w第3章 高频功率放大器

1 g1 ( c ) 2
2、高频功率放大器在谐振电阻Rp一定的条件下， θc =120o时，输出功率最大，但集电极效率只有66％ ； θc =1o ~15o时，输出功率很小，但集电极效率最高； 因此，在实际中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率， 通常取θc =60o ~80o 。
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四、动态特性
晶体管内部、外部电 路共同约束，方程1、 2的交点
gd gc
则 ic g d (uce U 0 )
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截距法绘动态特性
1、当ube≥ubz时ic=gd(uce-U0)，首先确定B点(U0,0)，由B点作斜率 为gd=-gcUbm/Ucm的直线，与ubemax=Vbb+Ubm的交点即为A点（ic峰 值），则图上BA段，为ube≥Ubz段的动态特性 2、当ube＜Ubz时 ic＝0，但由于谐 振回路的作用， uce≠0 动态特性为图上 BC段 动态特性AB-BC 是折线
uc电压符号的定义：
uc Rp I c1m cos t U cm I c1m Rp
下为+，上为-
晶体管c、 e极间压降
uce VCC uc VCC Rp Ic1m cos t VCC U cm cos t
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uce VCC U cm cost U cm I c1m R p
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讨论
P 1 U cm I c1m 1 o c g1 ( c ) P 2 VCC I c 0 2
U cm / VCC , g1 ( c ) 1 ( c ) / 0 ( c )
1、在ξ=1的理想条件下， 甲类放大θc =180o，g1 (θc )=1，故甲类 放大器的理想效率ηc=50％ ；
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推导第二个ic=f(uce)
当放大器工作在谐振状态时
ube Vbb U bm cos t V u 晶体管外部电路 ube Vbb U bm cc ce 约束，方程1 uce Vcc U cm cos t U cm ic g c (ube U bz ) ube≥Ubz，晶体管工作在线性区时，内部约束，方程2 Vcc uce U bm U bmVcc U bzU cm VbbU cm ic g c (Vbb U bm U bz ) g c (uce ) U cm U cm U bm 令U 0 U bmVcc U bzU cm VbbU cm U V Vcc U cm bz bb Vcc U cm cos c U bm U bm U bm U cm
高频输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。由于 输出功率高，通常要求效率高，因此，高频功率放大器多选择 工作在丙类工作状态。
三、高频功率放大器的分类
可分为窄带放大器（谐振功率放大器）和宽带放大器（传输线变压器 为负载的宽频带高频功率放大器)两类。
窄带信号举例：中波段调幅广播，载波频率531-1602kHz，信息带宽 9kHz,相对带宽0.6 ℅～1.7℅.
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第三章 高频功率放大器
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高频功率放大器的地位
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第一节 概述
一、高频功率放大器的功能
高频功率放大器的功能是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(通常称为功率放大）。其输出信号与输入信号的频谱相同。
二、高频功率放大器的主要技术指标
由于谐振回路的选频， 集电极的输出电压仍 是与输入电压相同的 正弦波，相位相反， 幅度增大。
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第三节 折线分析法 一、特性曲线的理想化
放大器特点： 工作在大信 号、非线性 状态
晶体管工作的三个区：线 性区、饱和区、截止区
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（一）输入特性的理想化（折线化）
ib (uA)
20 15 10 5
乙类放大θc =90o，g1 (θc )=1.57， 故乙类放大器的理想效率ηc=78.5％；
丙类放大θc <90o，g1 (θc )>1.57， 故丙类放大器的理想效率ηc>78.5％；
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g1
1 2 P I c1m R p o 2 I c1m I cM 1 ( c )
c
4、集电极的功率
Po 1 U cm I c1m 1 c g1 ( c ) P 2 VCC I c 0 2
U cm / VCC 称为集电极电压利用系数， 1 g1 ( c ) I c1m /I c 0 1 ( c ) / 0 ( c )称为波形系数
ICM 、 θc
结果1
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ic g c (Vbb U bm cost U bz ) U bz Vbb U bz Vbb U bm cos c U bm 中间结果 ic g cU bm (cost cos c ) 如果 c已知,由 cos c 当t 0时, ic 最大, I cM g cU bm (1 cos c ) 如果I cM已知 g cU bm ic I cM (cost cos c ) (1 cos c ) I cM 1 cos c
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虚拟电流法
1、首先确定AB延长线与Vcc线的交点Q Q点横坐标是Vcc，纵坐标为虚拟电流IQ
U bm U bz Vbb I Q g d (uce U 0 ) g c (Vcc Vcc U Cm ) g c (U bz Vbb ) U Cm U bm
2、然后确定A点 A点横坐标是ucemin=Vcc-Ucm，纵坐标是ubemax=Vbb+Ubm AQ间连线，与横轴的交点即为B 3、最后确定C点 C点横坐标是ucemax=Vcc+Ucm， 纵坐标是ic=0,(ubemin=Vbb-Ubm < Ubz)
ube ＜ Ubz ube ≥ Ubz
ib gb ube
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（二）正向传输特性的理想化
正向传输特性是指ic与ube 的关系曲线。 因为ic =βib（放大区） 正向传输特性表达式为: ic = 0 ic = gc (ube - Ubz)
g c g b
ube ＜Ubz 截止区 ube ≥Ubz 线性区
ic = β ib ，Δic= β Δib
为了分析方便，理想化输出特性曲线中的参变量ib改为ube， ic = gc (ube - Ubz)
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总结
ic
ube uce
饱和临界线：ic = gcruce
放大区： ic = gc (ube - Ubz)
ic = 0
截止区：
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二、集电极 余弦电流脉冲的分解
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类推
如何用图解法来分析丙类功率放大器的动态特 性呢，我们可以采用类似于模拟电路的方法， 找到两个ic与uce的关系方程，图解两个方程的 交点即是丙类功率放大器的动态特性。 同样我们已知三极管的输出特性，并已经理想 化放大区： ic = gc (ube - Ubz) ；只要再找到另外一个方程即可。
1、直流电源供给的功率 2、输出功率 2 I c1m 2 1 2 1 U cm 1 P ( ) Rp I c1m R p U cm I c1m o 2 2 Rp 2 2
P VCC ic平均 VCC I c 0
U cm R p I c1m 3、晶体管集电极消耗的功率
P P P c o
结果2
结果3
实际应用时采用哪个公 式要根据已知条件 另外当ube U bz时, ic 0
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余弦电流脉冲的分解系数
ic为周期性的电流脉冲 ,可用傅立叶级数分解 ic I c 0 I c1m cos t I c 2m cos 2t I cnm cos nt cos t cos c sin c c cos c 1 1 c I c 0 ic dt I cM dt I cM I cM 0 (c ) c 2 2 1 cos c (1 cos c ) cos t cos c sin c cos c 1 1 c I c1m ic cos tdt I cM cos tdt I cM c I cM 1 ( c ) c 1 cos c (1 cos c ) cos t cos c 1 1 c I cnm ic cos ntdt I cM cos ntdt I cM n (c ) c 1 cos c
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分析讨论
当集电极LC回路调谐于高频输入信号频率ω时，由于回路的选 择性，对集电极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻，且 为最大值Rp,；对各次谐波来说，回路失谐，呈现很小的阻抗， LC回路两端可近似认为短路；而直流分量只能通过回路电感 支路，其直流电阻很小，可近似认为短路。
LC并联回路两 端的压降
Ubz
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（三）输出特性的理想化
1、饱和区 发射有余，收集不足，集电极电流 只受集电极电压的控制，而与基极 电压无关。这样，理想化特性曲线 对不同的vbe(ib )值，重合为一条通 过原点的斜线，这斜线称为饱和临 界线，斜率用gcr表示。 ic = gcruce ， gcr=Δic/Δuce 2、放大区 收集能力充足，因此集电极电流只受基极电流的控制，而与集 电极电压无关，各条特性曲线均为平行的水平线。
对于晶体管的输入特性来说， 当集电极电压大于一定值后， 输入特性就可用一条输入特性 曲线来表示。 用如图虚线表示理想化（折线 化）的输入特性曲线。输入特 性表达式为:
uCE 0V uCE 5V
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
U bz
ube (V )
ib = 0 ib = gb (ube - ubz)
设激励信号ub=Ubmcosωt 则ube=Vbb+Ubmcosωt 当ube≥Ubz时 ic=gc(ube-Ubz) =gc(Vbb+Ubmcosωt-Ubz)
定义发射结临界导通时的ωt 为半通角θc，或称通角
在-θc<ωt<θc ，发射结导通 当ωt =θc时，ic=0，可得
cos c U bz Vbb U bm
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二、工作原理
输入信号ub=Ubmcosωt 发射结电压ube=Vbb+Ubmcosωt
ib为脉动形状， 同样ic也为脉动形状
ic与ub周期相同， 可分解成无数个正弦波之和
ic I c0 I c1m cost I c 2m cos2t I cnm cosnt
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第二节 谐振高频功放的工作原理 一、基本电路及其特点
电路形式：中间级（a）、输出级（b）
实际负载是 下一级的输 入阻抗
实际负载 是天线
中间级、输出级的负载均 可等效为并联谐振回路
天线等效阻 抗 CA 、rA
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高频功率放大器的特点
特点1、为了提高效率，放 大器常工作于丙类状态， 晶体管发射结为静态负偏 压，由Vbb< 0来保证。流 过晶体管的电流为失真的 脉冲波型；非线性状态 （非线性电路），且输入 是大信号； 特点2、负载为LC并联谐振回路，除了确保从电流 脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还 能实现放大器的阻抗匹配。
α 称为余弦脉冲分解系数 α0(θc) 称为直流分量分解系数 α1(θc) 称为基波分量分解系数 αn(θc) 称为n次谐波分量分解系数 以上系数均可查表获得。
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g1
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三、功率和效率
ic I c0 I c1m cost I c 2m cos2t I cnm cosnt
1、晶体管的静态特性：是晶体管在集电极电 路内没有负载阻抗的条件下得到的ic=f(ube,uce) 的关系，这是晶体管本身所固有的。也就是晶 体管的输入、输出特性曲线。 2、放大器的动态特性：在高频功率放大器的 电路和输入、输出条件确定后，也就是在晶体 管、电源电压Vcc和Vbb、输入信号振幅Ubm和 输出信号振幅Ucm（或Rp）一定条件下， ic=f(ube,uce)的关系。