高频功率放大电路(精)

第4章 高频功率放大电路
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余弦脉冲的分解：
1 I co 2 I c1m
sin cos ic dt ic max ic max 0 ( ) (1 cos )


(3 19a) （─ 4-3 ） (3 19b) （─ 4-4 ）
1 sin cos ic cos td t ic max ic max1 ( ) (1 cos )
ubemax =ucemin
A点在临界饱和线上；临界状态。
ic最大，Ic0 、Ic1m最大， P0最大 临界电阻：临界状态时的负载电阻 记为：ROPT。 ubemax > ucemin 集电结正偏 ，A点在饱和区； uce使ic迅速减少， Ic0 、Ic1m减小， Pd、 P0减小
Ucm大，ξ= Ucm/Ec ，电压利用率高，过压状态。
uce C
(4-11)
ic gc ( ube Vth )
(4-12)
二、 高频功放管集电极的动态特性 动态特性：当基极加上输入信号并且集电极接上负载阻抗时， 晶体管集电极电流ic与集电极电压uce 之间的关系。 动态特性曲线:功率放大器工作点变化的轨迹，也称动态交流负 载线， 由集电极电流ic与集电极电压uce曲线构成。由于晶体管 的静态特性曲线是非线性的，所以实际动态特线性曲线也是非 线性的，但可以证明：当静态特性曲线折线化后，且放大器负 载处于谐振状态，即负载为纯电阻，则动态特性曲线也为一条 直线。 当负载回路处于谐振状态时，有：
余弦电流脉冲的分解：
(4-2)
ic I m (cos t cos ), ic 0,
t 2k
t 2k
ic max I m I m cos ic max Im 1 cos cos t cos ic ic max 1 cos
结论：只有基波可通过，无失 真。
＋ ube － －
u ce C
uc
Rp
L
Eb
Ec
4-2 谐振功率放大器的原理线路
3.电流、 电压波形 设输入信号为
第4章 高频功率放大电路
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ub U bm cos t
则由图4-2得基极回路电压为 ube Eb U bm cos t
ic max
EC uce Vth ) U cm
U bm U cm ic gc ( Eb Vth ) uce Ec U cm U bm U bm ic gc uce V p U cm
ic gd uce V p
晶体管特性曲线的折线化
第4章 高频功率放大电路
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(a)静态输出特性曲线: 以 be为参变量， c 与 ce的关系曲 线；
如图,由临界线分为饱和区与放大区. (b) 静态转移特性曲线： c 与 be 的关系曲线； 折线化后的直线斜率为:(通常为几十~几百mA/V)
u
i
u
i
u
i c gc ube
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4.2 丙类谐振功率放大器的特性分析
一、 折线化分析：用几条直线近似晶体管的实际特性 曲线，然后用数学解析式写出表达式并进行分析 的方法。 特点:物理概念清晰,方法简单;准确度差. 应用:工程实际
第4章 高频功率放大电路
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饱和区
临界线
放大区
Vth 截止区 (a)静态输出特性曲线 (b) 静态转移特性曲线

I cnm
1 2sin n cos 2n sin cos n ic cos ntd t ic max ic max n ( ) (n 1) 2 n (n 1)(1 cos cos )
2θ 为导通角， θ=1800，甲类, θ>900，甲乙类, θ=900，乙类, θ<900，丙类。 αi（ θ ）:各次波的分解系数。
U cm V p Ec ( Eb Vth ) U bm
(4-14) (4-15)
动态特性图如下页图所示。
第4章 高频功率放大电路
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ube
ic
A
ube max Eb U bm U bm Vth
ic
gd gc U bm U cm
ic max
Eb 2
t
o

(4-17)
第4章 高频功率放大电路
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折线分析法的思路：
（1）从输入特性曲线或转移特性曲线读Vth；
(2)从输入特性曲线找gc；
(3)ic=0求Vp， B点； (4) ic =gc(Eb-Vth) , Q点； (5) Vp求θ cos θ=(Ec- Vp)/Ucm； (6)查图求icmax 。
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ic － ＋ ib u() ub V uce C ＋ ube － － uc
L
＋
R
Eb
Ec
图4 -1 晶体管高频谐振功率放大器的原理线路图
第4章 高频功率放大电路
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二、工作原理 1.工作条件 工作在丙类状态Eb倒置， 使T在截止区；
ib ub ＋
ic
T
LC回路为集电极负载， 调谐在输入信号中心频率 上； Rp为考虑实际负载与 抽头等效后的并联谐振电 阻。
动态曲线：A点、Q点的连线，与横坐标的交点B。
第4章 高频功率放大电路
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注意：①动态线在横轴上的截距式 ，区别于乙类。 U bm 1 。 ② 动态线斜率 gd gc I c1m R p R p ③ gd为负值，说明从负载方面看，放大器相当于一个负电阻，
即为一交流电能发生器，可以为负载提供交流电能。
动态电阻：
R p I c1m (1 cos ) U cm U cm (1 cos ) Rd (4-16) gcU bm ic max ic max
上式中
ic max I m (1 cos )
经简化可得：
Im gc U bm
Rd 1 ( ) R p (1 cos )
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输出回路：放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率ω0等 于激励信号频率ω时，回路对ω频率呈现一大的谐振阻抗 Rp ，因 此集电极电流基波分量在回路上产生电压；对远离ω的直流和谐 波分量2 ω、3 ω等呈现很小的阻抗，因而输出很小，几乎为零。 因此有：
uce Ec uo Ec U cm cos t uo Rp I c1m cos t U cm cos t
＋ ube － －
u ce C
uc
Rp
L
Eb
Ec
4-2 谐振功率放大器的原理线路
第4章 高频功率放大电路
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2.工作过程：
无输入 T截至；
ic ＋ ib ub
ui+Eb>Vth
ib(周期性)
T导通
ic(周期性)
T
ic的基波分量通过谐振电 阻产生uo输出，回路失谐时， 电抗小， ic的谐波分量直接通 过，直流分量通过电感，均无 电压。

Ec
IQ
B Q
uce
2
t
uce min
o
U m
Ec
uce
t
丙类谐振放大电路的动态特性图
第4章 高频功率放大电路
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图中: ωt=0,
ube =-Eb+Ubm = ubemax uce =Ec-Ucm= ucemin
A点
ωt=π/2,
ube =-Eb= ubemin
uce =Ec
Q点
ic =gc(ube-Vth) <0辅助点,实际不存在 ωt=π, ic =0 uce = Ec+Ucm C点
（4-5）
（4-6）
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ube
ub


o
ic
Vth
t
Eb

2
o
ic max
结论：1、icmax、ubemax
I c1
、ucemin

2
t
出现在同一时刻；
2、集电极功耗= ic uce，
很低，效率高；
uce
U cm
uc
Ec
2
o
uce min

t
第4章 高频功率放大电路
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过压状态下的ic的波形如下图所示，从图中看出：
1、特性曲线与临界曲线重合
2、电流凹陷：Rp负载过大，Ucm过大，uce减小，ic随之迅速减小。
第4章 高频功率放大电路
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四、高频功放的外部特性 外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。

U cm Ec

集电极电压利用系数
结论：提高效率的两种途径：
提高电压利用系数ξ，通过提高谐振电阻实现，同 时尽量使放大管工作在尽限运用状态；
提高波形系数g1(θ) ，降低导通角，一般取65~75度， 使放大器工作在丙类工作状态。
第4章 高频功率放大电路
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g1(θ)、 α0(θ) 、 α1(θ) 、 α2(θ) 、 α3(θ)与θ 的关系
(4-8)
集电极损耗功率Pc为：
Pc Pd P0
(4-9)
第4章 高频功率放大电路
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集电极效率η为： P0 1 I c1m U cm 1 g1 (4-10) Pd 2 I c 0 Ec 2 其中： I ( ) g1 集电极电流波形系数 g1 c1m 1 I c 0 0 ( )
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4.1
丙类谐振功率放大电路的工作原理
一、丙类谐振功率放大电路的结构 图4-1所示的是高频谐振功率放大器的原理线路图。 构成：电源、偏置电路、晶体管、谐振回路和输 入回路。。 谐振回路： 1、减小失真，丙、丁、戊类的电流失真大 ； 2、实现阻抗匹配。 3、对窄带系统，实现滤波；
(4-1)
ic
ic
ic max
Eb
o

Vth ube max
ube
o

t

o
U bm
ub
ic ib
t
o

t
2 3
4
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第4章 高频功率放大电路
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ib、ic 周期性脉冲，可以分解成直流、 基波(信号频率分量)和 各次谐波分量, 即
ib Ibo Ib1m cos t Ibnm cos nt ic Ico Ic1m cos t Icnm cos nt
第4章 高频功率放大电路
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三、 高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以 分为欠压、 临界和过压三种状态 。 ubemax < ucemin 集电结反偏 ，A点在放大区，ic基本不变， 看为恒流源； Pd=Ic0Ec基本不变， P0=Ic1mUcm/2 Ucm小，ξ= Ucm/Ec ，电压利用率低但可变，欠压状态。
第4章 高频功率放大电路
第4章 高频功率放大电路
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第4章 高频功率放大电路
概述 4.1 丙类谐振功率放大电路的工作原理 4.2 丙类谐振功率放大器的特性分析 4.3 丙类谐振功率放大器的电路组成和 输出匹配网络
第4章 高频功率放大电路
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概

述
高频功放：将高频信号进行功率放大的电路，实质是在输入 高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。 主要功用: 放大高频信号, 以高效率输出大功率，并且尽量保 证非线性失真小。 分类：低频功放：甲类（3600导通，效率50%） 乙类（1800导通，效率78.5%） 甲乙类（大于 1800导通，效率75%） 高频功放： 丙类（ 小于1800导通，效率92%） 丁类、戊类（开关型，理论上效率100％） 特点：工作频率高，相对带宽小，大信号非线性状态，采用 选频网络作为负载（故称谐振功率放大器）。 技术指标：输出功率、效率、功率增益、带宽、谐波抑制度。
丙类谐振功率放大器的电压、电流波形
第4章 高频功率放大电路
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4. 高频功放的能量关系 电源功率（直流功率）=输出功率（基波功率）+集电极耗散功率 电源功率Pd为： Pd I c 0 E c (4-7)
输出功率P0为：
1 P0 I c1mU cm 2

2 U 1 2 1 cm I c1m R p 2 2 Rp
第4章 高频功率放大电路
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ube Eb U bm cos t uce Ec U cm cos t
由以上两式可得：
ube Eb U bm
EC uce U cm
(4-13)
第4章 高频功率放大电路
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将（4-13）代入（4-12）有：
ic gc ( Eb U bm