高频功放电路设计

–
– 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 （原因参见第五章折线法，或看前两页的Flash）
余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加
ic
ωt
显然iC也是周期信号 若对 i c 分解为付里叶级数为：
ic I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt

（1）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
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。
（2）高频（谐振）功率放大器的应用场合
（5）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）

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）
§6.2 谐振功率放大器工作原理


I cm1 iC max ( C ) I cmn iC max n ( C )
可以看出前面所分析的 g1 (C )
要求掌握
I cm1 iC max1 (C ) 1 (C ) 只与C 有关 I C 0 iC max 0 (C ) 0 (C )
其中： 0 ( c ) sin c c cos c (1 cos c ) c cos c sin c 1 ( c ) 不要求掌握 (1 cos c ) 2 sin n c cos c n cos n c sin c n ( c ) n(n 2 1)(1 cos c )

本章（主要指前3节）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
§6.1 概述
（1）高频功率放大器的种类 （2）高频功率放大器的应用场合 （3）高频功放与低频功放的区别 （4）分析高频功放时应注意的事项 （5）高频功放的主要技术指标
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I c0将全部被L短路，I cm2、I cm3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 cm1 R p 2 2
（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
vBE
VBB
VBB
t0
输入信号振幅记为 Vbm
VBZ
vBE
0
t
vBE
t来自百度文库
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
vBE
为了分析更清晰，先假设没有抽头
iC
0
VBB
VCC

将LC比喻成单摆

如果把单摆摆到左边比喻成能量储存到电 感，则单摆摆到右边可比喻成能量储存到 电容，要是单摆持续摆动，不需要手一直 推，而在适当的时候推很短的一下（可比 喻成ic ）即可。
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
从第五章可知它为cosθ
c
iC max
0
t
iC gcVbm (cost cosC ) (cost cosC ) (cost cosC ) g cVbm (1 cos C ) iC max (1 cosC ) (1 cosC )
从第五章可知它为iCmax
第三步: 分析效率 C
仅与C有关(后面将给大家证明 )，可记为g1 (C )
1 V I PO 2 cm cm1 1 Vcm I cm1 1 I cm1 C P VCC I c 0 2 VCC I c 0 2 I c0
记为
VCC
vC
VCC
Vcm
1 g1 ( C ) 2

c 70
O
§6.2.2 功率关系
第一步: 分析电源输出功率 P
余弦电流脉冲ic可分解为付立叶级数：
ic I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt
根据付立叶级数原理 I c 0 1 T

T /2
T / 2
ic d (t )
直流分量I c 0 I cm1 (应该输出的波形 )
ωt ωt
I cm2
ωt
iC可以看成是这些波形的 叠加后的结果
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
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。
对于特定的 C可以通过查教材 P265 的附录表查出 0 (C )、1 (C )、g1 (C )
θc对高频谐振功放效率的影响
n 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0 1 0
第六章
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
本章的知识结构
§6.1 概述 一定要彻底吃透 §6.2 工作原理（重点） §6.3 功率放大器的折线分析法（重点） §6.5 高频功放的电路组成（实验需要） §6.6 丁类（D类）功放简介（了解即可） §6.10 晶体管倍频器（了解即可）
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
（4）分析高频功放时应注意的事项
等 效
由于LC的选频作用
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
om
cost
分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vC
iC
vBE VBB
vC
vb
vo V
om
cost
vC的振幅Vcm Vom (vo振幅)
VCC
vC
VCC
vC VCC vo VCC Vom cost
Pc与ic和Vc的关系
ic
+
Vc -
Pc的瞬时功率为ic和Vc的乘积
甲类、乙类、丙类放大器的演示
为什么在丙类时Pc最小
可见丙类放大器的Pc最小，效率最高
（2）谐振功放的基本电路
ic iB + vb –
ve b B
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。
Vc min
Vcm
vC
vc ic
vcC e
VBZ
有阴影的波形为 iC
Vb max t
VCC
o c
2
vB
–VBZ 2
3
2
5 2
Vbm vb
vBE
例如可以看出，iC最大值 (b) iCmax的时候vC最小值vCmin
（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
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
从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分
（3）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
iCmax (
cost cos c )d (t ) 1 cos c
I c0
iCmax sin c c cos c 1 cos c
iCmax 0 c
仅与C 有关记为0 (C )
§6.3.2 集电极余弦脉冲电流iC分解
同理可得
I C 0 iC max 0 C
ic gc ic 临界线 过压区 gcr 欠压区 eb
理想化折线 （虚线） 0 eb 0 (a) (b) ec
VBZ
一定要注意 gc与gcr不是一回事 !
§6.3.2 集电极余弦脉冲电流ic分解
在第五章的折线分析法中我们已经得到
iC
iC gc (VBB Vbm cost VBZ ) 从括号中提出 Vbm VBB VBZ iC g cVbm (cost ) Vbm
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 ）
半流通角θc通常取多大比较合适?
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，可以用自行车飞轮或 一个单摆来比喻。
vo
t
vBE、iC、vC的相位关系
分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出
ve BE
b
vb
VBZ –VBB
t
ib
t ic
t e v C
c
Vcm Vcm VCC t
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）
或 电电 流压
ic ic max
§6.3.2 集电极余弦脉冲电流iC分解
ic I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt
根据付立叶级数原理
I c0
I c0
1 2
1 2
i


C
d (t )
把上页求出的 iC 表达式带入
算出此定积分


c
c
§6.2.1 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C P PO PC
不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率
vo
t
它体现了vC的振幅对VCC 这个电压范围利用的程 度 称为集电极电压利用系 数,
§6.3 功率放大器的折线分析法

§6.3.1 晶体管特性曲线理想化及表达式
折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折 线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电 流的直流分量Ic0和基频分量Icm1。

本节的理论完全可用于对电子管高频功放的分析 和计算； 对于工作在中高频的晶体管功放，本节的理论基 本可以使用，但会有一定的误差； 但对于工作在甚高频的晶体管功放，本节的理论 将会有很大的误差，这是由于晶体管的物理结构 导致的高频特性不理想造成的，但本节的理论仍 然对功放的设计有定性的指导作用。
T /2 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 I c 0 T T / 2
V
ic d (t )
第二步: 分析输出功率 P O
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
Rp