高频电子线路阳昌汉版第四章_高频功率放大器
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7
三、丙类高频功率放大器的工作原理 iC iB + uCE
–
iC
•
iC
ICM
uc
+
VBB
c
-
gc
+ uBE
•
UBZ
•
uBE c c
c
ub
Ubm
设ub U bm cos t
则uBE VBB Ubm cos t ,VBB U BZ
iC 为尖顶余弦脉冲 ,可用傅立叶级数展开
当 t = c 时，iC=0，则
cos c U BZ VBB U bm
UBZ VBB Ubm cosc
gcU bm
iC I CM
iC gcUbm (cos t cosc ) 当 t = 0 时，iC=ICM ，则
I CM 1 cos c
cos t cosc 1 cos c
第 4 章 高频功率放大器
概述
丙类高频功率放大器的工作原理 丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器电路 丙类倍频器
1
4.1 概 述
一、高频功率放大器的功能
用小功率的高频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， 并保证输出与输入的频谱相同。
ω
高频功率 ω 放大器
C 78.5%
c 78.5% c 78.5%
但导通角不能取得太小，因为 导通角越小，效率越高， c小 1 (c )小 I c1m小 Po小 为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600～800， g1 (c ) 1.8-1.65 c 82.5%-90%
18
max 78.5%
max 78.5%
VQ U BZ
VQ U BZ
wenku.baidu.com
谐振功率放大器通常工作于丙类。
6
二、 丙类高频功率放大器的电路组成 中间级 输出级
特点： （1）输入信号大，一般在几百毫
伏～几伏数量级 （2）一般VBB < UBZ，发射结反偏， 保证放大器工作于丙类状态。 （3）负载为LC回路，调谐于输入信号 的中心频率，选频滤波和阻抗变换 作用。 （4）采用近似的分析方法——折线法 来分析其工作原理和工作状态。
4.动态特性的画法 (一） 截距法
iC
•
A
（1）在输出特性的 u CE 轴上取截距为
U0 VCC Ucm cosc得B点
gd
iC gd (uCE U 0 )
ubemax ube4 ube3 ube2 ube1
CC
（2）通过B点作斜率为 gd的直线交 ubemax 线于A点，则BA直线即为
n次谐波分量分解系数
注： (c ) 余弦电流脉冲分解系数
15
1 0
c 1200 ,1 (c )最大
c 600 ,2 (c )最大
c 400 ,3 (c )最大
1 ( c ) g1 ( c ) 0 ( c ) －波形系数
c max
1200 n
20
3.动态特性的表示形式
若设： ub
U bm cost
当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
输入端： uBE
输出端： uCE
VBB U bm cost
VCC Ucm cost 其中： uc U cm cost 由上两式消除 cos t 可得：
uBE VCC uCE VBB U bm U cm
(4)Ucm VCC 0.9 24 21.6(V)
1 因为Po I c1mU cm 2
2 Po 2 5 故 I c1m 0.463(A) U cm 21.6 I c1m 0.463 I CM 1.05 (A) 1 ( c ) 0.44 U cm (5) Rp 46.65 () I c1m
在信号不 失真或轻 度失真的 条件下提 高输出功 率 大 几百 mV —V 数量级 丙类— 非线性 工作状 态
电压放大 倍数 ， 选频特性 等
高频 调谐 功率 放大 器
输出功率 效率 信号失真 度等
11
4. 3 丙类高频功率放大器的折线分析法
折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。 一、 晶体管特性曲线的理想化及其解析式
1 c g1 ( c ) 2
U cm VCC —集电极电压利用系数
17
（5）导通角的选择：
1 c g1 ( c ) 2 在 1 条件下， 1 则c g1 ( c ) 2
甲类： c 180
乙类： c 90 丙类： c 90
–
iB
uc
+
-
+ uBE
谐振功放电路与 小信号谐振放大器 电路有何区别？
10
类型
小信 号调 谐放 大器
调谐功放与小信号调谐放大器的比较 任务 实质 性能 输入信 工作 号幅度 状态 指标
能量 换器 将直 能量 换为 流能 输出 转 — 流 转 交 量
小 甲类— 不失真地 提高信号 幅度 μV — mV 线 性 工 作状态 数量级
8
uBE
UBZ VBB 0 c iB 0 ic C ICM 0 c u CE 0
各级电流、电压波形
t
iBmax
iC I C0 I c1m cost I c2m cos 2t ... I cnm cos nt ...
t
IC0 t
（基波）
由LC回路的选频(选基波)作用：
14
I CM gcU bm (1 cosc )
利用傅里叶级数，可将iC的脉冲序列展开为
iC IC0 Ic1m cos t Icnm cos nt
I C0
I c1m
1 sin c c cos c iC dt I CM 2 (1 cos c )
16
三、 功率与效率
（1）直流功率： P I C0VCC
1 1 2 1 2 （2）输出功率： Po I c1mU cm I c1m Rp U cm / Rp 2 2 2 （3）集电极损耗功率： P c P P o
Po 1 I c1m U cm 1 1 ( c ) U cm （4）集电极效率： c P 2 I C0 VCC 2 0 ( c ) VCC
1. 转移特性曲线（正向传输特性曲线) － 集电极电压恒定时，集电极 电流与基极电压的关系曲线
iC gc (uBE U BZ )
iC 0
uBE U BZ
uBE U BZ
实际 理想
iC gc －称为跨导 uBE
12
2. 输出特性曲线－是以基极电压（或基极电流）为参量的集电极电流 与集电极电压的关系曲线。
高频输出功率与信号输入功率的比值
4、谐波抑制度
是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量
相对于基波分量越小越好
4
4.2 丙类高频功率放大器的工作原理
一、 高频功率放大器工作状态的选择
5
2θ 甲类（ θ＝180◦）
2θ
乙类（ θ＝90◦）
2θ 丙类 (θ<90◦）
max 50%
VQ U BZ
19
四、丙类高频功率放大器的动态特性 1. 什么是静态特性？
没有带负载阻抗的条件下得到的 iC f (uBE , uCE ) 的关系，是晶体管本身固有的。
2. 什么是动态特性？
是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入 信号Ubm和输出电压Ucm（或谐振电阻Rp ）一定的条件下， 集电极电流iC = f (uBE, uCE)的关系称为放大器的动态特性。
临界饱和线
临界线方程： iC gcr uCE
饱和区 放大区
g cr 为临界线的斜率
13
二、 集电极余弦电流脉冲的分解
uBE VBB Ubm cos t
iC gc (uBE U BZ ) uBE U BZ
iC 0
uBE U BZ
iC gc (VBB Ubm cos t UBZ )
ICM0 (c )
直流分量分解系数
ICM1 (c )
1 c sin c cos c iC cos tdt I CM (1 cos c )
I cnm i
基波分量分解系数
1
C
cos ntd (t ) ICM an (c )
uc Ic1m cos t Rp Ucm cos t
(Ucm Ic1m Rp )
VCC
uc
t
9
uCE VCC uc VCC Ucm cos t
丙类高频功放工作原理小结： (1) 设置VBB< UBZ ，使晶体管工作于丙类。 (2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。 (3)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 + uCE
2
二、高频功率放大器的分类
窄带高频功率放大器 (谐振功率放大器)
其放大信号的相对带宽一 般不超过10％，通常采用 LC谐振回路作负载 .
分类：
宽带高频功率放大器
其放大信号的相对带宽一 般可达30％，通常采用宽 频带的传输线变压器作负 载。
3
三、高频功率放大器的主要技术指标
1、输出功率 放大器的负载RL上得到的最大不失真功率 2、效率 高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值 3、功率增益
iC
gc
又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程） ：
iC gc uBE U BZ 可得：
VCC uCE iC g c U BZ VBB U bm U cm
UBZ
uBE
21
U bm g VCC uCE (uCE VCC ) (U BZ VBB ) iC g c V U U c BB bm BZ U U cm cm
0
B uCEmin U0
• • V
C
•
uCE
uBE U BZ 段的动态特性
(3) 在uCE轴上找出相应的VCC点， A点在uCE轴上投影为:
uCEmin VCC U cm
段的动态特性，则AB-BC为总动态特性
Ucm
(4)在uCE轴上选取 uCEmax VCC Ucm得C点，BC直线即为uBE U BZ
23
iC
(二）虚拟电流法
•
A gd
在uCE VCC时，iC I Q
I Q g d (uCE U 0 ) g d (VCC VCC U cm cos c )
ubemax ube4 ube3 ube2 ube1
•
• • V C C uCE B B U bm U BZ VBB 0 CC gc U cm g c (U BZ VBB ) U0 U cm U bm uCEmin Q (V , I ) CC Q
U bm 其中： g d g c U cm
表示动态特性曲线的斜率
U 0 VCC U cm cosc
故动态特性的表示形式：
iC gd (uCE U 0 )
iC 0
uBE U BZ
uBE U BZ
22
可见动态特性为折线，而不是一条直线。
Ucm
（ 1 ）由VCC和I Q gc (UBZ VBB )得Q点
(2)由uBEmax VBB U bm和uCEmin VCC U cm得A点
(3) 连接AQ交横轴于B点（管子导通点） (4) 在UCE轴上选取 uCEmax VCC Ucm 得C点，
U bm U BZ VBB gc ) U uCE VCC U cm ( U bm cm
U bm gc U uCE VCC U cm cos c gd uCE U0 cm
例1 某谐振功率放大器，VCC = 24 V，Po = 5W，c = 70 º ， = 0.9, 求该功放的 c、 P=、Pc、ICM 和回路谐振阻抗Rp。
1 1 (1)c g1 ( c ) 1.75 0.9 79% 解： 2 2 Po 5 (2) P 6 .3 ( W ) c 0.79 (3) P c P P o 6.3 5 1.3 (W)
三、丙类高频功率放大器的工作原理 iC iB + uCE
–
iC
•
iC
ICM
uc
+
VBB
c
-
gc
+ uBE
•
UBZ
•
uBE c c
c
ub
Ubm
设ub U bm cos t
则uBE VBB Ubm cos t ,VBB U BZ
iC 为尖顶余弦脉冲 ,可用傅立叶级数展开
当 t = c 时，iC=0，则
cos c U BZ VBB U bm
UBZ VBB Ubm cosc
gcU bm
iC I CM
iC gcUbm (cos t cosc ) 当 t = 0 时，iC=ICM ，则
I CM 1 cos c
cos t cosc 1 cos c
第 4 章 高频功率放大器
概述
丙类高频功率放大器的工作原理 丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器电路 丙类倍频器
1
4.1 概 述
一、高频功率放大器的功能
用小功率的高频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， 并保证输出与输入的频谱相同。
ω
高频功率 ω 放大器
C 78.5%
c 78.5% c 78.5%
但导通角不能取得太小，因为 导通角越小，效率越高， c小 1 (c )小 I c1m小 Po小 为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600～800， g1 (c ) 1.8-1.65 c 82.5%-90%
18
max 78.5%
max 78.5%
VQ U BZ
VQ U BZ
wenku.baidu.com
谐振功率放大器通常工作于丙类。
6
二、 丙类高频功率放大器的电路组成 中间级 输出级
特点： （1）输入信号大，一般在几百毫
伏～几伏数量级 （2）一般VBB < UBZ，发射结反偏， 保证放大器工作于丙类状态。 （3）负载为LC回路，调谐于输入信号 的中心频率，选频滤波和阻抗变换 作用。 （4）采用近似的分析方法——折线法 来分析其工作原理和工作状态。
4.动态特性的画法 (一） 截距法
iC
•
A
（1）在输出特性的 u CE 轴上取截距为
U0 VCC Ucm cosc得B点
gd
iC gd (uCE U 0 )
ubemax ube4 ube3 ube2 ube1
CC
（2）通过B点作斜率为 gd的直线交 ubemax 线于A点，则BA直线即为
n次谐波分量分解系数
注： (c ) 余弦电流脉冲分解系数
15
1 0
c 1200 ,1 (c )最大
c 600 ,2 (c )最大
c 400 ,3 (c )最大
1 ( c ) g1 ( c ) 0 ( c ) －波形系数
c max
1200 n
20
3.动态特性的表示形式
若设： ub
U bm cost
当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
输入端： uBE
输出端： uCE
VBB U bm cost
VCC Ucm cost 其中： uc U cm cost 由上两式消除 cos t 可得：
uBE VCC uCE VBB U bm U cm
(4)Ucm VCC 0.9 24 21.6(V)
1 因为Po I c1mU cm 2
2 Po 2 5 故 I c1m 0.463(A) U cm 21.6 I c1m 0.463 I CM 1.05 (A) 1 ( c ) 0.44 U cm (5) Rp 46.65 () I c1m
在信号不 失真或轻 度失真的 条件下提 高输出功 率 大 几百 mV —V 数量级 丙类— 非线性 工作状 态
电压放大 倍数 ， 选频特性 等
高频 调谐 功率 放大 器
输出功率 效率 信号失真 度等
11
4. 3 丙类高频功率放大器的折线分析法
折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。 一、 晶体管特性曲线的理想化及其解析式
1 c g1 ( c ) 2
U cm VCC —集电极电压利用系数
17
（5）导通角的选择：
1 c g1 ( c ) 2 在 1 条件下， 1 则c g1 ( c ) 2
甲类： c 180
乙类： c 90 丙类： c 90
–
iB
uc
+
-
+ uBE
谐振功放电路与 小信号谐振放大器 电路有何区别？
10
类型
小信 号调 谐放 大器
调谐功放与小信号调谐放大器的比较 任务 实质 性能 输入信 工作 号幅度 状态 指标
能量 换器 将直 能量 换为 流能 输出 转 — 流 转 交 量
小 甲类— 不失真地 提高信号 幅度 μV — mV 线 性 工 作状态 数量级
8
uBE
UBZ VBB 0 c iB 0 ic C ICM 0 c u CE 0
各级电流、电压波形
t
iBmax
iC I C0 I c1m cost I c2m cos 2t ... I cnm cos nt ...
t
IC0 t
（基波）
由LC回路的选频(选基波)作用：
14
I CM gcU bm (1 cosc )
利用傅里叶级数，可将iC的脉冲序列展开为
iC IC0 Ic1m cos t Icnm cos nt
I C0
I c1m
1 sin c c cos c iC dt I CM 2 (1 cos c )
16
三、 功率与效率
（1）直流功率： P I C0VCC
1 1 2 1 2 （2）输出功率： Po I c1mU cm I c1m Rp U cm / Rp 2 2 2 （3）集电极损耗功率： P c P P o
Po 1 I c1m U cm 1 1 ( c ) U cm （4）集电极效率： c P 2 I C0 VCC 2 0 ( c ) VCC
1. 转移特性曲线（正向传输特性曲线) － 集电极电压恒定时，集电极 电流与基极电压的关系曲线
iC gc (uBE U BZ )
iC 0
uBE U BZ
uBE U BZ
实际 理想
iC gc －称为跨导 uBE
12
2. 输出特性曲线－是以基极电压（或基极电流）为参量的集电极电流 与集电极电压的关系曲线。
高频输出功率与信号输入功率的比值
4、谐波抑制度
是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量
相对于基波分量越小越好
4
4.2 丙类高频功率放大器的工作原理
一、 高频功率放大器工作状态的选择
5
2θ 甲类（ θ＝180◦）
2θ
乙类（ θ＝90◦）
2θ 丙类 (θ<90◦）
max 50%
VQ U BZ
19
四、丙类高频功率放大器的动态特性 1. 什么是静态特性？
没有带负载阻抗的条件下得到的 iC f (uBE , uCE ) 的关系，是晶体管本身固有的。
2. 什么是动态特性？
是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入 信号Ubm和输出电压Ucm（或谐振电阻Rp ）一定的条件下， 集电极电流iC = f (uBE, uCE)的关系称为放大器的动态特性。
临界饱和线
临界线方程： iC gcr uCE
饱和区 放大区
g cr 为临界线的斜率
13
二、 集电极余弦电流脉冲的分解
uBE VBB Ubm cos t
iC gc (uBE U BZ ) uBE U BZ
iC 0
uBE U BZ
iC gc (VBB Ubm cos t UBZ )
ICM0 (c )
直流分量分解系数
ICM1 (c )
1 c sin c cos c iC cos tdt I CM (1 cos c )
I cnm i
基波分量分解系数
1
C
cos ntd (t ) ICM an (c )
uc Ic1m cos t Rp Ucm cos t
(Ucm Ic1m Rp )
VCC
uc
t
9
uCE VCC uc VCC Ucm cos t
丙类高频功放工作原理小结： (1) 设置VBB< UBZ ，使晶体管工作于丙类。 (2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。 (3)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 + uCE
2
二、高频功率放大器的分类
窄带高频功率放大器 (谐振功率放大器)
其放大信号的相对带宽一 般不超过10％，通常采用 LC谐振回路作负载 .
分类：
宽带高频功率放大器
其放大信号的相对带宽一 般可达30％，通常采用宽 频带的传输线变压器作负 载。
3
三、高频功率放大器的主要技术指标
1、输出功率 放大器的负载RL上得到的最大不失真功率 2、效率 高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值 3、功率增益
iC
gc
又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程） ：
iC gc uBE U BZ 可得：
VCC uCE iC g c U BZ VBB U bm U cm
UBZ
uBE
21
U bm g VCC uCE (uCE VCC ) (U BZ VBB ) iC g c V U U c BB bm BZ U U cm cm
0
B uCEmin U0
• • V
C
•
uCE
uBE U BZ 段的动态特性
(3) 在uCE轴上找出相应的VCC点， A点在uCE轴上投影为:
uCEmin VCC U cm
段的动态特性，则AB-BC为总动态特性
Ucm
(4)在uCE轴上选取 uCEmax VCC Ucm得C点，BC直线即为uBE U BZ
23
iC
(二）虚拟电流法
•
A gd
在uCE VCC时，iC I Q
I Q g d (uCE U 0 ) g d (VCC VCC U cm cos c )
ubemax ube4 ube3 ube2 ube1
•
• • V C C uCE B B U bm U BZ VBB 0 CC gc U cm g c (U BZ VBB ) U0 U cm U bm uCEmin Q (V , I ) CC Q
U bm 其中： g d g c U cm
表示动态特性曲线的斜率
U 0 VCC U cm cosc
故动态特性的表示形式：
iC gd (uCE U 0 )
iC 0
uBE U BZ
uBE U BZ
22
可见动态特性为折线，而不是一条直线。
Ucm
（ 1 ）由VCC和I Q gc (UBZ VBB )得Q点
(2)由uBEmax VBB U bm和uCEmin VCC U cm得A点
(3) 连接AQ交横轴于B点（管子导通点） (4) 在UCE轴上选取 uCEmax VCC Ucm 得C点，
U bm U BZ VBB gc ) U uCE VCC U cm ( U bm cm
U bm gc U uCE VCC U cm cos c gd uCE U0 cm
例1 某谐振功率放大器，VCC = 24 V，Po = 5W，c = 70 º ， = 0.9, 求该功放的 c、 P=、Pc、ICM 和回路谐振阻抗Rp。
1 1 (1)c g1 ( c ) 1.75 0.9 79% 解： 2 2 Po 5 (2) P 6 .3 ( W ) c 0.79 (3) P c P P o 6.3 5 1.3 (W)