放大器的理想效率ηc=78.5%； （3）丙类放大器的通角θc小于90°, g(θc)＞1.57，故丙类放大器的理想效率ηc＞78.5%。 1 3、电阻Rp一定的条件下，θc=120°时，输出功率最大，而θc=1°～15°时，效率最高。但是 ，θc=120°时，集电极理想效率只有66%；θc=1°～15°时，输出功率很小。故在实际 运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，通常取θc=60°～80°。
式中 g d = − g c ubm u 是动态特性的斜率，u0 是在 uce 轴上的截距，其值为
cm
U 0 = Vcc − U cm cos θ c
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
具体做法
ωt = 0
cos θ c 代入 ic ic = g c ubm (cos ωt − cos θ c )
时， ic = I cm ，可得
cos ωt − cos θ c 1 − cosθ c
I cm = g c ubm (1 − cos θ c )
ic = I cm
图3-6 丙类状态下集电极电流波形
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
（二）余弦电流脉冲的分解系数 周期性的电流脉冲可以用傅氏级数表示。 ic = I co + I c1m cos ωt + I c 2 m cos 2ωt + ... + I cnm cos nωt 其中，
I c0 = 1 2π
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
五、动态特性
(一）什么是动态特性？ 在谐振功率放大器的电路参数确定的条件下，它就是电源电压（ vcc 和 vbb ）、 晶体管（g c 、ubz ）、输入信号 ub = ubm cos ωt 和输出电压 uc = ucm cos ωt （或谐振回路 的谐振电阻 R p ）一定的条件下，集电极电流 i c = f (ube , uce ) 的关系称为放大器的动态 特性。 （二）动态特性的作法 根据电路的已知条件在晶体管的理想化特性曲线上作动态特性可以采用截距法 和虚拟电流法两种方式
ω
高频功率放大 器
ω
图3-1 高频功率放大器的频谱表示
二、高频功率放大器的分类
1.按工作频率分为窄带放大器和宽带放大器两类。窄带需要谐振回路，而宽带不需要。 2.按放大方式分为线性高频功率放大器和非线性高频功率放大器。 3.按放大器的工作类型分为甲、乙、丙、丁、戊类放大。
三、高频功率放大器的主要技术指标
本章教学主要内容
第一节 概述 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法 第四节 丙类功率放大器的电路 第五节 丁类（D类）和戊类（E类）高频功率放大器 第六节 宽频带高频功率放大器 第七节 功率合成
第一节
一、高频功率放大器的功能
概 述
1.功能：用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器将直流电源供给的能量转换为大 功率的高频能量输出。 2.功能的频谱表示：高频功率放大器的输出信号与输入信号的频谱相同。
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丙类（ 类 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理
图3-3 丙类高频功率放大器原理图
二、工作原理 工作原理
丙类功率放大器在直流电源Vcc、偏置电压Vbb、输出电压ub=Ubmcosωt出晶体管和 ω RP 谐振于 的并联谐振回路的谐振电阻 确定的条件下，放大器各极电压的关系如 图3-4所示：
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丙类（ 类 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理
图(a)是由晶体管的正向传输特性 i c = f (ubc ) 在 vbb 和 u b = u bm cos ω t 的作用下，产生 ic 为余弦脉冲状电流。只用当 u be = v cc + u b 大于晶体管导通电压 u bz 才能产生电流 ic 。
图(b)是在 ube作用下产生 ib 和 ic 均为余弦脉 冲状，由于高频功率放大器的谐振回路调 谐于输入信号频率 ω ，则输出电压为电流 脉冲的基波分量于回路谐振电阻 R p 的乘积 u c = I crm RP cos ωt = u cm cos ωt 晶体管ce间的电压
u ce = vcc − u cm cos ωt
1.正向传输特性曲线 图3-5是理想化的正向传输特性，其解析 式为 0 (U be < U bz ) i = g (u − U ) (U be ≥ U bz ) U 其中, g c = ∆ic ∆u ,称为跨导。 bz 称为理想
c c be bz
be
化特性的导通电压。 2.输出特性 图3-5（b）是理想化的输出特性。它可 分为饱和区、放大区和截至区。 （1）饱和区 ic = g cr u ce 式中，g cr = ∆uce ，为饱和临界线的斜率 （2）放大区 ic = g c (ube − ubz ) (U be ≥ U bz ) (U be < U bz ) （3）截至区 ic = 0
图3-3 丙类高频功率放大器原理图 首页 上一页 下一页 退出
丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
1.截距法作动态特性
由电路图已知放大器谐振回路调谐于输入信号频率
U be = Vbb + U bm cos ωt U ce = Vcc − U cm cos ωt
ω 。其外部电路的关系式为
第三章 高频功率放大器
本章教学基本要求
一、了解高频功率放大器的功能和性能指标 二、掌握C类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法。 三、了解传输变压器的工作原理和应用特点。掌握用传输线变压器实现阻抗变换的方 法、了解用传输变压器实现功率合成、功率分配的方法。了解D类、 E类功率放 大器的特点。
cos ωt − cos θ c 1 θc I cM cos ωtdωt π −θ c (1 − cos θ c )
∫
= I cM
θ c − sin θ c cos θ c = I cM α1 (θ c ) π (1 − cos θ c )
I cnm =
1 π
∫− π
π
ic cos ωt dωt =
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丙类（ 类 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理
一、基本电路及其特点
图3-2 丙类高频功率放大电路
1.图3-2(a)是用于发射机中见的丙类高频功率放大器原理电路。 2.图3-2(b) 是用于发射机输出级的丙类高频功率放大器原理电路，负载为天线。 3.它们与高频小信号谐振放大器的区别在于Vbb放的数值使静态处于截止状态，输出信号较大时 才导通，也就是放大器是非线性放大。 4.在输入信号的作用下，集电极电流为脉冲状，而输出电压是由LC回路组成的带通滤波器取电 流脉冲的基波分量与回路谐振电阻之比。 5.无论中间级还是输出级电路都可以等效为输入回路、非线性器件和带通滤波器组成。图3-3 5. 所示就是等效的原理电路图