第5章 高频功率放大器

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§5.3、晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法
一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式
折线近似分析法，是将电子器件的特性曲线理想化，每 一条特性曲线用一条或几条直线（组成折线）来代替。可 以用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。
优点是简单，缺点是准确度较低。
2）维持晶体管的集电极耗散不超过规定值，提高集电极效率，将使交流输出功 率大为增加。
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如何减小集电极耗散？ 集电极耗散的瞬时功率为：
pC iC vC
如果使iC 只有在vC 最低的时候才能通过，那么集电极耗散功率 自然会大为减小。iC需是脉冲状。
电流通角2C 180o
第5章 高频功率放大器
1、熟练掌握高频谐振功率放大器的工作原理、特性分 析 2、正确理解馈电电路和匹配网络在高频谐振功率放大 器中的应用 3、了解丙类倍频器的工作原理 4、了解传输线变压器的工作原理
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§5.1 概述
一、高频功率放大器的分类
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二、高频功率放大器与高频小信号放大器的比较 1、前者放大的是大信号，后者放大的是小信号 2、前者为非线性电路（分析方法为折线分析法）；后者 为线性电路（用y参数等效电路分析法） 3、前者通常工作于丙类状态，后者工作于甲类状态 4、质量指标不同：前者为输出功率大、效率高以及输出 中的谐波分量应尽量小，以免对其他频道产生干扰；后者 有增益、选择性、通频带、稳定性、噪声系数等。
2 Vcm 1 1 2 PO Vcm I cm1 I cm1 R p 2 2 Rp 2
L ，R为电感的损耗电阻） CR
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集电极耗散功率为 PC P PO
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放大器的集电极效率为：
1 V I PO 2 cm cm1 1 C g1 ( c ) P VCC I CO 2 Vcm (集电极电压利用系数） VCC g1 ( c ) I cm1 iC max （ （ ） 1 c） 1 c （波形系数） I CO iC max（ （ 0 c） 0 c）
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2 调制特性
(1) 集电极调制特性。
若VBB、Rp和Vbm固定, 输出电压振幅Vcm随集电极电压
VCC变化的规律被称为集电极调制特性。 由图可以看到, VCC的变化使得静态工作点左右平移, 从 而使欠压区内的动态线左右平移, 动态线的斜率不变。 在欠 压状态时, 当VCC改变时，Vcm几乎不变。 在过压状态时， Vcm随 VCC而单调变化。所以 , 此时功放应工作在过压状态 , 才能使VCC时对Vcm有控制作用， 即振幅调制作用。
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三、各级电压对工作状态的影响
1 放大特性
若VBB、VCC、Rp三个参数固定, 输入Vbm变化, 此时输出Vcm以及 Po、η等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。
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利用折线化转移特性分析丙类工作时 iC波形随Vbm变化的关系，并给出 了Vcm、Icm1和Ic0与Vbm的关系曲线。 由于Vbm的变化将导致θ的变化，从 而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化，所以利用输出特性分析放
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VCC uCE uBe VBB Ubm UCm
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1 负载特性
由图可知, VBB和VCC固定意味着Q点固定, Vbm固定进一 步意味着 θ 也固定。放大区动态线斜率将仅随 R p 而变化。图 中给出了三种不同斜率情况下的动态线。 动态线A1B1的斜率最大,即对应的负载Rp最小, 相应的输 出电压振幅Vcm也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。
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§5.5 高频功率放大器的电路组成
一. 直流馈电线路
在高频功放的输入回路和输出回路应分别加上合适的直流
偏压, 有关的直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基 本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联 , 后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式 , 直流偏压与交 流电压总是串联迭加的, 假定交流电压是单频信号, 即满足 vB=-VBB+Vbmcosωt, vC=VCC-Vcmcosωt的关系式。
即工作在丙类状态
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谐振功率放大器的基本工作原理 1、原理电路
ic － ＋ ib B u () ub V ＋ ub e － uce － uc C ＋ L R
Eb V BB
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Ec VCC
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vBE VBB Vbm cos t iC g c (vBE VBZ ) 则 则 故得 VBZ VBB cos C Vbm iC g cVbm (cos t cos C ) iC max g cVbm (1 cos C ) 则
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在高频功率放大器中，又常根据集电极电流是否进 入饱和区，将它的工作状态分为三种： 欠压工作状态：集电极电流最大点电流在直线1的右 方，交流输出电压较低； 过压工作状态：集电极电流最大点电流在直线1的左 方饱和区，交流输出电压较高； 临界工作状态：集电极电流最大点电流在直线1上。
大特性不方便。
由图可以看到, 在欠压状态时，Vcm随Vbm增大而增大, 但不成线性关系， 因为θ也会随之增大，使 iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类
或乙类工作状态时，θ固定为180°或90°, 不会随Vbm的变化而变化，此
时Vcm与Vbm才成正比关系。在过压状态, 随着Vbm增加，Vcm几乎保持不变。
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( t 2k ) C )
iC g c (VBB Vbm cos t VBZ ) VBB Vbm cos C VBZ 0
当t C时，iC 0
iC iC max
cos t cos C 1 cos C
周期性的余弦尖脉冲
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4 小结
(1) 若对等幅信号进行功率放大 , 应使功放工作在临界状态 , 此时 输出功率最大, 效率也接近最大。
(2) 若对非等幅信号进行功率放大 , 应使功放工作在欠压状态 , 但 线性较差。若采用甲类或乙类工作, 则线性较好。
(3) 丙类谐振功放在进行功率放大的同时 , 也可进行振幅调制。若 调制信号加在基极偏压上, 功放应工作在欠压状态； 若调制信号加在集 电极电压上, 功放应工作在过压状态。 (4) 回路等效总电阻Rp直接影响功放在欠压区内的动态线斜率, 对功 放的各项性能指标关系很大, 在分析和设计功放时应重视负载特性。
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用傅立叶级数展开得： iC I k cos kt I C 0 I cm1 cos t I cm 2 cos 2t
k 0
I k iC max k (C )
I co ic max
波形分解系数
sin cos ic maxa0 ( ) (1 cos ) sin cos I c1 ic max ic maxa1 ( ) (1 cos ) 2 sin n cos 2n sin cosn I cn ic max ic maxan ( ) 2 n ( n 1)(1 cos cos )
临界线方程可写为： 输出特性的理想化
iC gcr vC
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二、高频功率放大器的动态特性与负载特性
高频功率放大器的工作状态取决于负载阻抗Rp和电压VCC、VBB、Vbm四个参数。
负载特性曲线：如果维持三个电压参数不变，此时各种电流、 输出电压、功率和效率等随Rp而变化的曲线。 动态特性曲线：在输出特性图中, 表示输出电压vC、vB与iC的关系曲线 又称为交流负载线。由于谐振功放的负载是选频网络, 故输出交流电压vc必 然是一个完整的余弦信号。由图可以看到, 截止区和饱和区内的动态线分 别和输出特性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为gcr), 而放 大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。
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( n 1)
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2、功率关系
由于负载调谐在基波上，所以输出端只有基波分量，并且 vo Vcm cos t R p I cm1 cos t （R p p 2 vC VCC Vcm cos t vBE VBB Vbm cos t 直流电源VCC 所供给的直流功率为 P VCC I C 0 回路可吸取的基频功率为
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§5.2 谐振功率放大器的工作原理
一、获得高效率所需要的条件 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 P O P C
c
PO PO P PO PC
1）在给定的 P=时，降低PC，则 PO就会增大。
c 自然会提高。这样，晶体管的交流输出功率
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(2) 基极调制特性 若VCC、Rp和Vbm固定, 输出电压振幅Vcm随基极偏 压VBB变化的规律被称为基极调制特性。 由于VBB和vb是以串联迭加方式处于功放的输入回 路, 所以VBB的变化与vb的振幅Vbm的变化对输出电流iC 和输出电压振幅Vcm的影响是类似的。 基极调制的目的是使Vcm随VBB的变化规律而变化, 所以功放应工作在欠压状态, 才能使VBB对Vcm有控制大小的不同, 这三种工
作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态, 而放大区 和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。 注意, 在过压状态时, iC波形的顶部发生凹陷, 这是由于 进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。