高频电子线路第三章高频功率放大器(上课)

图3.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形
第3章 通信信号的发送
图3.1中，输出回路中用LC谐振电路作选频网络。这时，
谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压，如图3.2(e)所示。
由于晶体管工作在丙类状态，晶体管的集电极电流iC是一个
周期性的余弦脉冲，用傅氏级数展开iC，则得
iC=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt (3- 1)
1 π 1 sin cos I c 0 π iC dt iC max 2π 1 cos π 0 iC max
(3- 13)
1 π iC max sin cos I c1 π iC costdt π π 1 cos 1 iC max
振幅就越小。因此，在谐振功率放大器中只需研究直流功率
及基波功率。
第3章 通信信号的发送
图3.4 余弦脉冲分解系数
第3章 通信信号的发送
放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在有载谐
振电阻RP上的功率，即
1 1 2 Po I c1U cm I c1 RP 2 2 2 RP
2 U cm 1
的转换效率。为了提高功率放大器的效率，通常选择放大元 件工作在丙类状态。在这种状态下，晶体管处于非线性工作 区域，晶体管集电极电流通角小于90°。
第3章 通信信号的发送
工作在丙类状态下的晶体管输出电流与输入信号之间存
在着严重的非线性失真，在高频功率放大器中采用谐振选频
负载方法来滤除非线性失真，以获得接近正弦波的输出电压 波形，这一类高频功率放大器通常称为窄带功率放大器或谐 振功率放大器。窄带信号是指带宽远小于中心频率的信号。 例如, 中波广播电台的带宽为10 kHz，如果中心频率为1000

Po
O欠压
临界
PC
过压
RP
电压、电流变化曲线
功率、效率变化曲线
临界时Po最大， PC较小，效率较高，功放性能最佳。
匹配 负载
Rpopt
1
U
2 cm
2 Po
1（VCC UCE(sat)）2
2
Po
3.3 谐振功率放大器电路
主要要求：
了解谐振功放常用的直流馈电电路及其特点。 掌握谐振功放中滤波匹配网络的作用，了解其 主要要求。 了解基本滤波匹配网络的组成、分析与设计。
C
Po PD
1 2
I c1m I C0
Ucm VCC
1 1( ) Ucm 2 0 ( ) VCC
1 2
g1 (
)
3.2 谐振功率放大器的特性分析
主要要求：
理解谐振功放过压、欠压、临界工作状态的特点 掌握丙类谐振功放的负载特性。
了解VCC、VBB 、Uim对谐振功放工作状态的影响
了解谐振功放的应用
RP 1 RL
（2） 高阻变低阻型
L
L
C’
RP
C RL
RP
R’L
电路在工作频率上达到串联谐振，即
Q根据阻抗匹配要求确定，即 Q RL 1 RP
LC网络的阻抗变换作用
1. 串并联网络的阻抗变换
XS
YS
RS
RP XP YP
RP RS (1 Q2 )
1 X P XS (1 Q2 )
串并联网络变换后，电抗性质不变
2. L型滤波匹配网络的阻抗变换 （1）低阻变高阻型
L
RP C
RL
RP C
L’ R’L
电路在工作频率上达到并联谐振，即

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

是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正 好落在临界线上。
高频电子线路
1、欠压、临界和过压工作状态
iC
O
欠压区 t
iC
O
uCEmin
VCC VCC
O
临界 t
uCE
uc
uCE= VCC － uc uCEmin= VCC － Ucm
O
iC 过压区 t
ωt
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2、谐振电阻Re对集电极电流的影响
VC3
欠压 V C2
临界
而在过压区，输出电流的振幅
将随VCC的减小而下降，故输
VC5
V C4 过压
出功率也随之下降。
VCC对高频谐振功率放大器工作状态的影响
高频电子线路
集电极调制特性 集电极调制特性指的是：当Re、VBB 、Vim 不变时， Vcm随
VCC变化的特性。在VCC改变时，这个特性是晶体管集电极
(2) 作出动态特性
高频电子线路
(3) 画出波形
高频电子线路
(4) 根据图进行讨论
高频电子线路
高频电子线路
四、欠压、临界和过压工作状态
在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入 饱和区，将放大区的工作状态分为三种：
1)欠压工作状态：
集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压 较低且变化较大。 2)过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流 输出电压较高且变化不大。 3)临界工作状态：
3.1.1 基本工作原理
一、 放大器的工作状态
2θ
2θ
2θ
甲类（ θ＝180◦）
乙类（ θ＝90◦）
丙类（ θ<90◦）
1 集电极耗散功率 PC 2

周期波形，可以进行傅立叶分解，即这个周期波形是由直
流、基波及各次谐波构成的。 iB＝IB0＋Ib1mcoswt＋Ib2mcos2wt＋…＋Ibnmcosnwt＋…
(3-2)
iC＝IC0＋Ic1mcoswt＋Ic2mcos2wt＋…＋Icnmcosnwt＋… (3-3)
16
那么高频谐振功率放大器的输出电压是否也是余弦脉
如图3-3(f)所示。
(3-7)
从上面的分析可知，虽然工作于丙类状态的谐振功率放大
器集电极电流ic是脉冲波形，但由于谐振回路的滤波作用 (回路调谐于基波频率)，回路两端产生的负载电压uf仍为与 输入信号ub频率相同的余弦电压。输出信号基本没有失真。
20
改变接入系数pL、波阻抗r、有载品质因数Qe，均可改
越高，功耗就越大，因此其工作频率一般不会太高。在丁 (D)类功率放大器的基础上，对电路进行改进，在减小功耗
的同时，提高工作频率，这就形成了戊(E)类功率放大器。
丁(D)类和戊(E)类功率放大器是高频功率放大器的一个新的 发展趋势。功率放大器常见的几种工作状态的特点见表3-1。
7
表3-1 功率放大器常见的几种工作状态的特点
甲乙(AB)类、乙(B)类、丙(C)类、丁(D)类、戊(E)类等。甲
类放大器的电流导通角q＝180°，一般适用于小信号电压 放大器。乙类放大器的电流导通角q＝90°，甲乙类放大器
的电流导通角90°<q<180°，这两类放大器主要用于功率
放大，但其效率还不够高。在高频应用领域，高频功率放 大器通常工作于丙类状态，即电流导通角q<90°。由于处
0.2～0.3 V)，gc为晶体管的跨导。
图3-4(b)所示为折线化后的晶体管输出特性，斜线OC 穿过每一条静态输出特性曲线的拐点，即临界点，因此该

LC并联回路两 端的压降
晶体管c、 e极间压降
uc RpIc1m cost
uc电压符号的定义：
下为+，上为-
Ucm Ic1mRp
uce VCC uc VCC RpIc1m cost VCC Ucm cost
高频电子
uce VCC Ucm cost
Ucm Ic1m Rp
由于谐振回路的选频， 集电极的输出电压仍 是与输入电压相同的 正弦波，相位相反， 幅度增大。
高频电子 推导第二个ic=f(uce)
当放大器工作在谐振状态时
ube uce
Vbb Vcc
Ubm U cm
cos t cos t
ube
Vbb
Ubm
Vcc uce U cm
晶体管外部电路 约束，方程1
ic gc (ube Ubz )
ube≥Ubz，晶体管工作在线性区时，内部约束，方程2
9kHz,相对带宽0.6 ℅～1.7℅.
高频第电子二节 谐振高频功放的工作原理
一、基本电路及其特点
电路形式：中间级（a）、输出级（b）
实际负载 是天线
实际负载是 下一级的输 入阻抗
中间级、输出级的负载均 可等效为并联谐振回路
天线等效阻
抗 CA 、rA
高频电子 高频功率放大器的特点
特点1、为了提高效率，放 大器常工作于丙类状态， 晶体管发射结为静态负偏 压，由Vbb< 0来保证。流 过晶体管的电流为失真的 脉冲波型；非线性状态 （非线性电路），且输入 是大信号；
高频输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。由于 输出功率高，通常要求效率高，因此，高频功率放大器多选择 工作在丙类工作状态。
三、高频功率放大器的分类

2019年9月4日星期三
例2 29
2、各级电压对工作状态的影响 以上着重讨论了负载阻抗对放大器工作状态的影响。现在 我们来研究各级电压变化时，对放大器工作状态的影响。
（1） 改变UCC对工作状态的影响
通常，UCC保持不变。但在集电极调幅电路中，则是依靠改 变UCC来实现调幅过程。因此有必要研究当负载、UBB、Ubm保 持不变，只改变UCC时，放大器工作状态的变化。
2019年9月4日星期三
13
直流功耗PD：
PD＝UCCIC0
交流功率Po：
PO

I c1U c

1 2
I
c1mU
cm

1 2
I
2
c1m
R
集电极效率η：
PO 1 Ic1mUcm
PD 2 IC0U cc
集电极功耗PC： PC PD PO PD (1 )
实现大功率、高效率的途径：
2019年9月4日星期三
15
ic 转移特性
斜率为 g
ic
Icm
UBB O Uon
Ubm
ωt uBE
θ
Ubmcosθ
Ubm（1-cosθ）
（1）当ωt=θ时， ic=0
丙类功放的工作状态
Ubm cos Uon U BB
uBE U BB Ubm cost
2）当ωt=0时， ic=Icm
当晶体管确定以后，Ucm与UBB、UCC、 R∑和Ubm四个 参数都有关系。
2019年9月4日星期三
21
下图所示为折线化转移特性和输出特性曲线：
动态线
ic
转移特性
UBB O
斜率 g
Uon

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

乙类工作状态： c 90

g1 ( c) 1
g1 ( c) 1.57
c 50%
c 78.5% c 78.5%
丙类工作状态： c 90
导通角的选择
g1 ( c) 1.57
在实际运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率， 谐振功率放大器导通角常取θc=60°～80°。
π
I c1m
1 π
π
ic cosωt dt
cos t cos c 1 c I cM costdt π c (1 cos c )

I cM
c sin c cos c I cM 1 ( c ) π(1 cos c )
cos t cos c 1 c I cM cosntdt π c (1 cos c )
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六、负载特性
1、负载特性定义 U bz 、 Vbb 、 U bm 一定的条件下，改变谐振回路的谐振电阻 R ， gc 、 在 Vcc 、 P 高频功率放大器的工作状态、电流、电压、功率和效率随 R P的变化关 系，称为负载特性
2、负载特性的分析 ①工作状态随 R P 的变化关系
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七、各级电压变化对工作状态的影响
U bm gc U Vbb 1、集电极电源电压Vcc 变化对工作状态的影响（在 、 、 bz、 、RP 不变的 条件下）
①随着Vcc的增加工作状态由过压→临界→欠压。
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②改变Vcc对电流、电压、功率、效率的影响
得正弦电压波形。

(1)uBE U BB Ubm cost
(2)uCE UCC uc UCC Ucm cost Ucc I c1m RP cost
g (u BE U bz ) (3)ic 0
u BE U bz u BE U bz
第 4章
噪声与高频小信号放大器
是不同的： 在高频时，主要通过电磁能交替变换的传输线方式传 送。在低频时，将同时通过传输线方式和磁耦合方式进行 传送。频率越低，传输线传输能量的效率就越差，就更多 地依靠磁耦合方式来进行传送。
第 4章
噪声与高频小信号放大器
二、宽频带传输线变压器电路
(一)1∶1传输线变压器 在RL=ZC=RS的条件下，在RL上可获得最大功率。
第 4章
噪声与高频小信号放大器
四、高频功率放大器的动态特性 放大器的动态特性：在晶体管、电源电压Vcc和Vbb、输 入信号振幅 Ubm 和输出信号振幅 Ucm( 或 Rp) 一定的条件下，
ic=f(ube,uce)的关系。
由于是工作于丙类状态，高频功率放大器的动态特性不
是一条直线，而是折线。当放大器工作于谐振状态时
第 4章
噪声与高频小信号放大器
三、高频功率放大器的分类
※分为窄带放大器和宽带放大器两类。 高频功率放大器希望输出中的谐波分量尽可能小，以免 对其它频道产生干扰。国际对谐波辐射规定是： (1)对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强不得超过基
波场强的0.02%。
(2)无论电台的功率有多大，在距电台一公里处的谐波场强 不得大于50μV/m。在一般情况下，假如任一谐波的辐射功 率不超过25mW，即可认为满足上述要求。
第 4章
噪声与高频小信号放大器
六、各级电压变化对工作状态的影响 (一)改变集电极电源电压对工作状态的影响 当集电极电源电压由大变小时，高频功率放大器的工作 状态是由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。

w w w 若对 ic 分解为付里叶级数为：
i c I c o I c m 1 c o s t I c m 2 c o s 2 t I c m n c o s n t
Icm
ic
ic1
ic2 ic3
Ico
θc
θc
ωt
其中各系数分别为：
w qqqq q I c o 2 1- i c d (t) I cm ( s a1 i c x - - c n c c o c o c ) s I s cm 0a cx
Vbb N( f )
Vcc
uc u0u1u2
u1 Icm1Rpcowst
ε f - f0 f0 f
uCE Vcc -uc
Vcc -Icm1Rp coswt
Vcc -Ucmcoswt
ε
-
4
4、效率如何计算？
q P V cIc c 0 V cIc c m0 ac x
q 1
1
P o2U cm Ic1m2U cm Icma1x c
式中：(1) 0 qc ，1qc ，…， n qc 称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
一般可以根据q c 的数值查表求出各分解系数的值。
(2) Ico ， I cm1 ， I cm2 ，…， Icmn -为直流及基波和各次谐波的振幅。 3
ic中存在零频、基频和若干倍频，即出现了非线性，如何去除？
利用谐振回路，选取基频，使得输入信号频率为w，输出信号频率也为w，
α1
αo
2.0
g1
cP P o1 2U V c cc m 1 0q qc c1 2g 1qc
α2
1.0
α3
θc
其中：
U Cm Vcc

C：ωt=180°时，
2 斜率： R p 2 c sin 2 c
iC 0
uce EC U c
讨论：三种工作状态
1、欠压工作状态：如 曲线1所示。此时负 载较小，Uc也较小， 集电极电流为尖顶脉 冲，三极管工作于放 大区。
2、随着负载的增加，动态曲线 斜率逐渐减小，交点A向右移动。 到达临界线时即为临界工作状态。 如曲线2所示。集电极电流仍为尖顶 脉冲，但高度略微减小。三极管工作于临界饱和。
2c
iC max
po U c I c1 1 a1(c ) 1 6、高频功放的能量关系 c 1(c ) p E 2 E C I co 2 a0(c ) 2 提高效率： c 和 谐振阻抗
丙类功放的最 佳通角取700左 右；倍频器的 通角参考 值为600。
Ube=-Eb+Ubcosωt
ic是余弦脉冲波(Io,I1,I2,...,In)
3 、负载为选频网络 集电极电压为完整的余弦电压波形
ic I CO I c1 cost I c 2 cos 2t I c 3 cos3t
Icmax θc ic ic1 ic2 i c3 Ico ωt
0
•
ICEO EC
•
uCE
90 o
U BB U BZ
o C 类： 90 , UBB UBZ 。
近年来双出现了 D 类、E 类及 S 类等开关功率放大器
§3-2 -1 丙类功放的工 作特点（工作原理） 1、发射结静态 电压反偏或弱正偏。
2、集 电极 电流 为余 弦尖 顶 脉 冲。
二、耦合网络
V1 M Cb C1 K L3
C2 L1 L2
－24 V

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。