第三章高频功率放大器
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高频振荡 缓冲 声音
倍频 话筒
高频放大
音频放大
发
调制
射 天
线
图 调幅发射机方框图
1.作用
不失真的放大高频信号 追求:高效、大功率
2.分类
宽带功放 窄带功放
小功率 大功率
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
最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角
θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器
工作状态的选择指明方向。
考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、 大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中 的办法：折线近似分析法。
晶体管静态特 性曲线折线法
输出特性曲线
（基极电压或电流一定时， ic与uce的关系）
转移特性曲线
（集电极电压一定时， ic与ube的关系）
过压
临界 iC=gcrvCE
欠压
E
E
图 3.3.1 晶体管的输出特性及其理想化
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
E
图 3.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化
End
以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦 脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。
(b) 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式：
v BE VBB Vbm cost vCE VCC Vcm cost
iC Ic0 Ic1m cos t Ic2m cos 2t
Icnm cos nt 谐振回路
vCE VCC Vcm cos t
qc
g1(qc )
I c1m 1(qc ) I c0 0 (qc )
g1
(q
c
)
qc cosqc sinqc qc
s in q cosq
c c
下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角 qc变化的情况，从而选择合适的工作状态。
0
(qc
)
sinqc qc cosqc π(1 cosqc )
i qc
qc C
cos nωtdt
IcM n(qc )
图3.3.3 尖顶余弦脉冲
波形系数
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
0
(qc
)
sinqc qc cosqc (1 cosqc )
1
(q
c
)
q
c cosqc sinq (1 cosqc )
c
n
(qc
)
2
sin
nqc cosqc n cos nqc sin n(n2 1)(1 cosqc )
窄带谐振放大器
有源器件 丙类
谐振回路
输出回路 输入回路 晶体管
35
Tr1 T
L2
C1 4
yL
Tr2
高频谐振功率放大器 功能：将直流功率转换为交流信号功率。 主要指标：输出功率与效率 工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真） 分析方法：折线近似分析法。(大信号)
3.2.1 获得高效率所需要的条件 3.2.2 功率关系
波形系数：g1(qc )
I c1m I c0
VCC
集电极损耗功率： Pc
P
Po
3.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解 3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性 3.3.4 各极电压对工作状态的影响
为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，
关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Ic1m。
vBE VBB Vbm cost 当t=0时，iC=IcM = gcVbm(1–cos qc)
iC取决于脉冲高度 IcM 与通角qc
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
I C0
1 2π
qc qc
iCdt
IcM 0(qc )
I cnm
1 π
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。
iC Ic0 I c1m cos t I c2m cos 2t I cnm cos nt
low 0 ω 2ω 3ω
nω high
4. 效率与失真矛盾的解决
通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期 信号。
vCE VCC Vcm cost
V cm vCE
iC i vCE min
c max
0 qc
V BZ
V CC
－V BB
iC v bEmax
t
c
Po P
V bm vBE
1
Pc T
T
0 iC vCEdt
1. iC 与vBE同相，与vCE反相；
v BE VBB Vbm cost 2. iC 脉冲最大时，vCE最小；
小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：
工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源
作基极偏置。
失真
iC 转移
iC
特性
VBB
理想化
t
- qc
o V BZ
vbe - qc 0 +qc
+ q0c
vbe
V bm
t
v BE VBB Vbm cost
图 高频功率放大器的 基本电路
电流 或电压
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t
Icmn cosnt
直流功率： P==VCC Ic0
输出交流功率：
Po
1 2
VcmI
c1m
集电极效率：
V2 cm
2R p
1 2
I
R 2
c1m
pBiblioteka Baidu
c
Po P
1 2
V
cm
I c1m
VCCI c0
1 2
g 1(qc
)
集电极电压利用系数： Vcm
1
(qc
)
qc
cosqc sinq π(1 cosqc )
c
n
1 0
1
n
(qc
)
2
sin
nqc cosqc n cos nqc sin n(n2 1)(1 cosqc )
t
iC 转移
iC
特性
VBB
0 - qc + q0c
V bm
理想化
V BZ
vbe
vbe
- qc o +qc
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ) =gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)
t =gcVbm (cosωt–cos qc)
当t= qc时，iC= 0
cosqc
VBB VBZ Vbm
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
3.特点
（1）负载为谐振回路（阻抗匹配、滤波） （2）工作在C类 （3）输入为大信号（〉0.5V）
➢ 与小信号放大器相比不同点： （1）小信号放大器工作在A类 （2）输入为小信号
➢ 与低频功率放大器相比不同点： （1）低频功率放大器的负载为电阻 （2）工作频率不同 （3）低频功放为宽带功放，高频功放为窄带功放
倍频 话筒
高频放大
音频放大
发
调制
射 天
线
图 调幅发射机方框图
1.作用
不失真的放大高频信号 追求:高效、大功率
2.分类
宽带功放 窄带功放
小功率 大功率
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
最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角
θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器
工作状态的选择指明方向。
考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、 大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中 的办法：折线近似分析法。
晶体管静态特 性曲线折线法
输出特性曲线
（基极电压或电流一定时， ic与uce的关系）
转移特性曲线
（集电极电压一定时， ic与ube的关系）
过压
临界 iC=gcrvCE
欠压
E
E
图 3.3.1 晶体管的输出特性及其理想化
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
E
图 3.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化
End
以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦 脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。
(b) 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式：
v BE VBB Vbm cost vCE VCC Vcm cost
iC Ic0 Ic1m cos t Ic2m cos 2t
Icnm cos nt 谐振回路
vCE VCC Vcm cos t
qc
g1(qc )
I c1m 1(qc ) I c0 0 (qc )
g1
(q
c
)
qc cosqc sinqc qc
s in q cosq
c c
下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角 qc变化的情况，从而选择合适的工作状态。
0
(qc
)
sinqc qc cosqc π(1 cosqc )
i qc
qc C
cos nωtdt
IcM n(qc )
图3.3.3 尖顶余弦脉冲
波形系数
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
0
(qc
)
sinqc qc cosqc (1 cosqc )
1
(q
c
)
q
c cosqc sinq (1 cosqc )
c
n
(qc
)
2
sin
nqc cosqc n cos nqc sin n(n2 1)(1 cosqc )
窄带谐振放大器
有源器件 丙类
谐振回路
输出回路 输入回路 晶体管
35
Tr1 T
L2
C1 4
yL
Tr2
高频谐振功率放大器 功能：将直流功率转换为交流信号功率。 主要指标：输出功率与效率 工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真） 分析方法：折线近似分析法。(大信号)
3.2.1 获得高效率所需要的条件 3.2.2 功率关系
波形系数：g1(qc )
I c1m I c0
VCC
集电极损耗功率： Pc
P
Po
3.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解 3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性 3.3.4 各极电压对工作状态的影响
为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，
关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Ic1m。
vBE VBB Vbm cost 当t=0时，iC=IcM = gcVbm(1–cos qc)
iC取决于脉冲高度 IcM 与通角qc
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
I C0
1 2π
qc qc
iCdt
IcM 0(qc )
I cnm
1 π
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。
iC Ic0 I c1m cos t I c2m cos 2t I cnm cos nt
low 0 ω 2ω 3ω
nω high
4. 效率与失真矛盾的解决
通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期 信号。
vCE VCC Vcm cost
V cm vCE
iC i vCE min
c max
0 qc
V BZ
V CC
－V BB
iC v bEmax
t
c
Po P
V bm vBE
1
Pc T
T
0 iC vCEdt
1. iC 与vBE同相，与vCE反相；
v BE VBB Vbm cost 2. iC 脉冲最大时，vCE最小；
小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：
工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源
作基极偏置。
失真
iC 转移
iC
特性
VBB
理想化
t
- qc
o V BZ
vbe - qc 0 +qc
+ q0c
vbe
V bm
t
v BE VBB Vbm cost
图 高频功率放大器的 基本电路
电流 或电压
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t
Icmn cosnt
直流功率： P==VCC Ic0
输出交流功率：
Po
1 2
VcmI
c1m
集电极效率：
V2 cm
2R p
1 2
I
R 2
c1m
pBiblioteka Baidu
c
Po P
1 2
V
cm
I c1m
VCCI c0
1 2
g 1(qc
)
集电极电压利用系数： Vcm
1
(qc
)
qc
cosqc sinq π(1 cosqc )
c
n
1 0
1
n
(qc
)
2
sin
nqc cosqc n cos nqc sin n(n2 1)(1 cosqc )
t
iC 转移
iC
特性
VBB
0 - qc + q0c
V bm
理想化
V BZ
vbe
vbe
- qc o +qc
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ) =gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)
t =gcVbm (cosωt–cos qc)
当t= qc时，iC= 0
cosqc
VBB VBZ Vbm
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
3.特点
（1）负载为谐振回路（阻抗匹配、滤波） （2）工作在C类 （3）输入为大信号（〉0.5V）
➢ 与小信号放大器相比不同点： （1）小信号放大器工作在A类 （2）输入为小信号
➢ 与低频功率放大器相比不同点： （1）低频功率放大器的负载为电阻 （2）工作频率不同 （3）低频功放为宽带功放，高频功放为窄带功放