第2章 高频功率放大器
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iC iC C u BEm ax
i Cmax 0 2 A EC 0 u CEm in B u CE D u CE
0
t
图2.6 动特性曲线与集电极电流波形
第2章 高频功率放大器
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与电极电压(uBE或uCE)的关系曲线, 它在输 出特性上 iC～uCE或转移特性上 iC～uBE 是一条折线。 当ωt=π/2 时,瞬时工 作点为EC点。 当ωt=π 时，瞬时 工作点为D点
处于过压状态时，三极管会工作在那几个区？
第2章 高频功率放大器
由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并联谐振回 路的选频滤波作用，集电极电压仍为余弦波形，且uCE与uBE 反相。 另外，已知集电极电流iC中有很多谐波分量，如果将 LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即ω0=ωn，则在回路
两端将得到ωn的电压 uc=IcnmRencos(nωt) 的输出信号，它的
频率是激励信号频率的n倍，所以这种谐振功率放大器称为 倍频器。
第2章 高频功率放大器
2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系 高频平均功率 直流输入功率
2 1 1 2 1 U cm P0 I c1mU cm I c1m Re 2 2 2 Re
PE IC 0 EC
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
第2章 高频功率放大器
1 sin cos I Co iC dt iC max (1 cos ) iC max a0 ( ) 2 1 sin cos I c1m iC cos td t iC max iC max a1 ( ) (1 cos ) 1 2sin n cos 2n sin cos n I cnm iC cos ntd t iC max n (n 2 1)(1 cos cos ) iC max an ( ) (n 1)
1) 减小导通角； 2）减小导通角内的uCE。
第2章 高频功率放大器
在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量 提高输出功率。因为
PC Po 1 1
(2.1―13)
C
可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越 高，输出功率Po越大。
第2章 高频功率放大器
例1：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率Po=5W， 晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压
因此用谐振回路作负载。分析方法：低频功放利用晶体管
实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲 电流，因此用折线近似法。
第2章 高频功率放大器
2.2.1 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理电路。
iC ＋ iB V ＋ ub － ＋ － EB － EC ＋
图2.1 谐振功率放 大器原理电路
u CE － C
－ Re uc ＋ RL L
第2章 高频功率放大器
2.1.2 工作原理
设输入信号为 ub U bm cos t 则由图2.1得基极回路电压为：
uBE EB U bm cos t
设三极管发射极的导通电压为UB’，在
u BE U
' B
Po 1 C PE 1 PC Po
可知，当Po一定时，减小PC可提高ηC。PC可表示为
1 PC 2
i
C
uce dt
(2.1―12)
因此，减小iC·uce及通角θ可减小PC，由图2.3可看 出，iC 的最大值与uce 的最小值对应，通角θ越小，iC
越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。
对应于输出特性上的C点。 在取 iC=0 时，得到 线性区的另一点A， 对应的ωt=θ 。
iC 0 U CE EC I C1m Re cos
ωt继续增加时，就表现为非线性，集电极电流维持 为0，但集电极电压继续增大。瞬时工作点在横坐 标轴上向右移动。
第2章 高频功率放大器
匹配网络。
关键问题：与器件功耗联系的功率管温升受限。
第2章 高频功率放大器
本章内容
• 2.1 谐振功率放大器基本工作原理 • 2.2 丙类功率放大器的工作状态分析
• 2.3 谐振功率放大器的高频特性
• 2.4 谐振功率放大器电路
• 2.5 高效率高频功率放大器及功率合成技 术
第2章 高频功率放大器
时，iC≈0；只有在uBE>UB’ 时，集电极才有电流输出，
iC≈gm(uBE-UB’) 所以集电极电流将是余弦脉冲。
iC ICo Ic1m cos t Ic 2m cos 2t (2.1 ─ 2)
第2章 高频功率放大器
iC
gm
iC
EB － 0
UB ′ u BE uB
iCmax － 0 2
晶体管放大区的特性
' ' iC g m (uBE U B ) uBE U B
晶体管截止区的特性
晶体管饱和区的特性
iC 0 iC Scr uCE
' uBE U B
uBE EB Ubm cos t , uCE E C Ucm cos t
' iC gm (EB Ubm cos t U B )
10
30
50
70
9 0 1 10 1 30 1 50 1 70
/°
图2.5 余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线
波形系数：
a1 sin cos g1 a0 sinBiblioteka Baidu cos
第2章 高频功率放大器
2.2.2 动特性曲线－－图解分析法 小信号电压放大器仅仅在放大区工作，负载是纯电阻， 因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时 工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。 谐振功率放大器不是仅工作在线性区，各个区的特性曲 线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，工 作点的轨迹就不是一条直线，所以瞬时工作点的轨迹称为
第2章 高频功率放大器
第2章 高频功率放大器
任务：实现高频信号的功率放大。窄带高频功率放大器 （以LC并联谐振回路作负载），又称为谐振功率放大器。 目标：达到高效率，大功率输出。 原理组成：谐振功率放大器应由哪几部分组成，从原理上 讲，那些参数直接关系到它的效率和输出功率。 分析：在什么条件下能实现高效率和高功率输出。 实现方法：如何保证上条件得到满足---直流馈电和输出
0
t
0
t
Re增大 (a)
0
t
0
t
第2章 高频功率放大器
Iclm IC0
Ucm PC
PE
C
P0 0 欠压区 Recr 过压区 Re 0 欠压区 Recr 过压区 (c) Re
(b)
图2.8 电流波形随Re的变化及其负载特性。(a)电流波形；(b)、(c)负载特性
Recr称为临界电阻。此时输出功率最大，所以临界状态为 最佳工作状态。功放一般工作在临界或弱过压状态。
1)欠压状态：C点在放大区，余弦脉冲高度最大，但Ucm
比较小 2)临界状态： C点在放大区与饱和区的边界上，余弦脉冲 高度同上，Ucm 接近最大 3)过压状态： C点在饱和区，集电极电流波形出现凹陷明
显下降， Ucm 略大于临界状态。
第2章 高频功率放大器
iC iC E C′ ①② F C″ ③ 0 0 ③ A′ A″ ③ ② A EC B ① 0 uc u CE C u BEm ax ② ①
损耗功率PC, 即
定义集电极效率ηC为 波形系数 集电极电压利用系数
P PE Po C
P0 1 I c1m U cm 1 C g1 ( ) PE 2 I C 0 EC 2 I c1m g1 ( ) IC 0 U cm EC
第2章 高频功率放大器
丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看。由
α0(θ)、 α1(θ)、 αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n 次谐波的电流分解系数。
第2章 高频功率放大器
0 , 1 , 2 , 3 1 /0 ＝g 1 ()
0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 －0 .0 5 2 .0
1 0 ＝g 1 ()
1 .0
分析方法： 解析法－－简单，概念清楚，可给出定量的近似结果。 图解法－－形象直观，但要获得定量的结果比较麻烦。 2.2.1 解析分析法
iC gm iC S cr
u CE u BE
u BE ＝UB′ 0 UB′ u BE (a) (a)理想化的转移特性 0 (b) (b)理想化的输出特性 u CE
第2章 高频功率放大器
动特性曲线在放大区部分是直线。
第2章 高频功率放大器
在谐振功率放大器的输出特性上求出的两个瞬时工作点， 就得到在放大区的动特性曲线。 在ωt=0时，有：
' iC g m EB U bm U B iC max U CE EC I C1m Re U CE min
2.1 谐振功率放大器基本工作原理
高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。
共同的目标：要求输出功率大和效率高。
不同的工作状态：低频功放工作于甲类或乙类；高频功 放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。所以负载特性： 低频功放工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变 压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，
Uc=22.5V,试求：直流输入功率PE；集电极效率ηc；谐振电
阻Re；基波电流IC1m。 解：直流输入功率PE=Ico×Ec=6(w) 集电极效率ηc=Po/PE≈83% 谐振电阻Re=Uc2/2Po=50.6(Ω) 基波电流IC1m=Uc/Re ≈ 445(mA)
第2章 高频功率放大器
2.2 丙类谐振放大器的工作状态分析
iC 0 U CE EC
iC 0 U CE EC I C1m Re U CE max
虽然动特性是折线，输出电流时余弦脉冲，但输出电 压却是完整的余弦波形。为什么？
第2章 高频功率放大器
2.2.3
谐振功率放大器的工作状态
谐振功率放大器的输出功率和效率由EB、Ubm、 EC、 Re 、UB’ 和 gm 六个参量决定。谐振功率放大器的工作状 态是根据集电极电流是否进入饱和区（即瞬时工作点C在 静特性曲线上所处位置）来确定的。
动特性曲线。
第2章 高频功率放大器
已知放大区集电极电流表示式为
iC gm ( EB Ubm cos t U B )
又根据uCE=EC-Ucmcosωt写出：
' B
EC uCE cos t U cm
EC uCE U bm ) 所以 iC g m ( EB U U cm
当ωt=θ时
' iC iC max g m (EB Ubm U B ) gm Ubm (1 cos )
' U B EB cos U bm
集电极余弦脉冲电流的解析表示式为
iC iC max cos t cos , 1 cos t
ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。
第2章 高频功率放大器
ub
Ubm
uc
2
0 u BE UB ′ EB
0
t
0
Ucm
2
t
2 iC, ic1 iC
U bm
2
t
u CE EC
0
2
2
iclm
iCmax
i c1
2
t
t
图2.3 电流、电压波形
t
Ub m
图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形
0
t
第2章 高频功率放大器
集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，谐振角频率ω0 等于输入信号的角频率ω。
uc U cm cos t I c1m R e cos t
晶体管集射极间的电压
uCE EC uc EC U cm cos t
t
图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形
第2章 高频功率放大器
2.2.4
负载特性
负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时，谐 振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电 极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲 线。
iC iC iC iC
i Cmax 0 2 A EC 0 u CEm in B u CE D u CE
0
t
图2.6 动特性曲线与集电极电流波形
第2章 高频功率放大器
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与电极电压(uBE或uCE)的关系曲线, 它在输 出特性上 iC～uCE或转移特性上 iC～uBE 是一条折线。 当ωt=π/2 时,瞬时工 作点为EC点。 当ωt=π 时，瞬时 工作点为D点
处于过压状态时，三极管会工作在那几个区？
第2章 高频功率放大器
由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并联谐振回 路的选频滤波作用，集电极电压仍为余弦波形，且uCE与uBE 反相。 另外，已知集电极电流iC中有很多谐波分量，如果将 LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即ω0=ωn，则在回路
两端将得到ωn的电压 uc=IcnmRencos(nωt) 的输出信号，它的
频率是激励信号频率的n倍，所以这种谐振功率放大器称为 倍频器。
第2章 高频功率放大器
2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系 高频平均功率 直流输入功率
2 1 1 2 1 U cm P0 I c1mU cm I c1m Re 2 2 2 Re
PE IC 0 EC
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
第2章 高频功率放大器
1 sin cos I Co iC dt iC max (1 cos ) iC max a0 ( ) 2 1 sin cos I c1m iC cos td t iC max iC max a1 ( ) (1 cos ) 1 2sin n cos 2n sin cos n I cnm iC cos ntd t iC max n (n 2 1)(1 cos cos ) iC max an ( ) (n 1)
1) 减小导通角； 2）减小导通角内的uCE。
第2章 高频功率放大器
在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量 提高输出功率。因为
PC Po 1 1
(2.1―13)
C
可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越 高，输出功率Po越大。
第2章 高频功率放大器
例1：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率Po=5W， 晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压
因此用谐振回路作负载。分析方法：低频功放利用晶体管
实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲 电流，因此用折线近似法。
第2章 高频功率放大器
2.2.1 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理电路。
iC ＋ iB V ＋ ub － ＋ － EB － EC ＋
图2.1 谐振功率放 大器原理电路
u CE － C
－ Re uc ＋ RL L
第2章 高频功率放大器
2.1.2 工作原理
设输入信号为 ub U bm cos t 则由图2.1得基极回路电压为：
uBE EB U bm cos t
设三极管发射极的导通电压为UB’，在
u BE U
' B
Po 1 C PE 1 PC Po
可知，当Po一定时，减小PC可提高ηC。PC可表示为
1 PC 2
i
C
uce dt
(2.1―12)
因此，减小iC·uce及通角θ可减小PC，由图2.3可看 出，iC 的最大值与uce 的最小值对应，通角θ越小，iC
越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。
对应于输出特性上的C点。 在取 iC=0 时，得到 线性区的另一点A， 对应的ωt=θ 。
iC 0 U CE EC I C1m Re cos
ωt继续增加时，就表现为非线性，集电极电流维持 为0，但集电极电压继续增大。瞬时工作点在横坐 标轴上向右移动。
第2章 高频功率放大器
匹配网络。
关键问题：与器件功耗联系的功率管温升受限。
第2章 高频功率放大器
本章内容
• 2.1 谐振功率放大器基本工作原理 • 2.2 丙类功率放大器的工作状态分析
• 2.3 谐振功率放大器的高频特性
• 2.4 谐振功率放大器电路
• 2.5 高效率高频功率放大器及功率合成技 术
第2章 高频功率放大器
时，iC≈0；只有在uBE>UB’ 时，集电极才有电流输出，
iC≈gm(uBE-UB’) 所以集电极电流将是余弦脉冲。
iC ICo Ic1m cos t Ic 2m cos 2t (2.1 ─ 2)
第2章 高频功率放大器
iC
gm
iC
EB － 0
UB ′ u BE uB
iCmax － 0 2
晶体管放大区的特性
' ' iC g m (uBE U B ) uBE U B
晶体管截止区的特性
晶体管饱和区的特性
iC 0 iC Scr uCE
' uBE U B
uBE EB Ubm cos t , uCE E C Ucm cos t
' iC gm (EB Ubm cos t U B )
10
30
50
70
9 0 1 10 1 30 1 50 1 70
/°
图2.5 余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线
波形系数：
a1 sin cos g1 a0 sinBiblioteka Baidu cos
第2章 高频功率放大器
2.2.2 动特性曲线－－图解分析法 小信号电压放大器仅仅在放大区工作，负载是纯电阻， 因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时 工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。 谐振功率放大器不是仅工作在线性区，各个区的特性曲 线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，工 作点的轨迹就不是一条直线，所以瞬时工作点的轨迹称为
第2章 高频功率放大器
第2章 高频功率放大器
任务：实现高频信号的功率放大。窄带高频功率放大器 （以LC并联谐振回路作负载），又称为谐振功率放大器。 目标：达到高效率，大功率输出。 原理组成：谐振功率放大器应由哪几部分组成，从原理上 讲，那些参数直接关系到它的效率和输出功率。 分析：在什么条件下能实现高效率和高功率输出。 实现方法：如何保证上条件得到满足---直流馈电和输出
0
t
0
t
Re增大 (a)
0
t
0
t
第2章 高频功率放大器
Iclm IC0
Ucm PC
PE
C
P0 0 欠压区 Recr 过压区 Re 0 欠压区 Recr 过压区 (c) Re
(b)
图2.8 电流波形随Re的变化及其负载特性。(a)电流波形；(b)、(c)负载特性
Recr称为临界电阻。此时输出功率最大，所以临界状态为 最佳工作状态。功放一般工作在临界或弱过压状态。
1)欠压状态：C点在放大区，余弦脉冲高度最大，但Ucm
比较小 2)临界状态： C点在放大区与饱和区的边界上，余弦脉冲 高度同上，Ucm 接近最大 3)过压状态： C点在饱和区，集电极电流波形出现凹陷明
显下降， Ucm 略大于临界状态。
第2章 高频功率放大器
iC iC E C′ ①② F C″ ③ 0 0 ③ A′ A″ ③ ② A EC B ① 0 uc u CE C u BEm ax ② ①
损耗功率PC, 即
定义集电极效率ηC为 波形系数 集电极电压利用系数
P PE Po C
P0 1 I c1m U cm 1 C g1 ( ) PE 2 I C 0 EC 2 I c1m g1 ( ) IC 0 U cm EC
第2章 高频功率放大器
丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看。由
α0(θ)、 α1(θ)、 αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n 次谐波的电流分解系数。
第2章 高频功率放大器
0 , 1 , 2 , 3 1 /0 ＝g 1 ()
0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 －0 .0 5 2 .0
1 0 ＝g 1 ()
1 .0
分析方法： 解析法－－简单，概念清楚，可给出定量的近似结果。 图解法－－形象直观，但要获得定量的结果比较麻烦。 2.2.1 解析分析法
iC gm iC S cr
u CE u BE
u BE ＝UB′ 0 UB′ u BE (a) (a)理想化的转移特性 0 (b) (b)理想化的输出特性 u CE
第2章 高频功率放大器
动特性曲线在放大区部分是直线。
第2章 高频功率放大器
在谐振功率放大器的输出特性上求出的两个瞬时工作点， 就得到在放大区的动特性曲线。 在ωt=0时，有：
' iC g m EB U bm U B iC max U CE EC I C1m Re U CE min
2.1 谐振功率放大器基本工作原理
高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。
共同的目标：要求输出功率大和效率高。
不同的工作状态：低频功放工作于甲类或乙类；高频功 放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。所以负载特性： 低频功放工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变 压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，
Uc=22.5V,试求：直流输入功率PE；集电极效率ηc；谐振电
阻Re；基波电流IC1m。 解：直流输入功率PE=Ico×Ec=6(w) 集电极效率ηc=Po/PE≈83% 谐振电阻Re=Uc2/2Po=50.6(Ω) 基波电流IC1m=Uc/Re ≈ 445(mA)
第2章 高频功率放大器
2.2 丙类谐振放大器的工作状态分析
iC 0 U CE EC
iC 0 U CE EC I C1m Re U CE max
虽然动特性是折线，输出电流时余弦脉冲，但输出电 压却是完整的余弦波形。为什么？
第2章 高频功率放大器
2.2.3
谐振功率放大器的工作状态
谐振功率放大器的输出功率和效率由EB、Ubm、 EC、 Re 、UB’ 和 gm 六个参量决定。谐振功率放大器的工作状 态是根据集电极电流是否进入饱和区（即瞬时工作点C在 静特性曲线上所处位置）来确定的。
动特性曲线。
第2章 高频功率放大器
已知放大区集电极电流表示式为
iC gm ( EB Ubm cos t U B )
又根据uCE=EC-Ucmcosωt写出：
' B
EC uCE cos t U cm
EC uCE U bm ) 所以 iC g m ( EB U U cm
当ωt=θ时
' iC iC max g m (EB Ubm U B ) gm Ubm (1 cos )
' U B EB cos U bm
集电极余弦脉冲电流的解析表示式为
iC iC max cos t cos , 1 cos t
ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。
第2章 高频功率放大器
ub
Ubm
uc
2
0 u BE UB ′ EB
0
t
0
Ucm
2
t
2 iC, ic1 iC
U bm
2
t
u CE EC
0
2
2
iclm
iCmax
i c1
2
t
t
图2.3 电流、电压波形
t
Ub m
图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形
0
t
第2章 高频功率放大器
集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，谐振角频率ω0 等于输入信号的角频率ω。
uc U cm cos t I c1m R e cos t
晶体管集射极间的电压
uCE EC uc EC U cm cos t
t
图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形
第2章 高频功率放大器
2.2.4
负载特性
负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时，谐 振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电 极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲 线。
iC iC iC iC