高频电子线路(第五章 高频功率放大器)
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①高效率输出 联想对比： ②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。
7
（3）高频功率放大器的种类
谐振功率放大器（学习重点）
特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可
以很大，一般用于末级； 不易于自动调谐。
宽带功率放大器（了解即可）
特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带
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 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
90%~100%
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振 荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起 动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。
34
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为iC脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
23
回路失谐可能造成什么后果?
从输出信号和三极管两个角度来分析
对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器
的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而 使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失 真； 对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章 知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路 电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管 可能由于功率过大而烧毁。
iC
显然iC也是周期信号 若对 iC 分解为傅里叶级数为：
直流分量IC 0 I cm1 cost (应该输出的波形 ) I cm2 cos2t
ωt ωt ωt ωt
iC IC0 Icm1 cos t Icm2 cos 2t Icmn cos nt
iC可以看成是这些波形的 叠加后的结果 22
内对高频信号进行功率放大； 功率增益有限，一般用于中小功率级。
8
（4）高频功放与高频小信号放大器的比较
高频小信号 放大器 高频功放
电路性质
应用场合 放大器类型
线性
发射机送给功放的信号 接收机天线送来的信号
非线性
发射机末端 丙类 余弦脉冲
将电源的能量尽可能 以信号的形式输出
甲类
集电极输出波形 与输入信号一致 设计的目的
信号波形放大、传输
最关心的指标
电压增益
效率
9
（4）高频功放与高频小信号放大器的比较
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
iቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ iC
Q
o
o
vB
o
vB
VBZ
o
t
t
小信号谐振放大器 波形图
半流通角θc通常取多大比较合适?
32
问题一：为什么iC的波形时有时无, 而输出的波形vo却能是连续的?
如果能从频谱的角度来理解最好，即iC是有 很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将 其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余 弦分量Icm1cosωt。 另外一种理解方法是：LC具有储能作用， 当iC为0时，由于C上电压不能突变，所以 在LC之间来回充放电。
VBZ VBB cos c Vbm
4
§5.1 概述
（1）使用高频功放的目的 （2）功率放大器使用中需解决的两个问题 （3）高频功率放大器的种类 （4）高频功放与小信号放大器的比较 （5）高频功放与低频功放的区别 （6）工作状态 （7）高频功放的主要技术指标
5
（1）使用高频功放的目的
17
为什么在丙类时Pc 最小?
直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。
可见丙类放大器的Pc最小，效率最高。
18
高频功放提高效率的途径：
（1）工作在丙类工作状态； （2）在（1）的前提下， iC最大， vC最小 （二者倒相）。
19
（2）谐振功放的基本电路
iC iB + vb –
ve b B
大家应当了解的工程指标
谐波场强
2ω0的场强与ω0的场强之比小于万分之二 在发射机1km处2ω0的场强小于50(uV/m)
谐波功率（小于25mW）
14
§5.2 谐振功率放大器工作原理
§5.2.1 获得高效率所需要的条件 （1）为什么谐振功率放大器要处于丙类？
记直流电源输出功率为 P
功放输出交流信号的功率为P o 晶体管集电极消耗的功率为P c 根据能量守恒定律，有P P o P c
Po Po 效率hc P Po Pc
不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率!
15
Pc与iC和vC的关系
iC
+
vC -
Pc的瞬时功率为iC和vC的乘积。
16
甲类、乙类、丙类放大器的演示
等 效
由于LC的选频作用
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
om
cost
26
分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vC
iC
vB
VBB
vC
vb
vo V
om
cost
vC的振幅Vcm Vom (vo振幅)
VCC
vC
VCC
ωt
vC VCC vo VCC Vom cost
根据傅里叶级数原理I C 0 1 T
T /2
T / 2 C
i d (t )
T /2 CC
1 而根据电路原理,电源输出功率P T 1 T /2 VCC iC d (t ) VCC IC 0 T T / 2
V
T / 2
iC d (t )
37
第二步:分析输出功率P o
vo
27
vB、iC、vC的相位关系
28
分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出
v V B
B
Vbm
VBZ –VBB
t
iB
t iC
t V v C
C
Vcm Vcm VCC t
29
分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压 画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）
电或 流电 压
解：
uD1 u1 u2
i1 gd S (t )uD1
uD 2 u1 u2 uD1
i2 gd S * (t )uD2
i i1 i2 gd S (t )uD1 gd S * (t )uD2
gd (S (t ) S * (t ))uD1
4 4 4 g d ( cos 2t cos 32t cos 52t )(V1m cos 1t V2 m cos 2t ) 3 5
33
回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。 回路是由L、C二个储能元件组成。 （1）截止进入导通时：L的电流不能突 变，对C充电。直流电源VCC给出的能量 储存在电容C之中。 （2）晶体管截止：C上电压不能突变， 通过L进行放电。
– + – + + – iL
C
L
LC回路能量转换过程
ic + –
11
（6）工作状态 三极管四种工作状态
根据正弦信号整个周期 内三极管的导通情况划分 甲类：一个周期内均导通 乙类：导通角等于180° 甲乙类：导通角大于180° 丙类：导通角小于180°
12
（6）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 2-1 不同工作状态时放大器的特点
24
（3）电路图中各变量关系及波形分析
分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲 iC iC
vb
vB
VBB
VBB
t0
输入信号振幅记为 Vbm
VBZ
vB
0
ωt
vB
t
25
分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加
iC
vb
vB
为了分析更清晰，先假设没有抽头
iC
0
VBB
VCC
c 70
0
35
§5.2.2 功率关系和效率
记直流电源输出功率为 P
功放输出交流信号的功率为P o 晶体管集电极消耗的功率为P c 根据能量守恒定律，有P P o P c
36
§5.2.2 功率关系和效率
第一步: 分析电源输出功率 P
余弦电流脉冲iC可分解为傅里叶级数：
iC IC0 Icm1 cos t Icm2 cos 2t Icmn cos nt
iC
gc (vB VBZ )(当vB VBZ )
VBZ
近似为
VBZ 是晶体管特征“折线化 ”后的截止电压
gc是跨导（即第2段折线的斜率）
设vB VBB Vbm cost
考虑在流通角内 iC
vB
得iC gc (VBB Vbm cost VBZ )
VBZ
21
vB
余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加
将上式展开，输出电流中的频率分量包括直流，
2n2 ,(2n -1)2 1,(n 1, 2,3...)
1
第五章
高频功率放大器
电路性质：非线性 放大器种类：丙类 基础知识：折线分析法
2
本章的知识结构
§5.1 概述 一定要彻底吃透 §5.2 工作原理（重点） §5.3 功率放大器的折线分析法（重点）
3
本章知识的特点
知识特点
变量较多、题型非常灵活多变 三极管不再单纯处于工作区 必须熟练掌握折线法
学习方法
一定要把教材177页/208页的波形图彻底理解 先画图再做题，理清变量关系。 熟练掌握 iC max与cosc的关系和表达式
iC max gcVbm (1 cosc )
话 筒 音频 放大器 调制器 变频器 激励放大 输出功 率放大 载波 振荡器
无线发射机
天线开关
无线接收机
扬 声 器 音频 放大器 解调器 中频放大 与滤波 混频器 高频放大
本地 振荡器
目的：放大高频大信号,使发射机末级获得足够大的 发射功率。
从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分
6
（2）功率放大器使用中需解决的两个问题
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
Rp
cm
cost
将LC回路谐振时的等效电阻 Rp画出 2 1 Vcm Po 可以看出输出功率P o为Rp上消耗的功率 2 Rp 另外,考虑IC 0将全部被L短路，Icm2、Icm3等分量被C短路
Rp上的电流为 I cm1 cost 1 1 2 Po 又可写成Po Vcm I cm1 I cm1R p 2 2
t
谐振功率放大器 波形图
t
10
（5）高频（谐振）功放与低频功放的区别
低频功放 工作频率 应用场合 负载 放大器类型 音频 接收机末端 纯电阻 甲类或乙类 高频功放 射频 发射机末端 LC谐振回路 丙类
不同之处：工作频率、相对频宽、放大器负载、放大器的工 作状态不同。 相同之处：要求输出功率大、效率高。
为什么必须以LC回路作为负载？
+
v eC c
L C – vo + 输出
首先，为了提高功 放效率，在基极回 路加入了反向偏置 电压VBB，从而使 放大器处于丙类。
–
– iE – VCC +
– + VBB
因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲。
20
（2）谐振功放的基本电路
iC
0(当vB VBZ )
低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙 类工作状态； 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通 带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为 丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信号，它的负 载必须是谐振回路。 13
（7）高频功放的主要技术指标
主要指标：
输出功率 效率（将电源能量转换成输出信号能量的能力）
iC iCmax vCmin o c VBZ
Vcm
vC
vc iC
vC v C
有阴影的波形为 iC
vBmax t
VCC
2
–VBB 2
3
2
vB Vbm vb
5 2
vB
30
可以看出，vBmax最大时，iC最大值 iCmax，vC最小值vCmin (b)
晶体管内部特性：
iC
0(当vB VBZ )
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。
7
（3）高频功率放大器的种类
谐振功率放大器（学习重点）
特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可
以很大，一般用于末级； 不易于自动调谐。
宽带功率放大器（了解即可）
特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带
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 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
90%~100%
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振 荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起 动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。
34
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为iC脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
23
回路失谐可能造成什么后果?
从输出信号和三极管两个角度来分析
对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器
的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而 使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失 真； 对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章 知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路 电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管 可能由于功率过大而烧毁。
iC
显然iC也是周期信号 若对 iC 分解为傅里叶级数为：
直流分量IC 0 I cm1 cost (应该输出的波形 ) I cm2 cos2t
ωt ωt ωt ωt
iC IC0 Icm1 cos t Icm2 cos 2t Icmn cos nt
iC可以看成是这些波形的 叠加后的结果 22
内对高频信号进行功率放大； 功率增益有限，一般用于中小功率级。
8
（4）高频功放与高频小信号放大器的比较
高频小信号 放大器 高频功放
电路性质
应用场合 放大器类型
线性
发射机送给功放的信号 接收机天线送来的信号
非线性
发射机末端 丙类 余弦脉冲
将电源的能量尽可能 以信号的形式输出
甲类
集电极输出波形 与输入信号一致 设计的目的
信号波形放大、传输
最关心的指标
电压增益
效率
9
（4）高频功放与高频小信号放大器的比较
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
iቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ iC
Q
o
o
vB
o
vB
VBZ
o
t
t
小信号谐振放大器 波形图
半流通角θc通常取多大比较合适?
32
问题一：为什么iC的波形时有时无, 而输出的波形vo却能是连续的?
如果能从频谱的角度来理解最好，即iC是有 很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将 其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余 弦分量Icm1cosωt。 另外一种理解方法是：LC具有储能作用， 当iC为0时，由于C上电压不能突变，所以 在LC之间来回充放电。
VBZ VBB cos c Vbm
4
§5.1 概述
（1）使用高频功放的目的 （2）功率放大器使用中需解决的两个问题 （3）高频功率放大器的种类 （4）高频功放与小信号放大器的比较 （5）高频功放与低频功放的区别 （6）工作状态 （7）高频功放的主要技术指标
5
（1）使用高频功放的目的
17
为什么在丙类时Pc 最小?
直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。
可见丙类放大器的Pc最小，效率最高。
18
高频功放提高效率的途径：
（1）工作在丙类工作状态； （2）在（1）的前提下， iC最大， vC最小 （二者倒相）。
19
（2）谐振功放的基本电路
iC iB + vb –
ve b B
大家应当了解的工程指标
谐波场强
2ω0的场强与ω0的场强之比小于万分之二 在发射机1km处2ω0的场强小于50(uV/m)
谐波功率（小于25mW）
14
§5.2 谐振功率放大器工作原理
§5.2.1 获得高效率所需要的条件 （1）为什么谐振功率放大器要处于丙类？
记直流电源输出功率为 P
功放输出交流信号的功率为P o 晶体管集电极消耗的功率为P c 根据能量守恒定律，有P P o P c
Po Po 效率hc P Po Pc
不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率!
15
Pc与iC和vC的关系
iC
+
vC -
Pc的瞬时功率为iC和vC的乘积。
16
甲类、乙类、丙类放大器的演示
等 效
由于LC的选频作用
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
om
cost
26
分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vC
iC
vB
VBB
vC
vb
vo V
om
cost
vC的振幅Vcm Vom (vo振幅)
VCC
vC
VCC
ωt
vC VCC vo VCC Vom cost
根据傅里叶级数原理I C 0 1 T
T /2
T / 2 C
i d (t )
T /2 CC
1 而根据电路原理,电源输出功率P T 1 T /2 VCC iC d (t ) VCC IC 0 T T / 2
V
T / 2
iC d (t )
37
第二步:分析输出功率P o
vo
27
vB、iC、vC的相位关系
28
分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出
v V B
B
Vbm
VBZ –VBB
t
iB
t iC
t V v C
C
Vcm Vcm VCC t
29
分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压 画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）
电或 流电 压
解：
uD1 u1 u2
i1 gd S (t )uD1
uD 2 u1 u2 uD1
i2 gd S * (t )uD2
i i1 i2 gd S (t )uD1 gd S * (t )uD2
gd (S (t ) S * (t ))uD1
4 4 4 g d ( cos 2t cos 32t cos 52t )(V1m cos 1t V2 m cos 2t ) 3 5
33
回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。 回路是由L、C二个储能元件组成。 （1）截止进入导通时：L的电流不能突 变，对C充电。直流电源VCC给出的能量 储存在电容C之中。 （2）晶体管截止：C上电压不能突变， 通过L进行放电。
– + – + + – iL
C
L
LC回路能量转换过程
ic + –
11
（6）工作状态 三极管四种工作状态
根据正弦信号整个周期 内三极管的导通情况划分 甲类：一个周期内均导通 乙类：导通角等于180° 甲乙类：导通角大于180° 丙类：导通角小于180°
12
（6）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 2-1 不同工作状态时放大器的特点
24
（3）电路图中各变量关系及波形分析
分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲 iC iC
vb
vB
VBB
VBB
t0
输入信号振幅记为 Vbm
VBZ
vB
0
ωt
vB
t
25
分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加
iC
vb
vB
为了分析更清晰，先假设没有抽头
iC
0
VBB
VCC
c 70
0
35
§5.2.2 功率关系和效率
记直流电源输出功率为 P
功放输出交流信号的功率为P o 晶体管集电极消耗的功率为P c 根据能量守恒定律，有P P o P c
36
§5.2.2 功率关系和效率
第一步: 分析电源输出功率 P
余弦电流脉冲iC可分解为傅里叶级数：
iC IC0 Icm1 cos t Icm2 cos 2t Icmn cos nt
iC
gc (vB VBZ )(当vB VBZ )
VBZ
近似为
VBZ 是晶体管特征“折线化 ”后的截止电压
gc是跨导（即第2段折线的斜率）
设vB VBB Vbm cost
考虑在流通角内 iC
vB
得iC gc (VBB Vbm cost VBZ )
VBZ
21
vB
余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加
将上式展开，输出电流中的频率分量包括直流，
2n2 ,(2n -1)2 1,(n 1, 2,3...)
1
第五章
高频功率放大器
电路性质：非线性 放大器种类：丙类 基础知识：折线分析法
2
本章的知识结构
§5.1 概述 一定要彻底吃透 §5.2 工作原理（重点） §5.3 功率放大器的折线分析法（重点）
3
本章知识的特点
知识特点
变量较多、题型非常灵活多变 三极管不再单纯处于工作区 必须熟练掌握折线法
学习方法
一定要把教材177页/208页的波形图彻底理解 先画图再做题，理清变量关系。 熟练掌握 iC max与cosc的关系和表达式
iC max gcVbm (1 cosc )
话 筒 音频 放大器 调制器 变频器 激励放大 输出功 率放大 载波 振荡器
无线发射机
天线开关
无线接收机
扬 声 器 音频 放大器 解调器 中频放大 与滤波 混频器 高频放大
本地 振荡器
目的：放大高频大信号,使发射机末级获得足够大的 发射功率。
从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分
6
（2）功率放大器使用中需解决的两个问题
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
Rp
cm
cost
将LC回路谐振时的等效电阻 Rp画出 2 1 Vcm Po 可以看出输出功率P o为Rp上消耗的功率 2 Rp 另外,考虑IC 0将全部被L短路，Icm2、Icm3等分量被C短路
Rp上的电流为 I cm1 cost 1 1 2 Po 又可写成Po Vcm I cm1 I cm1R p 2 2
t
谐振功率放大器 波形图
t
10
（5）高频（谐振）功放与低频功放的区别
低频功放 工作频率 应用场合 负载 放大器类型 音频 接收机末端 纯电阻 甲类或乙类 高频功放 射频 发射机末端 LC谐振回路 丙类
不同之处：工作频率、相对频宽、放大器负载、放大器的工 作状态不同。 相同之处：要求输出功率大、效率高。
为什么必须以LC回路作为负载？
+
v eC c
L C – vo + 输出
首先，为了提高功 放效率，在基极回 路加入了反向偏置 电压VBB，从而使 放大器处于丙类。
–
– iE – VCC +
– + VBB
因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲。
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（2）谐振功放的基本电路
iC
0(当vB VBZ )
低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙 类工作状态； 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通 带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为 丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信号，它的负 载必须是谐振回路。 13
（7）高频功放的主要技术指标
主要指标：
输出功率 效率（将电源能量转换成输出信号能量的能力）
iC iCmax vCmin o c VBZ
Vcm
vC
vc iC
vC v C
有阴影的波形为 iC
vBmax t
VCC
2
–VBB 2
3
2
vB Vbm vb
5 2
vB
30
可以看出，vBmax最大时，iC最大值 iCmax，vC最小值vCmin (b)
晶体管内部特性：
iC
0(当vB VBZ )