高频电子线路(第四版) 第4章
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θ= 180° θ= 90° θ＜90°，为丙类工作状态
图4.2所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态。 在丙类工作状态下，uBE=UBB+Ubmcosωt 较小，且uBE＞Uon 时才有集电极电流流过，故集电极耗散功率小、 效率高。
图4.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形
图4.1中，输出回路中用LC谐振电路作选频网络。这时， 谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压，如图4.2(e)所示。 由于晶体管工作在丙类状态，晶体管的集电极电流iC是一个 周期性的余弦脉冲，用傅氏级数展开iC，则得
① 输出足够的功率； ② 具有高效率的功率转换； ③
高频功率放大器的输出功率是从电源供给功率中转换而 来的，所以在满足功率输出要求的同时，必须注意提高功率 的转换效率。为了提高功率放大器的效率，通常选择放大元 件工作在丙类状态。在这种状态下，晶体管处于非线性工作 区域，晶体管集电极电流通角小于90°。
4.2 谐振功率放大器
4.2.1
1. 谐振功率放大器的原理电路如图4.1
图4.1 谐振功率放大器的原理电路
图4.1中要求晶体管发射结为零偏置或负偏置。这时电路 在输入余弦信号电压ub= Ubmcosωt的激励下，晶体管基极和 集电极电流为图4.2(c)、(d)所示的余弦脉冲波形，其中θ是指 一个信号周期内集电极电流导通角2θ的一半，称之为通角， θ出现范围在-2nπ-θ≤θ≤θ+2nπ。根据通角大小的不同，晶体管
4.1 通信信号的功率放大 4.2 谐振功率放大器 4.3 宽频带的功率合成 (非谐振高频功率放大器) 4.4 倍频器 4.5 天线 4.6 实训: 高频谐振功率放大器的仿真与性能分析 习题
4.1 通信信号的功率放大
无论是广播通信，还是其它通信，发射机发射信号都需 要有一定的功率。特别是传送信号的距离越远，需要的发送 功率越大。在高频电路中，为使待发送的高频信号获得足够 的功率，需要设置高频功率放大器。高频功率放大器有三个 主要任务：
θ = arccos Uon U BB U bm
iC
0
GuBE
U on
uBE Uon uBE Uon
(4- 4)
将uBE=UBB+Ubmcosωt代入上式，可得
iC = G(UBB+Ubmcosωt-Uon)
(4- 5)
由图4.3可得，当ωt =θ时，iC=0, 代入式(4- 5)，可求得
0=G(UBB+Ubmcosθ-Uon)
cosθ = Uon U BB U bm
uBE=UBB+Ubmcosωt
(4- 2)
uCE=UCC-Ucmcosωt
(4- 3)
(3) 晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。例如图
4.3所示的晶体管转移特性就采用了折线表示。图中Uon表示 晶体管的起始导通电压。
图4.3 晶体管折线化后的转移特性曲线及iC电流
1) 余弦脉冲分解 图4.3所示是用晶体管折线化后的转移特性曲线绘出的丙 类工作状态下的集电极电流脉冲波形，折线的斜率用G表示。 设输入信号为ub=Ubmcosωt，发射结电压为 uBE=UBB+Ubmcosωt, 晶体管折线化后的转移特性为
Fra Baidu bibliotek
工作在丙类状态下的晶体管输出电流与输入信号之间存 在着严重的非线性失真，在高频功率放大器中采用谐振选频 负载方法来滤除非线性失真，以获得接近正弦波的输出电压 波形，这一类高频功率放大器通常称为窄带功率放大器或谐 振功率放大器。窄带信号是指带宽远小于中心频率的信号。 例如, 中波广播电台的带宽为10 kHz，如果中心频率为1000 kHz，则它的相对频带宽度只相当于中心频率的1%。
在要求非线性失真很小的场合，高频功率放大器不宜采 用丙类(或丁、 戊类)工作状态。
为了不产生波形失真，就要采用甲类(前级)或乙类推挽 (后级)工作状态。当高频功率放大器侧重于获得不失真放大 性能时，输出功率不足的缺陷可通过功率合成的办法来补偿。 对已调幅波进行功率放大时，通常选择本级高频功率放大器 为乙类工作状态。这时，既可避免波形出现失真，又能输出
准线性折线分析法的条件如下： (1) 忽略晶体管的高频效应。在此条件下，可以认为功 率晶体管在工作频率下只显示非线性电阻特性，而不显示电 抗效应。因此，可以近似认为，功率晶体管的静态伏安特性
(2) 输入和输出回路具有理想滤波特性。在此条件下, 在 图4.1所示电路中，基极-发射极间电压和集电极-发射极之间 电压仍是余弦波形且相位相反，可写为：
根据采用的负载不同，高频功率放大器可分为窄带功率 放大器和宽带功率放大器两类。窄带功率放大器以选频网络 作负载，功率放大器可工作在丙类状态。宽带功率放大器以 宽带传输线变压器作负载，它可解决窄带放大器难于迅速变 换选频网的中心频率的问题，宽带放大器的负载不具有滤除
功率放大器不论工作在哪一类状态，对谐波辐射这项指 标来说，通常要求不论输出功率多大，在距离发射机１ km 处的谐波辐射功率不得大于25 mW
iC=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt (4- 1)
式中Ic0、Ic1m、Ic2m…Icnm分别为集电极电流的直流分量、 基波分量以及各高次谐波分量的振幅。当输出回路的选频 网络谐振于基波频率时，输出回路只对集电极电流中的基 波分量呈现很大的谐振电阻，而对其它各次谐波分量呈现 很小的电抗并可看成短路。这时余弦脉冲形状的集电极电 流iC流经选频网络时，只有基波电流才产生电压降，因而输 出电压仍近似为余弦波形，并且与输入电压ub同频、反相， 如图4.2(b)、 (e)所示。
2. 在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器的 分析与计算，通常采用准线性折线分析法。准线性放大是指 仅考虑集电极输出电流中的基波分量在负载两端产生输出电 压的放大作用。所谓折线法，是指用几条直线段来代替晶体 管的实际特性曲线，然后用简单的数学解析式写出它们的表 示式。将器件的参数代入表示式中，就可进行电路的计算。 折线法在分析谐振功率放大器工作状态时，物理概念清楚， 方法简便，但其准确度比较差，不过作为工程近似估算已满
图4.2所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态。 在丙类工作状态下，uBE=UBB+Ubmcosωt 较小，且uBE＞Uon 时才有集电极电流流过，故集电极耗散功率小、 效率高。
图4.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形
图4.1中，输出回路中用LC谐振电路作选频网络。这时， 谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压，如图4.2(e)所示。 由于晶体管工作在丙类状态，晶体管的集电极电流iC是一个 周期性的余弦脉冲，用傅氏级数展开iC，则得
① 输出足够的功率； ② 具有高效率的功率转换； ③
高频功率放大器的输出功率是从电源供给功率中转换而 来的，所以在满足功率输出要求的同时，必须注意提高功率 的转换效率。为了提高功率放大器的效率，通常选择放大元 件工作在丙类状态。在这种状态下，晶体管处于非线性工作 区域，晶体管集电极电流通角小于90°。
4.2 谐振功率放大器
4.2.1
1. 谐振功率放大器的原理电路如图4.1
图4.1 谐振功率放大器的原理电路
图4.1中要求晶体管发射结为零偏置或负偏置。这时电路 在输入余弦信号电压ub= Ubmcosωt的激励下，晶体管基极和 集电极电流为图4.2(c)、(d)所示的余弦脉冲波形，其中θ是指 一个信号周期内集电极电流导通角2θ的一半，称之为通角， θ出现范围在-2nπ-θ≤θ≤θ+2nπ。根据通角大小的不同，晶体管
4.1 通信信号的功率放大 4.2 谐振功率放大器 4.3 宽频带的功率合成 (非谐振高频功率放大器) 4.4 倍频器 4.5 天线 4.6 实训: 高频谐振功率放大器的仿真与性能分析 习题
4.1 通信信号的功率放大
无论是广播通信，还是其它通信，发射机发射信号都需 要有一定的功率。特别是传送信号的距离越远，需要的发送 功率越大。在高频电路中，为使待发送的高频信号获得足够 的功率，需要设置高频功率放大器。高频功率放大器有三个 主要任务：
θ = arccos Uon U BB U bm
iC
0
GuBE
U on
uBE Uon uBE Uon
(4- 4)
将uBE=UBB+Ubmcosωt代入上式，可得
iC = G(UBB+Ubmcosωt-Uon)
(4- 5)
由图4.3可得，当ωt =θ时，iC=0, 代入式(4- 5)，可求得
0=G(UBB+Ubmcosθ-Uon)
cosθ = Uon U BB U bm
uBE=UBB+Ubmcosωt
(4- 2)
uCE=UCC-Ucmcosωt
(4- 3)
(3) 晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。例如图
4.3所示的晶体管转移特性就采用了折线表示。图中Uon表示 晶体管的起始导通电压。
图4.3 晶体管折线化后的转移特性曲线及iC电流
1) 余弦脉冲分解 图4.3所示是用晶体管折线化后的转移特性曲线绘出的丙 类工作状态下的集电极电流脉冲波形，折线的斜率用G表示。 设输入信号为ub=Ubmcosωt，发射结电压为 uBE=UBB+Ubmcosωt, 晶体管折线化后的转移特性为
Fra Baidu bibliotek
工作在丙类状态下的晶体管输出电流与输入信号之间存 在着严重的非线性失真，在高频功率放大器中采用谐振选频 负载方法来滤除非线性失真，以获得接近正弦波的输出电压 波形，这一类高频功率放大器通常称为窄带功率放大器或谐 振功率放大器。窄带信号是指带宽远小于中心频率的信号。 例如, 中波广播电台的带宽为10 kHz，如果中心频率为1000 kHz，则它的相对频带宽度只相当于中心频率的1%。
在要求非线性失真很小的场合，高频功率放大器不宜采 用丙类(或丁、 戊类)工作状态。
为了不产生波形失真，就要采用甲类(前级)或乙类推挽 (后级)工作状态。当高频功率放大器侧重于获得不失真放大 性能时，输出功率不足的缺陷可通过功率合成的办法来补偿。 对已调幅波进行功率放大时，通常选择本级高频功率放大器 为乙类工作状态。这时，既可避免波形出现失真，又能输出
准线性折线分析法的条件如下： (1) 忽略晶体管的高频效应。在此条件下，可以认为功 率晶体管在工作频率下只显示非线性电阻特性，而不显示电 抗效应。因此，可以近似认为，功率晶体管的静态伏安特性
(2) 输入和输出回路具有理想滤波特性。在此条件下, 在 图4.1所示电路中，基极-发射极间电压和集电极-发射极之间 电压仍是余弦波形且相位相反，可写为：
根据采用的负载不同，高频功率放大器可分为窄带功率 放大器和宽带功率放大器两类。窄带功率放大器以选频网络 作负载，功率放大器可工作在丙类状态。宽带功率放大器以 宽带传输线变压器作负载，它可解决窄带放大器难于迅速变 换选频网的中心频率的问题，宽带放大器的负载不具有滤除
功率放大器不论工作在哪一类状态，对谐波辐射这项指 标来说，通常要求不论输出功率多大，在距离发射机１ km 处的谐波辐射功率不得大于25 mW
iC=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt (4- 1)
式中Ic0、Ic1m、Ic2m…Icnm分别为集电极电流的直流分量、 基波分量以及各高次谐波分量的振幅。当输出回路的选频 网络谐振于基波频率时，输出回路只对集电极电流中的基 波分量呈现很大的谐振电阻，而对其它各次谐波分量呈现 很小的电抗并可看成短路。这时余弦脉冲形状的集电极电 流iC流经选频网络时，只有基波电流才产生电压降，因而输 出电压仍近似为余弦波形，并且与输入电压ub同频、反相， 如图4.2(b)、 (e)所示。
2. 在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器的 分析与计算，通常采用准线性折线分析法。准线性放大是指 仅考虑集电极输出电流中的基波分量在负载两端产生输出电 压的放大作用。所谓折线法，是指用几条直线段来代替晶体 管的实际特性曲线，然后用简单的数学解析式写出它们的表 示式。将器件的参数代入表示式中，就可进行电路的计算。 折线法在分析谐振功率放大器工作状态时，物理概念清楚， 方法简便，但其准确度比较差，不过作为工程近似估算已满