第6章高频功率放大器

Tr 1
vi
vBE v • 这样选择的主要考虑是消
除由静态工作点所带来的无 用功耗，从而提高放大器的
效率。
V BB
V CC
• 使用并联谐振回路作负载 具有选频和阻抗变换的作用
3、功率放大器的工作频率
1、低频区： f 0.5f 低频区工作时，不考虑等效电路中的电抗分量与载流子 的渡越时间，分析方法同低频电子线路的分析方法一致， 方法成熟。
vO VC1M cosct Ic1MRP cosCt
i C I C ( 0 M ( ) 1 ( ) cC o t 2 ( s ) c 2 o C t ) s
iO IC1M cosct ICM1()cosCt
P D C T 1 c0 T C V C iC C d 2 t 10 2 V C iC C d (C t) V C I C CM 0 ()
半个周期
丙类（C类）
小于半个周期
丁类（D类） 管子应用在开关状态，半个周期 饱和导通，半个周期截止
导通 角 1800
900
<900
η cmax 50% 78.5%
三、高频功率放大器
1、功用：放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的
2、输出功率范围很大，小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线 电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。0.001~1000000
Tr 1
vi
vBE v CE
vi
L
Cv C
RL
转换为高频功率。
VBB、VCC为电源，常使得管 子处于C类工作状态。
V BB
V CC
负载：采用谐振回路作负载，对信号进行频率选择，同 时完成阻抗变换。
2、电路特点
iC
• 这个电路的静态工作点 是选择在接近截止点，或
Tr 2
选择在小于截止点的负偏
iB
置区。
1

ICM (co1stcocsos)constd(t)ICM (2sinnn(cn2os1 )1(nscinocs)ons)
ICM n() n()2sinnn(cn2os1 )1(nscinocs)ons
余弦脉冲的分解（数学推导）
第6章 谐振功率放大器
概述：功率放大器
一、作用及性能要求
作用：在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率
性能要求：安全、高效、不失真、输出所需信号功率
安全：放大管应用在大信号状态，常接近管子的极限运用，故必选 用合适功率管，保证安全工作。
高效率：功率放大器为能量转换器，用放大管的 集电极效率ηc来评价功率转换能量的性能。
iC
costd(t)
1

iC
costd(t)
1

ICM(co1stcocsos)costd(t)
ICM(1
1sicnocsos)
ICM1()
1()11sicnocsos
ICnM 1 iCconstd(t)1 iCconstd(t)
两者所采用的负载也不同
低频功放：采用电阻、变压器等非调谐负载 高频功放：窄带工作，使其负载要采用选频网络
分析方法不同
在一些近似条件下进行分析，着重定性说明高频功放大致 的工作原理及特性
五、丙类谐振功率放大器的原理及特性i C
1、电路构成
Tr 2
iB
ui(t)为输入高频激励信号 T为晶体管，把电源的直流功率
可得V： DVBBVbmco
s,即 co
sVDVBB Vbm
7、输出电压的表达式
输入为连续正弦波，输出集电极电流为周期性的尖顶余弦脉冲，可进行傅立叶分解
i c I c 0 I c 1 m cs o t I c 2 s m c2 o s t s I cc n n o s m t s
P O P 1 2 1 0 2 v O i O d ( C t ) 2 1 0 2 V C 1 M cC t o C 1 M I c s C t o ( d C t ) s 1 2 V C 1 M I C
功放的能量关系
1、集电极效率η c
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直流电源提供
可见要η c↑，即要pc↓，而pc取决于iC，vCE的大小及导通时间。
2、提高集电极效率η c的途径
集电极余弦电流脉冲函数可分解为付氏级数： i c I c 0 I c 1 m cc t o I c 2 m c s 2 c o t s I cc n n m c o t
的直流功率，使之转化为交流信号功率传输出去。
PD:集电极直流电源提供的直流功率
Po:输出交流信号功率
Pc:集电极耗散功率
据能量守恒定理P， DC有 P： O Pc
则集电极效 c 率 P P D oC 为 P： oP oPC 其中 P c， 2 1 iCvCd E t
∴pc↓，η c将↑
ic (mA)
ic (mA)
Im
vb(t)Vbm cosst
VBB V D 0
vBE(V) 0
t

vBE V BB V bm coss t
Vbm vb (t)

ic为周期性尖顶余弦脉冲电
流，导通角θ <π /2,即导通
t
时间小于半个周期
t 时， vb Vbmcos,vBEVD,集电极电 0， 流为
提高放大器集电极 c的效途率径即为：
1、提高电， 压可 利通 用 RL实 过 系 现 R 增 数 L的 ， 大 选取
是一个重要的问题。
2 、提高波形系数
。
θ 的选择
与有关， 越小， 越大， c越高；但 太小， Ic1m ， 使得PO ,为降低 的同时保PO持 不变，就需增加集电极
0 0
v BE
0
v CE
5、输入电压和输入电流表达式
iC
Tr 2
iB
Tr 1
v B E V B B v i V B B V iM co S ts v BE
vi
vBE v CE
vi
L
Cv C
RL
V BB
V iM
0
t
i B V BB
V CC
可见，输入电压的波形不失真
v BE
0
6、输出电流波形
2、中频区： 0.5ff0.2fT 必须考虑晶体管的结电容的影响，分析的方法复杂。
3、高频区： f 0.2fT 除了考虑结电容的影响外，还必须考虑引线电感的影响
分析和计算相当困难，本书进行定性的说明。
4、特性曲线（复习）
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
v 0 v c Ic 1 m R P co st sV cco sts
集电极电压为 v C E V c cv 0 V c cV cco sts
例：求各次谐波与基
iC
波的阻抗之比
ZPRPp2C L rP2Q OL
Tr 2
iB
Tr 1
vi
vBE v CE
vi
L
Cv C
RL
ZP
n

RP
n

p2
(r jn0L) r j(n0L-
1
jn0C
1)
n0C
V BB
V CC
p2
n0L jn0C(n0L-
1)
n0C
jP2
n0L n202LC1

jp2
n (n2 1)
0L

jp2
(n2
n 1)Q
Q0L

j
(n2
n 1)Q
RP
| ZPn |
n
Zp (n2 1)Q
| ZPn | n Zp (n2 1)Q
如果Q=20则可以得：
| Z P2 |
n

2
1 0.0333
Z p (n 2 1)Q (4 1) 20 30
| Z P3 |
n

3
3 0.01875
Z p (n 2 1)Q (9 1) 20 160
脉冲电流：这可通 大过 输增 入激励电压同 低时 偏降 置电 压VBB实现，但这会使得 反基 偏极 电压增加，发 率生 管功
发射结反向击穿的 ，危 兼险 顾 PO和c,常在65～75范围。
3、信号源功率及功率增益
信号源提供的功率称为激励功率，大小取决于ub的基波分量，此功 率变为发射结和基区的热损耗。 高频功放中AV和AI均小于小信号及低频放大器，其功率增益一般为 十几到二十几dB(几十倍)。
3、高频功放和低频功放的比较 相同点：实质都是在输入信号的控制下将电源直流功率转换为输出功 率（为一受控的能量转换器） 都要求输出符合要求的大功率，同时尽可能提高转换效率。
四、高频功率放大器与低频功率放大器的区别
不同点：两者工作频率和相对频带宽度相差很大。
低频功放工作频率低，相对频带宽，频率在20～20kHz，高频 端与低频端之差达1000倍（fH/fL） 高频功放工作频率很高（几百kHz～几百兆Hz）相对频带一般 很窄（几％～几‰）
放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率ω 0 等于谐振频率ω s时，回路对ω s呈现出一个大 的谐振阻抗，为纯电阻RP（即谐振电阻）。
RP

02L2
RL

L cRL
基波分量在回路上产生电压，对直流分量和谐波分量呈小阻抗，仅为基波 分量的百分之几，故输出很小，可认为回路上仅有由基波分量产生的电压 vc，其它频率成分信号均被虑除，从而在负载上得到不失真的信号电压
其中 ， Ic1m为波形系数， 的是 函 ,导 越 数通 小 越 角 ，大
Ic0 ξVcm为集电极电压利用系数
VCC
据 cP P D oC1 2IIcc10 mV vccc1 2可 得 越大V（ cm 越即 大 ecm或 越 in 小越 ）小 、， c越 效高 率。
iCd(t)

1
2

iCd(t)
1
2

ICM(co1stcocsos )d(t)

1
ICM(
si
ncos ) 1cos
ICM0()
0()
1

si
n cos 1cos
余弦脉冲的分解（数学推导）
IC1M 1

可见：只要知道了导通角和输出电流的幅度就可以用下面的 式子求出信号的各个分量，其中，分解系数可以查表得到。
i C I C (0 M () 1 () ct o 2 ( s ) c2 o t ) s
8、丙类功率放大器的计算
vCEVCCVC1Mcosct VCCIc1MRPcosCt
| Z P4 |
n

4
1 0.01333
Z p (n 2 1)Q (16 1) 20 75
| Z P5 |
n

5
1 0.0104
Z p (n 2 1)Q (25 1) 20 96
可得，谐波的阻抗只有基波阻抗的百分之几。
工作波形分析
1）、输入电压： 一个频率为ωs的正弦（或者余弦）信号
谐振回路在这里起了相当大的作用。
8、余弦脉冲的分解（数学推导）
iC
IM 0
2
IMICMIMcosIM1IcCM os iC 1IcCM os(cotscos) 2kt2k
0 其他 I CM
t 傅立叶级数的系数为：
1
IC0 2

直流功率PD为 C： Ic0Vcc
输出交流 P o1 2 功 Ic 1 m V c 率 m 1 2V 为 R c 2 P m ： 1 2Ic 2 1 m R P
放大器的集 ： 电 c P 极 P D o C 效 1 2I Ic c1 0m 率 mV V C c为 cM 1 2
c
po pD

po po pc
不失真：输出信号功率大，相应动态电流、电压就大，因而器件非线 性特性引起的非线性失真就大。实用中常采用负反馈等措施减小失真， 同时限制输出功率，使失真在允许范围内。
二、功率管的运用特性
导通时间
运
用
状 甲类（A类） 在激励信号作用下，管子在一个
态
周期内导通
乙类（B类）
2）、输入电流：一部分导通，一部分截止，严重的非线性失真 3）、输出电流：输入电流的波形一致，严重的非线性失真 4）、输出电压：由于采用谐振回路作负载 ，在负载两端只 有等于谐振频率的信号能够在谐振回路两端产生一个较大的 输出电压，其他的频率的信号由于处于失谐状态，在负载两 端产生的电压很小，可以忽略，故输出了一个频率为ωs的余 弦信号，输出电压不失真。