第三章 高频功率放大器

图3－4各极电流电压波形
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
一、丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器的折线分析法
1、工作大信号和非线性工作状态。 2、采用将晶体管特性曲线理想化成为折线进行分析，称为折线分析法。
二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式 晶体管特性曲线的理想化及其解析式
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丙类（ 类 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理
图3-3 丙类高频功率放大器原理图
二、工作原理 工作原理
丙类功率放大器在直流电源Vcc、偏置电压Vbb、输出电压ub=Ubmcosωt出晶体管和 ω RP 谐振于 的并联谐振回路的谐振电阻 确定的条件下，放大器各极电压的关系如 图3-4所示：
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
五、动态特性
(一）什么是动态特性？ 在谐振功率放大器的电路参数确定的条件下，它就是电源电压（ vcc 和 vbb ）、 晶体管（g c 、ubz ）、输入信号 ub = ubm cos ωt 和输出电压 uc = ucm cos ωt （或谐振回路 的谐振电阻 R p ）一定的条件下，集电极电流 i c = f (ube , uce ) 的关系称为放大器的动态 特性。 （二）动态特性的作法 根据电路的已知条件在晶体管的理想化特性曲线上作动态特性可以采用截距法 和虚拟电流法两种方式
输出功率与直流输入功率之比定义为效率
（五）几点说明 1、
ηc =
Po 1 U cm I c1m 1 = = ξg1 (θ c ) P= 2 Vcc I co 2
其中，ξ=Ucm/Vcc称为集电极电压利用系数； g1(θc)=Ic1m/Ico=α1(θc)/αo(θc)称为波形系数。
2、在ξ=1的理想条件下， （1）甲类放大器的通角θc为180°， g1 (θc)=1，故甲类放大器的理想效率ηc=50%； （2）乙类放大器的通角θc为90°， g1 (θc)=1.57，故乙类放大器的理想效率ηc=78.5%； （3）丙类放大器的通角θc小于90°, g(θc)＞1.57，故丙类放大器的理想效率ηc＞78.5%。 1 3、电阻Rp一定的条件下，θc=120°时，输出功率最大，而θc=1°～15°时，效率最高。但是 ，θc=120°时，集电极理想效率只有66%；θc=1°～15°时，输出功率很小。故在实际 运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，通常取θc=60°～80°。
V − uce ic = g c Vbb + U bm cc − U bz U cm U U V − U bzU cm + VbbU cm = − g c bm uce − bm cc U cm U bm = g d (uce − U 0 )
直流电源电压 vcc 与 ic 直流分量 I co 之积 输出电压有效值
U cm 2
(二) 高频输出功率（高频一周的平均输出功率） （三）晶体管集电极损耗功率
PC = P= − PO
与基波电流有效值
I cm 2
直流输入功率与高频输出功率之差在晶体管上产生损耗
（四）集电极效率
ηc =
Po 1 U cm I c1m 1 = = ξg1 (θ c ) P= 2 Vcc I co 2
ω
高频功率放大 器
ω
图3-1 高频功率放大器的频谱表示
二、高频功率放大器的分类
1.按工作频率分为窄带放大器和宽带放大器两类。窄带需要谐振回路，而宽带不需要。 2.按放大方式分为线性高频功率放大器和非线性高频功率放大器。 3.按放大器的工作类型分为甲、乙、丙、丁、戊类放大。
三、高频功率放大器的主要技术指标
cos ωt − cos θ c 1 θc I cM cos ωtdωt π −θ c (1 − cos θ c )
∫
= I cM
θ c − sin θ c cos θ c = I cM α1 (θ c ) π (1 − cos θ c )
I cnm =
1 π
∫− π
π
ic cos ωt dωt =
外部条件决定
可得
U be = Vbb + U bm
Vcc − U ce U cm
晶体管的特性是内部条件，其正向传输特性为
内部条件
{
ic = 0 ic = g c (ube − ubz )
(ube < ubz )截止段 (ube ≥ ubz )导通段
动态特性应用时应同时满足外部电路和内部电路的关系式，则
本章教学主要内容
第一节 概述 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法 第四节 丙类功率放大器的电路 第五节 丁类（D类）和戊类（E类）高频功率放大器 第六节 宽频带高频功率放大器 第七节 功率合成
第一节
一、高频功率放大器的功能
概 述
1.功能：用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器将直流电源供给的能量转换为大 功率的高频能量输出。 2.功能的频谱表示：高频功率放大器的输出信号与输入信号的频谱相同。
图(b)是在 ube作用下产生 ib 和 ic 均为余弦脉 冲状，由于高频功率放大器的谐振回路调 谐于输入信号频率 ω ，则输出电压为电流 脉冲的基波分量于回路谐振电阻 R p 的乘积 u c = I crm RP cos ωt = u cm cos ωt 晶体管ce间的电压
u ce = vcc − u cm cos ωt
∆ic
图3-5 晶体管特性的理想化
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第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法 丙类（ 类
三、集电极余弦电流脉冲的分解
（一）余弦电流脉冲的表示式 图3-6是丙类放大器在电源 VCC 、Vbb 晶体管 的 gc 、ubz 输入电压 ub = ubm cos ωt 确定的条 件下得到的集电极电流 ic 的波形 由图3-3已知晶体管的 ube = vcc + ubm cos ωt 。而晶体 管理想化正向传输特性可表示为
图3-3 丙类高频功率放大器原理图 首页 上一页 下一页 退出
丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
1.截距法作动态特性
由电路图已知放大器谐振回路调谐于输入信号频率
U be = Vbb + U bm cos ωt U ce = Vcc − U cm cos ωt
ω 。其外部电路的关系式为
1、输出功率：放大器的负载Rl上得到的功率的最大不失真功率。 2、效率：高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值。也就是能量转换的效率。 3、功率增益：高频输出功率和信号输入功率的比值。 4、谐波抑制度和非线性失真。 谐波抑制度是对非线性高频功率放大器而提出的，是谐振回路的选频好坏，也就是谐波 分量对于基波分量越小越好。 非线性失真是对非线性功率放大器而言，是器件的非线性引起的，它是希望谐振分量相 对基波分量越小越好。
第三章 高频功率放大器
本章教学基本要求
一、了解高频功率放大器的功能和性能指标 二、掌握C类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法。 三、了解传输变压器的工作原理和应用特点。掌握用传输线变压器实现阻抗变换的方 法、了解用传输变压器实现功率合成、功率分配的方法。了解D类、 E类功率放 大器的特点。
1.正向传输特性曲线 图3-5是理想化的正向传输特性，其解析 式为 0 (U be < U bz ) i = g (u − U ) (U be ≥ U bz ) U 其中, g c = ∆ic ∆u ,称为跨导。 bz 称为理想
c c be bz
be
化特性的导通电压。 2.输出特性 图3-5（b）是理想化的输出特性。它可 分为饱和区、放大区和截至区。 （1）饱和区 ic = g cr u ce 式中，g cr = ∆uce ，为饱和临界线的斜率 （2）放大区 ic = g c (ube − ubz ) (U be ≥ U bz ) (U be < U bz ) （3）截至区 ic = 0
∫− π ic d ω t = 2 π ∫−θ
π
1
θc
c
I cM
cos ω t − cos θ c dω t (1 − cos θ c )
= I cM
sin θ c − θ c cos θ c = I cM α o (θ c ) π (1 − cos θ c )
π
I c1m =
1 π
∫− π
ic cos ωt dωt =
1 0
图3-7 余弦脉冲分解系数与θc的关系
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
四、功率与效率
（一）直流电源Vcc供给的直流功率
P = V CC I CO
1 1 2 1 U2 P0 = U cm I c1m = I c1m R p = ⋅ cm 2 2 2 Rp
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丙类（ 类 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理
图(a)是由晶体管的正向传输特性 i c = f (ubc ) 在 vbb 和 u b = u bm cos ω t 的作用下，产生 ic 为余弦脉冲状电流。只用当 u be = v cc + u b 大于晶体管导通电压 u bz 才能产生电流 ic 。
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
（二）余弦电流脉冲的分解系数 周期性的电流脉冲可以用傅氏级数表示。 ic = I co + I c1m cos ωt + I c 2 m cos 2ωt + ... + I cnm cos nωt 其中，
I c0 = 1 2π
式中 g d = − g c ubm u 是动态特性的斜率，u0 是在 uce 轴上的截距，其值为
cm
U 0 = Vcc − U cm cos θ c
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
具体做法
ic = gc (ube −ubz)
则 当
ωt = θ c
cos θ c =
(ube ≥ ubz ) ic = g c (vbb + ubm cos ωt − ubz )
时，
ubz − vbb ubm
ic = 0
θc
ubz
决定于 、 vcc 和 ubm 式中
可得
其中， θ c 称为半通角。将 当 则
ωt = 0
cos θ c 代入 ic ic = g c ubm (cos ωt − cos θ c )
时， ic = I cm ，可得
cos ωt − cos θ c 1 − cosθ c
I cm = g c ubm (1 − cos θ c )
ic = I cm
图3-6 丙类状态下集电极电流波形
1 θc cos ωt − cos θ c I cM cosnωtdωt π −θ c (1 − cos θ c )
∫
2 sin nθ c cos θ c − n cos nθ c sin θ c = I cM ⋅ = I cM α n (θ c ) n( n 2 − 1)(1 − cos θ c ) π
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丙类（ 类 第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理
一、基本电路及其特点
图3-2 丙类高频功率放大电路
1.图3-2(a)是用于发射机中见的丙类高频功率放大器原理电路。 2.图3-2(b) 是用于发射机输出级的丙类高频功率放大器原理电路，负载为天线。 3.它们与高频小信号谐振放大器的区别在于Vbb放的数值使静态处于截止状态，输出信号较大时 才导通，也就是放大器是非线性放大。 4.在输入信号的作用下，集电极电流为脉冲状，而输出电压是由LC回路组成的带通滤波器取电 流脉冲的基波分量与回路谐振电阻之比。 5.无论中间级还是输出级电路都可以等效为输入回路、非线性器件和带通滤波器组成。图3-3 5. 所示就是等效的原理电路图
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丙类（ 类 第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法
α称为余弦电流脉冲分解系数。 α 0 (θ c ) 为直流分量分解系数；α1 (θ c ) 为基波分量分解系数 g1 = α α与 θ的关系。 ； α n (θ c )为n次谐波分量分解系数。图3-7给出了 α 0 α、 α 2 α 3 、 1 、 、和 c 通常可以查教材附录3A的表3-1。