丙类高频功率放大器..
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即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uBE、 uCE的关系曲线。
当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
iC
若设： ui U im cos t
iB + uBE
输入端： u BE VBB U im cos t
输出端： uCE
+ uCE
–
L + C RL
+ ui – +
5
1、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。 2、放大的实质： 实质是一种能量转换。将电源提供的直流功率转变成
交流信号功率输出。
3、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题
①高效率输出
②高功率输出
6
4.工作状态 1、甲类：工作点设置在放大区；
输入信号ui在整个周期都有集电极电流ic产生，如图。 IC
8
4、丙类：工作点设置在截止区以内； 晶体管导通的时间小于半个周期，在输入信号的小半个 周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。
<
优点：静态IC=0，管耗小，效率高。效率η>78.5%。 缺点：输出电流波形严重失真。
9
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。
2 ( V U ) 1 U 1 CC CE(sat) 2 Po 2 Po 2 cm
可见此时的波形输出并不好， 通过C6的调节可以使输出波 形变更好
调节了R7后，使得输出的增益变大
谐振功率放大器的特性分析
28
放大器工作状态的分类： 丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分： 欠压（不进入饱和区） 过压（进入饱和区） 临界（达到临界饱和）
10/8/2018 9:12 AM
29
一、高频功率放大器的工作状态 1.高频功放的动态特性
低频 低频，高频 低频 高频 高频
谐振功率放大器通常工作于丙类状态，属于非线性电路
10
我们选择的是让功放工作在丙类，后面我 们会介绍为什么要选择丙类的功放状态。
11
一、基本电路原理
iB
iC
1、电路组成
晶体管 谐振回路 输入回路 偏置电路
+ ui – +
VBB
+
uBE
uCE
–
+
L C
+ uc
RL –
n() 1 若ξ=1时， c 2 g1 ( ) 0.6
0.5 0.4
g1()
2.0
g1 ()
1 () 0 () 2( ) 3()
θ值越小，g1(θ)值越大，效 率越高。
0.3 1.0 0.2 0.1
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180
uc
–
VCC Ucm cost
VBB
–
–
VCC
+
其中： uc UCm cost
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功率放大器三种工作状态和状态波形
• A1点处于放大区称为欠压（Undervoltage）状 态 • A2点处于临界区称为临界（Critical）状态
• A3点处于饱和区称为过压（Overvoltage）状态
14
用傅里叶级数展开得
ic I c0 ic1 ic 2 ic3 icn
式中： Ico为直流电流分量
iC1为基波分量；
iC1=Icm1COSωct
iC2为二次谐波分量；iC2=Icm2COS2ωct iCn为n次谐波分量； iCn=IcmnCOSnωct
15
… …
… …
当集电极回路调谐在输入信号频率ω上时（即与高频输入信号 的基波谐振时）：
34
iC 凹陷的原因： 谐振回路作负载。 饱和时，uBE对iC的影响 很小，随着饱和深度的 加深，uCE继续减小，使 iC迅速减小，从而出现凹 陷。 Ucm越大， uCEmin越小， 凹陷越深，脉冲高度越 小。
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35
二、影响放大器工作状态的因素
高频放大器的工作状态是由负载阻抗Re、激励电压Uim、 供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。 1、负载特性 （1）含义：谐振功放的负载特性是指 VBB、Uim 和 VCC 一 定，放大器性能随 Re 的变化特性。
临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最
大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态。 发射机的末级常设计成这种状态。
39
(4) 匹配负载：如果 Re 的取值使管子工作在临界状态， 则 Po 最大，且 C 较大，PC 较小，放大器性能接近最佳性能。 将此时的 Re 称为谐振功放的匹配负载，用 Reopt 表示。
谐振功率放大器一般取θ为70º 左右。
从图中还可以看出 60O 时（ ,即I cm2振幅取到最大值 2 ）最大 利用这一特点 , 若将谐振回路中心频率 调到2就可把功率放大器改装 成倍频器
下图就是我们设计的高频功率放大器，它由两级组成，为了在较宽的通 带内使功率放大器增益相对稳定，前一级为甲类放大器，后一级为丙类 放大器。这样能够获得比较高的效率和比较大的输出功率 图上主要的元件就是R,C,L，以及三极管
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2.欠压、临界和过压工作状态 （1）欠压：uCEmin 对应的动态点处于放大区,晶体管处 于放大状态。ic为尖顶余弦脉冲。
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32
（2）临界:uCEmin 对应的动态点处于放大区和饱和区之 间的临界点，晶体管处在放大区与饱和区的临界点上。ic 仍为余弦脉冲，但幅度有所减小，顶端变化平缓。
从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分
4
在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高 频信号，必须采用高频功率放大器。 高频功率放大器按工作频带的宽窄可分：
窄带高频功率放大器： 通常以LC并联谐振回路作负载，又称为
谐振功率放大器。
宽带高频功率放大器： 以传输线变压器为负载，因此又称为
非谐振功率放大器。
（2）特性
36
Re 的增加 （1）将引起 Ucm ↑(
Ucm R e I c1m)，UCEmin↓,iC高度略有下降。
（2） Re↑→Ucm↑→UCEmin↓→放大器欠压→过压→ iC 由余弦
电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。
iC 电流
所以我们选择了一个相对合适的谐振网络，使RE为合适的值并使 得放大器工作在临界状态
Q O UCE O t
iC
优点：无失真，波形好,； 缺点：静态IC较大，管耗大，效率低。转换效率约为50%。
7
2、乙类：工作点设置在截止点上；
晶体管只在输入ຫໍສະໝຸດ Baidu号的半个周期内导通，有集电极电流 ic产生，如图。 IC iC
Q UCE O
O
t
优点： 静态IC=0，管耗小效率高。效率约为78.5%。 缺点：输出脉冲电流，波形严重失真。
谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻Re ；
对其他各次谐波，回路因失谐呈现很小的电抗，可看成短路； 所以我们可以通过选频网络来将我们所需的基波信号选出来，
只要将谐振频率设置为基波信号的频率就可
直流分量只能通过回路电感线圈，直流电阻较小，可看成短路。
这样，脉冲电流ic流经谐振回路
时只有基波电流才产生压降。
表 2-1 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 不同工作状态时放大器的特点 理想效率 50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100% 负 载 应 用
电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路
17
谐振功放工作原理小结： 设置VBB< UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号 较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC回路调谐在信号频
率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。
iC iB
+ ui –
+ uBE – C + – – + VBB VCC
谐振功放原理电路
+ uCE
n()
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
g 1 ( )
1 ( ) 0 ( ) 2 ( ) 3 ( )
0, g1 ( )最大, 但输出功率为 0,显然不行
120O 时1 ( )最大, 输出功率最大 ,
但接近甲类放大器 , 效率太低
0
20 40 60 80 100 120 140160180 °
高频功率放大器
1
• 小组成员 • 罗仪凡与陈衍文，完成的是对电路参数的 确认以及分析 • 陈斯铭完成的是对电路的焊接与元件的选 择以及后续的调节和分析 • 黄路瑶完成的是对电路的仿真
2
学习目的：
1、高频功率放大器的电路组成
2、谐振功率放大器的工作原理
3、高频功率放大器的外部特性
3
高频（谐振）功率放大器在发射机中的位置
–
–
VCC
+
图3.1.3丙类谐振功放原理 电路
VCC、VBB为集电极和基极的直流电源电压。为使晶体 管工作在丙类状态，VBB应小于晶体管的导通电压uBE（on）， 在没有输入信号时，晶体管处于截止状态，ic=0。
12
L、C为滤波匹配网络，与RL 构成并联谐振回路，作为晶体 管集电极负载。 完成以下功能：
+
L
RL
uc
–
18
二、 输出功率与效率 1.放大器的输出功率PO 2.集电极直流电源供给功率PD 3.集电极耗散功率PC 4.放大器效率ηc 其中 为集电极电压利用系数。
I C1m g1 ( ) I C 0m
集电极电流利用系数，又称波形系数。
19
Po 1 I c1m U cm 1 1 ( ) U cm 1 效率： C PD 2 I C0 VCC 2 0 ( ) VCC 2 g1 ( )
这两张图就是2N5551的 参数
左边为第一级的甲类放大器，R1，R2为 一个分压偏置，L1，C4组成第一集谐振 回路，有着选频的特性，选出基波。
右边的为第二级的丙类放大器，如图， L2，R5，C3在基极产生负偏压馈电， R6，R7为射极馈电，改变R7的大小就 可以改变丙类功放的增益，L3，C6， C7为谐振回路，同样为选频功能，C6 的调节可以微调谐振频率，可以调节输 出波形更好
37
据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。
Ucm = ReIc1m
Po = UcmIc1m/2 PD = VCCIC0 PC = PD－Po
C = Po/ PD
由 IC0 和 Ic1m 的变化就可以画出 Ucm、Po、PD、PC、
C 随 Re 变化的曲线。
38
(2) 临界状态：
°
可见，丙类工作状态的效率最高，当θ =60º 时，效率可 达90％，随着θ 的减小，效率还会进一步提高。但当θ <40º 后,波形系数的增加很缓慢，也就是说θ 过小后，放大器效 a1 ( ) 下降迅速，为了达到一定 率的提高就不显著了，此时的 的输出功率，所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大， 从而对前级提出过高的要求。
放大器工作在临界线状态时， 输出功率大，管子损耗小，放 大器的效率 也就较大。所以我
们要让放大器工作在临界状态
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（3）过压，uCEmin 对应的动态点处于饱和区，ic为中间凹陷 的脉冲波，随着Ucm增大，uCE的减小脉冲波的凹陷加深，高度 减小。
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°
甲类工作状态： 180 乙类工作状态： 90 丙类工作状态：设 60
C / 4 78.5%
C 90%
20
n()
0.6
0.5
1 ( )
g1 ()
0.4
0.3 0.2 0.1 0
0 ( ) 2 ( ) 3 ( )
20 40 60 80 100 120 140 160 180
＊选频滤波
＊阻抗匹配 由于RL比较大，所以，谐振回路的品质因数比较小； 但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。
13
2、电流、电压波形 设输入一高频余弦信号为
则 当uBE的瞬时值大于基射间导通 电压UBE(on) 时，晶体管导通，产生 基极脉冲电流iB，相应产生集电极 脉冲电流ic，如图所示。基极电流和 集电极电流为周期性非正弦函数。
16
ic I c0 I c1m cos(wt ) I c 2m cos(2wt ) I cnm cos(nwt)
若回路谐振电阻为Re，则
其中，Ucm为基波电压振幅。 晶体管集射间的电压为:
可见，利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集 电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。
当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
iC
若设： ui U im cos t
iB + uBE
输入端： u BE VBB U im cos t
输出端： uCE
+ uCE
–
L + C RL
+ ui – +
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1、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。 2、放大的实质： 实质是一种能量转换。将电源提供的直流功率转变成
交流信号功率输出。
3、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题
①高效率输出
②高功率输出
6
4.工作状态 1、甲类：工作点设置在放大区；
输入信号ui在整个周期都有集电极电流ic产生，如图。 IC
8
4、丙类：工作点设置在截止区以内； 晶体管导通的时间小于半个周期，在输入信号的小半个 周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。
<
优点：静态IC=0，管耗小，效率高。效率η>78.5%。 缺点：输出电流波形严重失真。
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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。
2 ( V U ) 1 U 1 CC CE(sat) 2 Po 2 Po 2 cm
可见此时的波形输出并不好， 通过C6的调节可以使输出波 形变更好
调节了R7后，使得输出的增益变大
谐振功率放大器的特性分析
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放大器工作状态的分类： 丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分： 欠压（不进入饱和区） 过压（进入饱和区） 临界（达到临界饱和）
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一、高频功率放大器的工作状态 1.高频功放的动态特性
低频 低频，高频 低频 高频 高频
谐振功率放大器通常工作于丙类状态，属于非线性电路
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我们选择的是让功放工作在丙类，后面我 们会介绍为什么要选择丙类的功放状态。
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一、基本电路原理
iB
iC
1、电路组成
晶体管 谐振回路 输入回路 偏置电路
+ ui – +
VBB
+
uBE
uCE
–
+
L C
+ uc
RL –
n() 1 若ξ=1时， c 2 g1 ( ) 0.6
0.5 0.4
g1()
2.0
g1 ()
1 () 0 () 2( ) 3()
θ值越小，g1(θ)值越大，效 率越高。
0.3 1.0 0.2 0.1
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180
uc
–
VCC Ucm cost
VBB
–
–
VCC
+
其中： uc UCm cost
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功率放大器三种工作状态和状态波形
• A1点处于放大区称为欠压（Undervoltage）状 态 • A2点处于临界区称为临界（Critical）状态
• A3点处于饱和区称为过压（Overvoltage）状态
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用傅里叶级数展开得
ic I c0 ic1 ic 2 ic3 icn
式中： Ico为直流电流分量
iC1为基波分量；
iC1=Icm1COSωct
iC2为二次谐波分量；iC2=Icm2COS2ωct iCn为n次谐波分量； iCn=IcmnCOSnωct
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… …
… …
当集电极回路调谐在输入信号频率ω上时（即与高频输入信号 的基波谐振时）：
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iC 凹陷的原因： 谐振回路作负载。 饱和时，uBE对iC的影响 很小，随着饱和深度的 加深，uCE继续减小，使 iC迅速减小，从而出现凹 陷。 Ucm越大， uCEmin越小， 凹陷越深，脉冲高度越 小。
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二、影响放大器工作状态的因素
高频放大器的工作状态是由负载阻抗Re、激励电压Uim、 供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。 1、负载特性 （1）含义：谐振功放的负载特性是指 VBB、Uim 和 VCC 一 定，放大器性能随 Re 的变化特性。
临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最
大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态。 发射机的末级常设计成这种状态。
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(4) 匹配负载：如果 Re 的取值使管子工作在临界状态， 则 Po 最大，且 C 较大，PC 较小，放大器性能接近最佳性能。 将此时的 Re 称为谐振功放的匹配负载，用 Reopt 表示。
谐振功率放大器一般取θ为70º 左右。
从图中还可以看出 60O 时（ ,即I cm2振幅取到最大值 2 ）最大 利用这一特点 , 若将谐振回路中心频率 调到2就可把功率放大器改装 成倍频器
下图就是我们设计的高频功率放大器，它由两级组成，为了在较宽的通 带内使功率放大器增益相对稳定，前一级为甲类放大器，后一级为丙类 放大器。这样能够获得比较高的效率和比较大的输出功率 图上主要的元件就是R,C,L，以及三极管
10/8/2018 9:12 AM 31
2.欠压、临界和过压工作状态 （1）欠压：uCEmin 对应的动态点处于放大区,晶体管处 于放大状态。ic为尖顶余弦脉冲。
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（2）临界:uCEmin 对应的动态点处于放大区和饱和区之 间的临界点，晶体管处在放大区与饱和区的临界点上。ic 仍为余弦脉冲，但幅度有所减小，顶端变化平缓。
从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分
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在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高 频信号，必须采用高频功率放大器。 高频功率放大器按工作频带的宽窄可分：
窄带高频功率放大器： 通常以LC并联谐振回路作负载，又称为
谐振功率放大器。
宽带高频功率放大器： 以传输线变压器为负载，因此又称为
非谐振功率放大器。
（2）特性
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Re 的增加 （1）将引起 Ucm ↑(
Ucm R e I c1m)，UCEmin↓,iC高度略有下降。
（2） Re↑→Ucm↑→UCEmin↓→放大器欠压→过压→ iC 由余弦
电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。
iC 电流
所以我们选择了一个相对合适的谐振网络，使RE为合适的值并使 得放大器工作在临界状态
Q O UCE O t
iC
优点：无失真，波形好,； 缺点：静态IC较大，管耗大，效率低。转换效率约为50%。
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2、乙类：工作点设置在截止点上；
晶体管只在输入ຫໍສະໝຸດ Baidu号的半个周期内导通，有集电极电流 ic产生，如图。 IC iC
Q UCE O
O
t
优点： 静态IC=0，管耗小效率高。效率约为78.5%。 缺点：输出脉冲电流，波形严重失真。
谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻Re ；
对其他各次谐波，回路因失谐呈现很小的电抗，可看成短路； 所以我们可以通过选频网络来将我们所需的基波信号选出来，
只要将谐振频率设置为基波信号的频率就可
直流分量只能通过回路电感线圈，直流电阻较小，可看成短路。
这样，脉冲电流ic流经谐振回路
时只有基波电流才产生压降。
表 2-1 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 不同工作状态时放大器的特点 理想效率 50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100% 负 载 应 用
电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路
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谐振功放工作原理小结： 设置VBB< UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号 较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC回路调谐在信号频
率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。
iC iB
+ ui –
+ uBE – C + – – + VBB VCC
谐振功放原理电路
+ uCE
n()
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
g 1 ( )
1 ( ) 0 ( ) 2 ( ) 3 ( )
0, g1 ( )最大, 但输出功率为 0,显然不行
120O 时1 ( )最大, 输出功率最大 ,
但接近甲类放大器 , 效率太低
0
20 40 60 80 100 120 140160180 °
高频功率放大器
1
• 小组成员 • 罗仪凡与陈衍文，完成的是对电路参数的 确认以及分析 • 陈斯铭完成的是对电路的焊接与元件的选 择以及后续的调节和分析 • 黄路瑶完成的是对电路的仿真
2
学习目的：
1、高频功率放大器的电路组成
2、谐振功率放大器的工作原理
3、高频功率放大器的外部特性
3
高频（谐振）功率放大器在发射机中的位置
–
–
VCC
+
图3.1.3丙类谐振功放原理 电路
VCC、VBB为集电极和基极的直流电源电压。为使晶体 管工作在丙类状态，VBB应小于晶体管的导通电压uBE（on）， 在没有输入信号时，晶体管处于截止状态，ic=0。
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L、C为滤波匹配网络，与RL 构成并联谐振回路，作为晶体 管集电极负载。 完成以下功能：
+
L
RL
uc
–
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二、 输出功率与效率 1.放大器的输出功率PO 2.集电极直流电源供给功率PD 3.集电极耗散功率PC 4.放大器效率ηc 其中 为集电极电压利用系数。
I C1m g1 ( ) I C 0m
集电极电流利用系数，又称波形系数。
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Po 1 I c1m U cm 1 1 ( ) U cm 1 效率： C PD 2 I C0 VCC 2 0 ( ) VCC 2 g1 ( )
这两张图就是2N5551的 参数
左边为第一级的甲类放大器，R1，R2为 一个分压偏置，L1，C4组成第一集谐振 回路，有着选频的特性，选出基波。
右边的为第二级的丙类放大器，如图， L2，R5，C3在基极产生负偏压馈电， R6，R7为射极馈电，改变R7的大小就 可以改变丙类功放的增益，L3，C6， C7为谐振回路，同样为选频功能，C6 的调节可以微调谐振频率，可以调节输 出波形更好
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据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。
Ucm = ReIc1m
Po = UcmIc1m/2 PD = VCCIC0 PC = PD－Po
C = Po/ PD
由 IC0 和 Ic1m 的变化就可以画出 Ucm、Po、PD、PC、
C 随 Re 变化的曲线。
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(2) 临界状态：
°
可见，丙类工作状态的效率最高，当θ =60º 时，效率可 达90％，随着θ 的减小，效率还会进一步提高。但当θ <40º 后,波形系数的增加很缓慢，也就是说θ 过小后，放大器效 a1 ( ) 下降迅速，为了达到一定 率的提高就不显著了，此时的 的输出功率，所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大， 从而对前级提出过高的要求。
放大器工作在临界线状态时， 输出功率大，管子损耗小，放 大器的效率 也就较大。所以我
们要让放大器工作在临界状态
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（3）过压，uCEmin 对应的动态点处于饱和区，ic为中间凹陷 的脉冲波，随着Ucm增大，uCE的减小脉冲波的凹陷加深，高度 减小。
10/8/2018 9:12 AM
°
甲类工作状态： 180 乙类工作状态： 90 丙类工作状态：设 60
C / 4 78.5%
C 90%
20
n()
0.6
0.5
1 ( )
g1 ()
0.4
0.3 0.2 0.1 0
0 ( ) 2 ( ) 3 ( )
20 40 60 80 100 120 140 160 180
＊选频滤波
＊阻抗匹配 由于RL比较大，所以，谐振回路的品质因数比较小； 但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。
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2、电流、电压波形 设输入一高频余弦信号为
则 当uBE的瞬时值大于基射间导通 电压UBE(on) 时，晶体管导通，产生 基极脉冲电流iB，相应产生集电极 脉冲电流ic，如图所示。基极电流和 集电极电流为周期性非正弦函数。
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ic I c0 I c1m cos(wt ) I c 2m cos(2wt ) I cnm cos(nwt)
若回路谐振电阻为Re，则
其中，Ucm为基波电压振幅。 晶体管集射间的电压为:
可见，利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集 电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。