第3章高频功率放大器
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2
功率放大器分类
根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功 率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类 （A、B、C）等多种。
功率管是功率放大电路关键器件，如何选择功率管 运用状态，并保证其安全工作。必须首先了解功率 器件的极限参数及安全工作区。
3
甲类功率放大器
4
乙类推挽功率放大器
5
单电源供电的互补推挽电路(OTL)
12
2. 不同运用状态下的集电极效率η 管子的运用状态不同，相应的ηmax 也不同。 甲类ηmax =50％ ;乙类ηmax ＝78.5%
P 1 P 1P C
减小 PC 可提高η。 假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则
1 2π PC iCvCEdt 2π o
13
讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE 途径 1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子 在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。 途径 2：使管子运用在开关状态 (丁类)；管子在 半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。 饱和导通时，vCE ≈ vCE (sat) 很小，导通的半个周期 内，瞬时管耗 iC × vCE 很小。 截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC × vCE 也 处在零值附近。结果 PC 很小，η显著增大。
34
ic － ＋ ib u ub V ＋ ube － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
输入信号：ub U b cos t 基极电压：ube Eb＋U b cos t 输出电压：uce Ec－U c
35
输入：ub U b cos t 基极：ube Eb＋U b cos t
集电极调谐时，Ubemax、Icmax 、 UCEmin同时出现。
集电极导通角由输入决定 , 导 通角越小效率越高
28
2． 高频功放的能量关系
在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功 率)即输出功率P1为
Hale Waihona Puke Baidu
1 1 2 1 U c2 P I c1Uc I c1 RL 1 2 2 2 RL
36
2． 高频功放的工作状态
高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱 和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态 。
U CE min uCEs , 功放工作在欠压状态； U CE min uCEs , 功放工作在临界状态； U CE min uCEs , 功放工作在过压状态。
在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般 工作于此状态。
10
单电源供电的互补推挽电路(OTL)
• 电压增益小于 1。要输出最大信号功率，RL 上信号电压 振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级 为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。
11
1.功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现
甲类(A) ：功率管在一个周期内导通。 乙类(B)： 功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类（AB）：功率管在大于半个小于一个周期内导通 丙类(C)：功率管小于半个周期内导通。
30
P 1 I c1U c 1 1 P0 2 I c 0 Ec 2 I c1 （ 1 ） 其中 称为波形系数； I c0 （ 0 ） Uc 称为集电极电压利用系数。 Ec 要提高效率，一是提高电压利用系数，通过提 高回路谐振阻抗RL;另一是提高波形系数，增加 基波分量，这与导通角有关。 甲类ηmax=50％ ;乙类ηmax＝78.5%； 丙类γ>1.75 ,效率更高。
I cn ic max 2sin n cos 2 n sin cos n ic max an ( ) 2 n ( n 1)(1 cos cos ) 基波和n次谐波的分解系数。 ( n 1)
a0 ( ), a1 ( )......an ( )分别为余弦脉冲的直流、
18
丙类功放折线分析法
非谐振功率放大器：集电极负载为纯电阻，在特性 曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压 求出功率性能
丙类谐振功率放大器： 集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，uCE 由 iC 产 生，而 uCE 通过基极宽度调制效应影响 iC 要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐!
(a)传输特性理想化
ic
(b)输出特性理想化
ube ubz ube ubz
0 g c ( ube ubz) ' b
ub （ z 即E ）是晶体管导通电压； 输入特性跨导 : g c＝ ic ube
22
23
余弦脉冲的表达式
ube Eb U bm cos t
ic
' 0 ube Eb ' ' gc ( ube Eb ) ube Eb
ic － ＋ ib u () ub V ＋ ub e － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
17
图 3 ─ 12 晶体管高频功率放大器的原理线路
工作在丙类状态,在一个信号周期内功放管导通 角小于1800 静态时发射结反偏,工作在截止区; 输入激励大信号，一般在0.5V以上； 基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号； 谐振回路作负载选取有用频率分量，兼有阻抗 变换作用
• 电压增益小于 1。要输出最大信号功率，RL 上信号电压 振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级 为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。
6
交越失真
上节分析乙类推挽 电路性能时，忽略 了晶体管发射结导 通电压的影响。
实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影 响，输出电压波形在衔接处出现严重失真-交越失真。 两管的合成传输特性如图所示。
第3章
高频功率放大器
3.1 高频小信号放大器 3.1 高频功率放大器的原理和特性 3.3 高频功率放大器的高频效应 3.4
3.2
高频功率放大器的原理和特性
主要功用是放大高频信号 , 以高效输出大功率为目的 , 主要应用于各种无线电发射机中。 与其它放大器相比： 输出功率大， 功放管在大信号 极限条件下运行。 其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率 转换成高频功率,因此还要求尽可能高的转换效率。 功率增益是重要的性能指标，但安全、高效和小失真 是第一位的。 高频功放与低频功放：工作频率和相对带宽相差很大； 高频功放一般用选频网络作负载，工作在丙类状态， 也称为谐振功率放大器。
24
25
周期性集电极电流脉冲导通角为2θ；可以 分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐 波分量, 即 ic I co I c1 cos t I cn cos nt sin cos I co ic max ic max a0 ( ) (1 cos ) sin cos I c1 ic max ic max a1 ( ) (1 cos )
9
vBE 倍增电路 (1) 电路 直流：由 T3、R1、R2 组成， 且由电流源 IR 激励，为互补功率 管 T1、T2 提供偏置电压 VBB。 交流：T3、R1 构成电压并 联负反馈电路，反馈电路电阻小， 几乎不影响输入信号传输。
(2) 倍增原理 由图可见，若通过 R1 的电流 I1 远小于 T3 管的集电 极电流 IC3，且 T1 和 T2 管的静态基极电流又可忽略，
19
1．电流、 设输入信号为
ub Ub cos t
u ＋ ib ub V ＋ ube － uce －
ic －
uc C ＋ L
R
则基极回路电压为
Eb
Ec
ube Eb Ub cos t
管子导通主要工作在线性放大区，折线化近 似其转移特性。
20
晶体管的实际特性曲线
21
晶体管特性曲线理想化
31
分解系数α1最大值为 0.536时， 导通角为 1200，此时输出功率最 大，在甲乙类状态，效 率66%太低不可用！ 导通角在0~150,输出功 率太小 极端情况： 0， 2
若 =1,效率可达100% 此时输出电流为零！ θ通常选在65－750
余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线
33
3.2.2
1.
动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶 体管集电极电流ic与集电极电压(ube或uce)的关系 曲线。
小信号放大器中，若已知负载电阻，过静 态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值 的倒数的直线，即得负载线，动特性是负 载线的一部分；
以ω t为变量，在ic～uce或ic～ube坐标系统中描绘 ic是一条曲线。
32
高频功放的功率放大倍数为 设激励端基波电流振幅为 Ib1, 且与 ub 同相 (忽略实际存在的容性电流), 则激励功率为
1 Pd I b1U b 2
高频功放的功率放大倍数为
(3 ─ 27)
P Kp 1 Pd
用dB表示为
P K p 10Lg 1 (dB) Pd
(3 ─ 28)
(3 ─ 29)
集电极电源供给的直流输入功率P0为
(3 ─ 22)
P0 I c 0 Ec
损耗功率Pc, 即
(3─
23)
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
Pc P 0 P 1
(3─ 24)
29
Pc为耗散在晶体管的热能，定义集电极效率η
P 1 P0
又
Pc P0 P 1
P P Pc 1 1 P 1 P0 P 1 1 1 +P c 表明输出功率与效率的关系！ P 1 I c1U c 1 1 而 P0 2 I c 0 Ec 2
' ic gc Eb U bm cos t Eb
cos
' E b Eb U bm ic gcU bm cos t cos
设 t = 时，ic 0，则有：
而当t 0时，ic I CM ， I CM gcU bm 1 cos 可以得到：gcU bm I CM 1 cos 结果ic 表达式又可写做： ic I CM cos t cos 1 cos
14
甲 乙 丙 类 功 放 电 路 的 工 作 点
15
小结：
为提高集电极效率，管子的运用状态 从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁 类转变。但随着效率的提高，集电极 电流波形失真严重，为实现不失真放 大，在电路中需采取特定措施。
16
3.2.1 丙类功放工作原理
高频功率放大器的原理线路, 除电源和偏置电路外, 它 由晶体管、 谐振回路和输入回路三部分组成的。
26
ic － ＋ ib u ub V ＋ ube － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
输入信号：ub U b cos t 基极电压：ube Eb＋U b cos t
27
负载为并联谐振回路，使回路 对激励信号频率 ω谐振时阻抗 最大为RL；
输出电压为：u0 uc I c1RL cos t 集电极电压：uCE EC u0 EC U c cos t
7
克服交越失真的基本途径 在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在 甲乙类。
只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部 分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正 弦电压激励下，得到不失真的输出电压。
8
常用电路 ① 二极管偏置电路
② vBE 倍增电路
由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短 路，因此偏置电路不影响输入信号 vi (t) 的传输。
t 0 u u
输出：uce Ec－U c
be Eb＋U b ce Ec U c
A点 Q点
t 2 u u
be Eb ce Ec
t ic 0(uce Ec＋U c ) C点
AC交横轴于B点，
动特性曲线的斜率
ABC折线即为动特性曲线。
37
1 2 1 1 P U c I c1 Po Ec I c 0 1 2 2 RL U c P1
欠压状态
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过压状态的集电极电流波形
功率放大器分类
根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功 率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类 （A、B、C）等多种。
功率管是功率放大电路关键器件，如何选择功率管 运用状态，并保证其安全工作。必须首先了解功率 器件的极限参数及安全工作区。
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甲类功率放大器
4
乙类推挽功率放大器
5
单电源供电的互补推挽电路(OTL)
12
2. 不同运用状态下的集电极效率η 管子的运用状态不同，相应的ηmax 也不同。 甲类ηmax =50％ ;乙类ηmax ＝78.5%
P 1 P 1P C
减小 PC 可提高η。 假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则
1 2π PC iCvCEdt 2π o
13
讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE 途径 1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子 在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。 途径 2：使管子运用在开关状态 (丁类)；管子在 半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。 饱和导通时，vCE ≈ vCE (sat) 很小，导通的半个周期 内，瞬时管耗 iC × vCE 很小。 截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC × vCE 也 处在零值附近。结果 PC 很小，η显著增大。
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ic － ＋ ib u ub V ＋ ube － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
输入信号：ub U b cos t 基极电压：ube Eb＋U b cos t 输出电压：uce Ec－U c
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输入：ub U b cos t 基极：ube Eb＋U b cos t
集电极调谐时，Ubemax、Icmax 、 UCEmin同时出现。
集电极导通角由输入决定 , 导 通角越小效率越高
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2． 高频功放的能量关系
在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功 率)即输出功率P1为
Hale Waihona Puke Baidu
1 1 2 1 U c2 P I c1Uc I c1 RL 1 2 2 2 RL
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2． 高频功放的工作状态
高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱 和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态 。
U CE min uCEs , 功放工作在欠压状态； U CE min uCEs , 功放工作在临界状态； U CE min uCEs , 功放工作在过压状态。
在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般 工作于此状态。
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单电源供电的互补推挽电路(OTL)
• 电压增益小于 1。要输出最大信号功率，RL 上信号电压 振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级 为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。
11
1.功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现
甲类(A) ：功率管在一个周期内导通。 乙类(B)： 功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类（AB）：功率管在大于半个小于一个周期内导通 丙类(C)：功率管小于半个周期内导通。
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P 1 I c1U c 1 1 P0 2 I c 0 Ec 2 I c1 （ 1 ） 其中 称为波形系数； I c0 （ 0 ） Uc 称为集电极电压利用系数。 Ec 要提高效率，一是提高电压利用系数，通过提 高回路谐振阻抗RL;另一是提高波形系数，增加 基波分量，这与导通角有关。 甲类ηmax=50％ ;乙类ηmax＝78.5%； 丙类γ>1.75 ,效率更高。
I cn ic max 2sin n cos 2 n sin cos n ic max an ( ) 2 n ( n 1)(1 cos cos ) 基波和n次谐波的分解系数。 ( n 1)
a0 ( ), a1 ( )......an ( )分别为余弦脉冲的直流、
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丙类功放折线分析法
非谐振功率放大器：集电极负载为纯电阻，在特性 曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压 求出功率性能
丙类谐振功率放大器： 集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，uCE 由 iC 产 生，而 uCE 通过基极宽度调制效应影响 iC 要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐!
(a)传输特性理想化
ic
(b)输出特性理想化
ube ubz ube ubz
0 g c ( ube ubz) ' b
ub （ z 即E ）是晶体管导通电压； 输入特性跨导 : g c＝ ic ube
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余弦脉冲的表达式
ube Eb U bm cos t
ic
' 0 ube Eb ' ' gc ( ube Eb ) ube Eb
ic － ＋ ib u () ub V ＋ ub e － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
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图 3 ─ 12 晶体管高频功率放大器的原理线路
工作在丙类状态,在一个信号周期内功放管导通 角小于1800 静态时发射结反偏,工作在截止区; 输入激励大信号，一般在0.5V以上； 基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号； 谐振回路作负载选取有用频率分量，兼有阻抗 变换作用
• 电压增益小于 1。要输出最大信号功率，RL 上信号电压 振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级 为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。
6
交越失真
上节分析乙类推挽 电路性能时，忽略 了晶体管发射结导 通电压的影响。
实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影 响，输出电压波形在衔接处出现严重失真-交越失真。 两管的合成传输特性如图所示。
第3章
高频功率放大器
3.1 高频小信号放大器 3.1 高频功率放大器的原理和特性 3.3 高频功率放大器的高频效应 3.4
3.2
高频功率放大器的原理和特性
主要功用是放大高频信号 , 以高效输出大功率为目的 , 主要应用于各种无线电发射机中。 与其它放大器相比： 输出功率大， 功放管在大信号 极限条件下运行。 其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率 转换成高频功率,因此还要求尽可能高的转换效率。 功率增益是重要的性能指标，但安全、高效和小失真 是第一位的。 高频功放与低频功放：工作频率和相对带宽相差很大； 高频功放一般用选频网络作负载，工作在丙类状态， 也称为谐振功率放大器。
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周期性集电极电流脉冲导通角为2θ；可以 分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐 波分量, 即 ic I co I c1 cos t I cn cos nt sin cos I co ic max ic max a0 ( ) (1 cos ) sin cos I c1 ic max ic max a1 ( ) (1 cos )
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vBE 倍增电路 (1) 电路 直流：由 T3、R1、R2 组成， 且由电流源 IR 激励，为互补功率 管 T1、T2 提供偏置电压 VBB。 交流：T3、R1 构成电压并 联负反馈电路，反馈电路电阻小， 几乎不影响输入信号传输。
(2) 倍增原理 由图可见，若通过 R1 的电流 I1 远小于 T3 管的集电 极电流 IC3，且 T1 和 T2 管的静态基极电流又可忽略，
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1．电流、 设输入信号为
ub Ub cos t
u ＋ ib ub V ＋ ube － uce －
ic －
uc C ＋ L
R
则基极回路电压为
Eb
Ec
ube Eb Ub cos t
管子导通主要工作在线性放大区，折线化近 似其转移特性。
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晶体管的实际特性曲线
21
晶体管特性曲线理想化
31
分解系数α1最大值为 0.536时， 导通角为 1200，此时输出功率最 大，在甲乙类状态，效 率66%太低不可用！ 导通角在0~150,输出功 率太小 极端情况： 0， 2
若 =1,效率可达100% 此时输出电流为零！ θ通常选在65－750
余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线
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3.2.2
1.
动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶 体管集电极电流ic与集电极电压(ube或uce)的关系 曲线。
小信号放大器中，若已知负载电阻，过静 态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值 的倒数的直线，即得负载线，动特性是负 载线的一部分；
以ω t为变量，在ic～uce或ic～ube坐标系统中描绘 ic是一条曲线。
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高频功放的功率放大倍数为 设激励端基波电流振幅为 Ib1, 且与 ub 同相 (忽略实际存在的容性电流), 则激励功率为
1 Pd I b1U b 2
高频功放的功率放大倍数为
(3 ─ 27)
P Kp 1 Pd
用dB表示为
P K p 10Lg 1 (dB) Pd
(3 ─ 28)
(3 ─ 29)
集电极电源供给的直流输入功率P0为
(3 ─ 22)
P0 I c 0 Ec
损耗功率Pc, 即
(3─
23)
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
Pc P 0 P 1
(3─ 24)
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Pc为耗散在晶体管的热能，定义集电极效率η
P 1 P0
又
Pc P0 P 1
P P Pc 1 1 P 1 P0 P 1 1 1 +P c 表明输出功率与效率的关系！ P 1 I c1U c 1 1 而 P0 2 I c 0 Ec 2
' ic gc Eb U bm cos t Eb
cos
' E b Eb U bm ic gcU bm cos t cos
设 t = 时，ic 0，则有：
而当t 0时，ic I CM ， I CM gcU bm 1 cos 可以得到：gcU bm I CM 1 cos 结果ic 表达式又可写做： ic I CM cos t cos 1 cos
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甲 乙 丙 类 功 放 电 路 的 工 作 点
15
小结：
为提高集电极效率，管子的运用状态 从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁 类转变。但随着效率的提高，集电极 电流波形失真严重，为实现不失真放 大，在电路中需采取特定措施。
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3.2.1 丙类功放工作原理
高频功率放大器的原理线路, 除电源和偏置电路外, 它 由晶体管、 谐振回路和输入回路三部分组成的。
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ic － ＋ ib u ub V ＋ ube － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
输入信号：ub U b cos t 基极电压：ube Eb＋U b cos t
27
负载为并联谐振回路，使回路 对激励信号频率 ω谐振时阻抗 最大为RL；
输出电压为：u0 uc I c1RL cos t 集电极电压：uCE EC u0 EC U c cos t
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克服交越失真的基本途径 在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在 甲乙类。
只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部 分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正 弦电压激励下，得到不失真的输出电压。
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常用电路 ① 二极管偏置电路
② vBE 倍增电路
由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短 路，因此偏置电路不影响输入信号 vi (t) 的传输。
t 0 u u
输出：uce Ec－U c
be Eb＋U b ce Ec U c
A点 Q点
t 2 u u
be Eb ce Ec
t ic 0(uce Ec＋U c ) C点
AC交横轴于B点，
动特性曲线的斜率
ABC折线即为动特性曲线。
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1 2 1 1 P U c I c1 Po Ec I c 0 1 2 2 RL U c P1
欠压状态
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过压状态的集电极电流波形