第3章高频功率放大器fp 高频电子线路 课件
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《高频功率放大器》课件
了解高频功率放大器的基本概念和应用领域。
工作原理简介
探讨高频功率放大器的工作原理和基本组成部分。
高频功率放大器设计
1
设计流程
了解高频功率放大器设握进行高频功率放大器设计所需的基础知识和技能。
3
输出匹配
学习如何设计输出匹配网络以及相应的参数计算方法。
高频功率放大器实现
《高频功率放大器》PPT 课件
高频功率放大器是一种用于增强电信号功率的电子设备。本课件将介绍高频 功率放大器的工作原理、设计流程、实现方式以及应用领域。
什么是高频功率放大器？
高频功率放大器是一种电子器件，用于放大高频电信号的功率。它起到增强信号强度的作用，从而实现信号的 远距离传输。
高频功率放大器介绍
集成电路设计
了解高频功率放大器的集成电路设计方法和技术。
非集成电路设计
学习如何进行基于电路板的高频功率放大器设计和 元件选取。
高频功率放大器应用
1
无线电通信
探索高频功率放大器在无线电通信领域的关键作用和应用。
2
电视广播
了解高频功率放大器在电视广播信号传输中的应用。
3
军事雷达
了解高频功率放大器在军事雷达系统中的重要性和广泛应用。
第3章高频电子线路
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
高频电子线路第三章高频功率放大器(上课)-精品课件.pptx
输入为大信号
要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状 态
效率要高
非线性失真要小
BJT的散热问题
E
(管子的保护)
2. 分类
流通角:一个周期内 有电流流通的相角.
(a)甲类 class-A amplifier
(b)乙类 class-B amplifier
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
3.要解决的问题 提高输出功率 提高效率 管子的保护 减小失真（线性度）
C
输出功率 直流电源提供的直流功率
=
Po = P
Po Po PC
P (直流电源功率) = Po (交流功率) PC (直流功耗)
4. 效率与失真矛盾的解决
丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。
临界：Po最大，ηc较高； 发射机末级 最佳工作状态
End
例：有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做 成的谐振功率放大器，已知Vcc=24V，Po=2W,工作频 率1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其 有关参数为：
fT 70MHz, Ap 13dB, IcM 750mA,
VCE(sat) (集电极饱和压降) 1.5V，PCM 1W
81%
一、直流馈电电路
要想使高频功率放大器正常工作，晶体管 各电极必须有相应的馈电电源。无论是集电极 电路还是基极电路，它们的馈电方式都分为串 联馈电和并联馈电。但无论哪种馈电方式，都 应该遵循下列几条基本组成原则：
（1）直流电流IC0是生产能量的源泉，它由VCC经管外 电路输至集电极，应该是除了晶体管的内阻外，没有其 他电阻消耗能量。因此要求管外电路对直流来说等效电 路如图（a）所示。
高频电子线路_第3章.ppt
C
1 1( ) Ucm 2 0 ( ) VCC
1 2
g1( )
其中 Ucm
VCC
为集电极电压利用系数
g1( )=
1( ) 0 ( )
Ic1m IC0
为波形系数
值越小，g1( )越大，放大器的效率也越高。
在 1时，可看不同工作状态下放大器的效率分别为: 甲类工作状态 180 , g1( ) 1,C =50% 乙类工作状态 90 , g1( ) 1.57,C =78.5% 丙类工作状态 60 , g1( ) 1.8,C =90%
若VCC、VBB、Vim参变量不变，则放大器的工作状态就由负 载电阻Re决定。此时放大器的电流、输出电压、功率、效 率等随Re而变化的特性，叫做放大器的负载特性（曲线）。
1、欠压、临界和过压工作状态
——根据集电极电流是否进入饱和区
绿线：欠压状态——未进入饱和状态的工作 状态。
为尖顶余弦脉冲。
蓝线：临界状态——刚好不进入饱和状态 的工作状态。
ic gc VBB Uim cost UBE(on)
余弦电流脉冲的主要参量
iC
和
max
，如c 图
当 t c 时，iC 0
cos UBE(on) VBB
Uim
ic gcUim cost cos
而当t 0时，ic iC max
iCmax gcUim 1 cos
iC
iC max
直流分量只能通过回路电感线圈去路，其直流电阻较小，对
直流也可看成短路。
集电极电流流经谐振回路时，只有基波电流才产生压降，
因而LC谐振回路两端输出不失真的高频信号电压。若回路谐振 电阻为Re，则
uc Ic1m Re cost Ucm cost,
高频电子线路第 3 章 高频功率放PPT课件
为了便于分析，输出特性曲线的参变量
采用电压 ,而不是 。曲线由
u CE
iB 和
u 决B 定 E 。V B B u i V B B U ico t suCE V CC U cm co ts
图3-4
和U
集电极电流脉冲的宽度主要取决于 im的大小 。
V
BB
由图3-4还可以看出：
•
1.欠压状态：R
p
较小，U
集电极的输出电压仍然是不失真的余弦波。
根据三极管的输入特性可知，将产生 基极脉冲电流，将用傅氏级数展开即
I B I b o I bc 1m t o I bs c 22 m o t I s bc nn m o t s
将 iC 用傅氏级数展开得
I C I c o I cc 1m t o I cs c 22 m o t I s cc nn m o t s
•
3.过压状态：R
p
很大，U
也很大的情况。
cm
动态线的上端进入了晶体管特性曲线的饱
和区，此时集电极电流波形为凹顶状，且
脉冲幅度较低。
• （1）谐振功率放大器的负载特性
所谓的负载特性就是当VBB，V CC ，U im
一定时，放大器的电流、电压、功率和效 率等随 R p 变化的特性。
（2）V CC 对放电器工作状态的影响
• 在工作频率上，等效并联回路发生谐振， 此时，L形匹配网络可把实际电阻变换为放
大器处于临界状态时所要求的较大的谐振 阻抗,理论分析可以求得:
Q RP 1 RL
X2 RL(RPRL)
X1 RP
RL RP RL
图3-12a所示为高阻抗变低阻抗的输出匹配 网络
图3-12a
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
《高频电子线路》3高频功率放大器
第 3 章 高频功率放大器
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可见： 可见：
设置V 使晶体管工作于丙类。 设置 BB< UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号较大 可得集电极余弦电流脉冲。 时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC 回路调谐在信号频率 就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。 上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。 在一个信号周期内， 在一个信号周期内，只有小于半个信号周期的时间内有集 电极电流流通（丙类放大），形成余弦脉冲电流。 ），形成余弦脉冲电流 电极电流流通（丙类放大），形成余弦脉冲电流。iCmax是 余弦脉冲电流的最大值， 是导通角（＜90 是导通角（＜ 余弦脉冲电流的最大值，θ是导通角（＜ o ）。 LC谐振回路的作用：（1）选频。滤除余弦脉冲电流中的 谐振回路的作用：（ ）选频。 谐振回路的作用：（ 直流和各次谐波，输出不失真的余弦波电压；（ ；（2） 直流和各次谐波，输出不失真的余弦波电压；（ ）阻抗匹 通过调节L 转换成功放管所需的负载值R 配。通过调节 、C 可将 RL 转换成功放管所需的负载值 e。 uc与 ui 反相 。当uBE为uBEmax时，iC 为iCmax ，而uCE为 uCEmin。 ic不仅出现时间短，而且只在uCE很小的时段内出现，因此 不仅出现时间短，而且只在 很小的时段内出现， 集电极损耗很小，功放效率较高。 集电极损耗很小，功放效率较高。
第 3 章 高频功率放大器
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3.1.2 余弦电流脉冲的分解
可证明
cos(ωt ) − cos θ iC = iCmax 1 − cos θ
查看证明过程
可将i 可将 C的脉冲序列展开为 iC = IC0 + Ic1m cosω t + Ic2m cos 2ω t + ... α n( θ ) ∞ = IC0 + ∑Icnm cos(nω t ) 0.6
第3章高频功率放大器fp 高频电子线路 课件
负载回路谐振频率为ω
uo I c1m R cos t
FP
14
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
15
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
电或 流电 压
ic ic max
ec min
Vcm vc ec VBZ VCC vB
ic eb max t
o c
2
3 –VBZ2
2
5 2
Vbm vb
当ωt=θc 时,ic=0，可得导通角
U bz Vbb cos c U bm
已知Vbb、Ubz和Ubm可确定高频功率放大器的半通 角θc，有时也称θc为通角。 通常用θc=180°表示甲类放大；θc=90°表示乙 类放大；θc<90°表示丙类放大。
21
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
高频功率放大器
高频电子线路
3.2 集电极余弦电流脉冲的分解
一、余弦电流脉冲的表示式
当输入信号 ub U bm cos t 时, 集电极电流ic的波形为余弦电流脉冲
ube Vbb U bm cos t
ic g c (ube U bz ) g c (Vbb U bm cos t U bz )
宽带和窄带
宽带高频功放采用具有宽带特性的传输线变压器作为负载，
不需要调谐，适于频率相对变化范围大的通信系统，选用
甲类和乙类推挽放大；
窄带高频功放多选用丙类或丁类，甚至戊类放大，以提高 效率。相对带宽在1%左右，甚至更小。
中波调幅：
载波：535~1602kHz， 信息带宽：9kHz 相对带宽：0.6%~1.7%
第三章-高频电子电路超好PPT课件
故：
cos U j Eb
U bm
分析： （Uj+Eb）一定， 激励愈强（Ubm）， 愈大 Ubm一定， （Uj+Eb）愈强 ， 愈小
3.2.4 集电极余弦脉冲电流分析
| t | 时，Ubm cost Eb U j 管子截止，ic = 0
| t | 时，Ubm cost Eb U j 管子导通，ic ≠ 0
特别 注意
图3-3 折线法分析非线性电路电流电压波形
注意： 管子只在一个周期的一小部分时间内导通，故集电极电流是 周期性的余弦脉冲。
导通角： 把集电极电流导通时间的一半称为集电极电流的导通角用 表示
放大器工作在甲类： 180o 管子在整个周期内导通
放大器工作在乙类： 90o 管子在半个周期内导通
最大电流Icmax、以 为变量的函数。 上述各式的第二部分分别用 0、1、n 表示：
a0
sin cos (1 cos )
sin cos a1 (1 cos )
2 sin n cos 2n sin cos n an n (n2 1)(1 cos cos )
直流成分为 Ic0 0 Icmax
第三章 高频调谐功率放大器 3.1 概述 3.2 调谐功率放大器的工作原理 3.3 功率和效率 3.4 调谐功率放大器的工作状态分析 3.5 调谐功率放大器的实用电路 3.6 功率晶体管的高频效应 3.7 倍频器 3.8 集成高频功率放大电路及应用简介
二、本章重点和难点
（一）本章重点
1.调谐功放的用途与特点(与小信号调谐放大器进行 比较)；
基波电压幅值为 ：
说明：
Ucm 1Icmax Rc
U cm
Ucm/Ec不能任意提高 的原因：
ucemin Ec Ucm
cos U j Eb
U bm
分析： （Uj+Eb）一定， 激励愈强（Ubm）， 愈大 Ubm一定， （Uj+Eb）愈强 ， 愈小
3.2.4 集电极余弦脉冲电流分析
| t | 时，Ubm cost Eb U j 管子截止，ic = 0
| t | 时，Ubm cost Eb U j 管子导通，ic ≠ 0
特别 注意
图3-3 折线法分析非线性电路电流电压波形
注意： 管子只在一个周期的一小部分时间内导通，故集电极电流是 周期性的余弦脉冲。
导通角： 把集电极电流导通时间的一半称为集电极电流的导通角用 表示
放大器工作在甲类： 180o 管子在整个周期内导通
放大器工作在乙类： 90o 管子在半个周期内导通
最大电流Icmax、以 为变量的函数。 上述各式的第二部分分别用 0、1、n 表示：
a0
sin cos (1 cos )
sin cos a1 (1 cos )
2 sin n cos 2n sin cos n an n (n2 1)(1 cos cos )
直流成分为 Ic0 0 Icmax
第三章 高频调谐功率放大器 3.1 概述 3.2 调谐功率放大器的工作原理 3.3 功率和效率 3.4 调谐功率放大器的工作状态分析 3.5 调谐功率放大器的实用电路 3.6 功率晶体管的高频效应 3.7 倍频器 3.8 集成高频功率放大电路及应用简介
二、本章重点和难点
（一）本章重点
1.调谐功放的用途与特点(与小信号调谐放大器进行 比较)；
基波电压幅值为 ：
说明：
Ucm 1Icmax Rc
U cm
Ucm/Ec不能任意提高 的原因：
ucemin Ec Ucm
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c sin c cos c I cM 1 ( c ) π(1 cos c )
I cnm
1 π
cos t cos c 1 c ic cosωtdt I cM cosntdt π c π (1 cos c )
π
2 sin n c cos c n cos n c sin c I cM I cM n ( c ) 2 n(n 1)(1 cos c ) π
取出基波分量，获得 正弦电压波形。 阻抗匹配。
谐振功率放大器原理图
13
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
i
ic
c
三、工作原理
ib uce ube uo
发射结处于负偏压状态
无输入时，晶体管截止，ic=0
输入
ub U bm cos t 时，
ube Vbb Ubm cos t
负载回路谐振频率为ω
uo I c1m R cos t
FP
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
15
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
电或 流电 压
ic ic max
ec min
Vcm vc ec VBZ VCC vB
ic eb max t
o c
2
3 –VBZ2
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5 2
Vbm vb
高频功率放大器与小信号谐振放大器的对比
相同点： ①放大的信号均为高频信号，
②放大器的负载均为谐振回路。
不同点： ①激励信号幅度大小不同；
②放大器工作点不同；
③晶体管动态范围不同。
ic ic
ic ic
Q
o
eb
o
t
o VBZ
eb
o
t
t
小信号谐振放大器波形图
t
高频功率放大器波形图
FP
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第三章
高频功率放大器
对高频功率放大器进行分析计算，关键在于求出电 流的直流分量Ic0和基频分量Icm1
FP
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
折线分析法的主要步骤：
1、测出晶体管的转移特性曲线ic-ube及输出特性曲线ic-uce， 并将这两组曲线作理想折线化处理； 2、作出动态特性曲线； 3、根据激励电压ub的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲ic和输出电压uce的波形； 4、求出ic 的各次谐波分量Ic0、Ic1m、Ic2m……，由给定的负 载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出 功率、直流供给功率、效率等指标。
ic gc (Vbb U bm cos t U bz )
U bz Vbb cos c U bm
ic gcU bm (cos t cos c )
当ωt=0 时, ic=Icm，可得
I cm gcUbm (1 cos c )
余弦电流脉冲表示式 (由脉冲高度IcM和通角θc决定)
其中
I co I CM 0 ( c )
——直流分量电流 ——基波分量电流幅值
I c1m I CM 1 ( c )
I cnm I CM n ( c )
….. ——N 次谐波分量幅值
FP
23
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
I c0
1 2π
cost cos c 1 c ic dt I cM dt π 2π c (1 cos c )
22
ic I cM
cos t cos c 1 cos c
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
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 cost I c 2 m cos 2t ... I cnm cos nt
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。 P= ——直流电源供给的直流功率； Po ——交流输出信号功率； Pc ——集电极耗散功率； P= = Po + Pc
电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路
低频 低频，高频 低频 高频 高频
高频功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线 性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率.
8
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
甲、乙、丙三种状态下的转移特性
甲类 乙类 丙类
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
高频功率放大器的分类
不同点：
7
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
功率放大器的工作状态
功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工 作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放 大器。
表 3-1 工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 c=180 c=90 90＜c＜180 c＜90 开关状态 不同工作状态时放大器的特点 理想效率 50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100% 负 载 应 用
ω
3
高频功率放大器
ω
FP
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
从节省能量的角度考虑, 效率更加重要。
高频功放常采用效率较高的丙类工作状态, 即晶体管集 电极电流导通时间（导通角 c ）小于输入信号半个周期 的工作状态。 为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量, 采用LC 谐振回路作为选频网络, 也称为谐振高频功率放大电路。
π
I cM
1 π
sin c c cos c I cM o ( c ) π(1 cos c )
I c1m
cost cos c 1 c ic cosωtdt I cM costdt π π c (1 cos c )
π
I cM
第三章 高频功率放大器
哈尔滨工业大学
2009.10
第三章
高频功率放大器
高频电子线路
第三章 高频功率放大器
主要内容
概述 丙类（C类）高频功率放大器原理 丙类（C类）高频功率放大器折线分析法 丙类（C类）高频功率放大电路 宽频带高频功率放大器
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
第一节 概述
当ωt=θc 时,ic=0，可得导通角
U bz Vbb cos c U bm
已知Vbb、Ubz和Ubm可确定高频功率放大器的半通 角θc，有时也称θc为通角。 通常用θc=180°表示甲类放大；θc=90°表示乙 类放大；θc<90°表示丙类放大。
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
α称为余弦电流脉冲分解系数。 α0(θc)为直流分量分解系数； α1(θc)为基波分量分解系数； αn(θc)为n次谐波分量分解系数。
g1 1g1与 c 的关系 0
g1 1 0
返回
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
3.3 功率与效率
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
3.1 晶体管特性曲线的理想化
一、正向传输特性曲线理想化
由理想化输入特性
0 ib gb ube U bz
gb ib ube
ube U bz ube U bz
U bz ——理想化晶体管导通电压或截止电压
故放大器效率：
Po Po c P Po Pc
FP
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
两点结论： 1）设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则放大器效率c 自然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出 功率Po就会增大；
2） 由式
c Po 1 Pc c
有源放大元件
选频网络
4
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
使用高频功率放大器的目的
放大高频信号使发射机末级获得足够大的发射功率
高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题
高效率输出 高功率输出
高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是
输出功率大和效率高
5
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
10
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第三章
高频功率放大器
高频电子线路
高频功率放大器的主要技术指标
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
4.谐波抑制度：
是对非线性高频功率放大器而提出的，谐波分量相对于基波分量越小
越好
11
宽带和窄带
宽带高频功放采用具有宽带特性的传输线变压器作为负载，
不需要调谐，适于频率相对变化范围大的通信系统，选用
甲类和乙类推挽放大；