通信电子线路(严国萍版)chapter5谐振功率放大器

1、5.1概述概述5.2谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理5.3晶体管谐振功率放大器的晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法折线近似分析法5.4晶体管功率放大器的高频特性晶体管功率放大器的高频特性5.5高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成1、使用谐振功率放大器的目的、使用谐振功率放大器的目的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：、功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出联想对比：联想对比：谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功

2、率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；5.1概述概述3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处：激励信号幅度大小不同；不同之处：激励信号幅度大小不同； 放大器工作点不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。 ic eb t o o ic tVBZ 谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形

3、图波形图 ic Q eb t o o ic tt ic Q eb t o o ic t 小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 ic eb t o o ic t VBZ 谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。不同之处：工作频率与相对频宽不同；不同之处：工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同。放大器的工作状态不同。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率的直流能量转化为交流能量，能量

4、转换的能力即为功率放大器的效率。放大器的效率。功率放大器的主要技术指标是功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率输出功率与效率4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处5、工作状态：、工作状态： 功率放大器一般分为功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类丁类与与戊类戊类放大器。放大器。表2-1 不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理想效率负 载应 用甲类c=18050%电阻低频乙类c=9078.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90c1

5、8050%78.5%推挽低频丙类c9078.5%选频回路高频丁类开关状态90%100%选频回路高频谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通信号的通带宽度只有其中心频率的带宽度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选，其工作状态通常选为丙类工作状态为丙类工作状态( c90 )，为了不失真的放大信号，它的，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。负载必须是谐振回路。非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频非谐振功率放大器可分为

6、低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。线为负载。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法1、原理电路、原理电路+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEiceb谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路(1)晶体管的作用是在将供电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作能量的过程中起开关控制作用

7、。用。(2)谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：tVVetVVecmCCcbmBBbcoscos)(BZbccVegi5.2谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理故晶体管的转移特性曲线表达式：故晶体管的转移特性曲线表达式：Vbmcosc=BBV +VBZ转移特性icVBZo理想化ic maxicto+cco+ccVbmVbmebvcVBBt谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：故得：bmBZBBcVVVcos必须强调指出：必须强调指出：

8、集电极电流集电极电流ic虽然是脉虽然是脉冲状，但由于谐振回路冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示2、电流与电压波形：、电流与电压波形： VBZ VBB t VCC t t t eb ib ic ec Vcm Vcm vb 高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系cCCcvVe（a a） t 或电压 电流 VBZ o ic max ec min ic c ec Vcm VCC ic vc

9、eb max 2 VBZ vB Vbm vb 232 25(b) 高频功率放大器中各部高频功率放大器中各部分电压与电流的关系分电压与电流的关系 +C+ + icL +iLLC回路能量转换过程回路能量转换过程 回路的这种滤波作用也可从回路的这种滤波作用也可从能量的观点能量的观点来解释。来解释。回路是由回路是由L、C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，由于回当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容冲电流的大部分流过电容C，即使，即使C充电。充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电充电

10、电压的方向是下正上负。这时直流电源源VCC给出的能量储存在电容给出的能量储存在电容C之中。过了之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度程度(接近电源电压接近电源电压)，晶体管截止，电容通，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。过电感放电，下一周期到来重复以上过程。由于这种由于这种周期性的能量补充周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。3、

11、LC回路的能量转换过程回路的能量转换过程4、谐振功率放大器的功率关系和效率、谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。信号功率输出去。由前述所知：由前述所知： 有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率电极效率cP=直流电源供给的直流功率；直流

12、电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：P= Po+ Pc故集电极效率：故集电极效率：cooocPPPPP由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：2） 由式由式cccoP1P可知可知如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，不超过规定值，那么提高集电极效率那么提高集电极效率 c，将使交流输出功率，将使交流输出功率Po大为增加。大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。效率的。1

13、) 设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率，则集电极效率 c自自然会提高。这样，在给定然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；就会增大；如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率Pc可见使可见使ic在在ec最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：dteTTcc01i故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于极

14、电流应该是脉冲状。导通角小于180 ，处于丙类工作，处于丙类工作状状态。态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c90 ，集电，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+直流功率：直流功率：P=VCC Ic0输出交流功率：输出交流功率： p21cmp2cm1cmcmoRI21R2VIV21PVcm - 回路两端的基频电压回路两端的基频电压 Icm1 - 基频电流基频电流Rp - 回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：)(g21

15、IVIV21PPc10cCC1cmcmocCCcmVV0c1cmc1II)(g集电极电压利用系数集电极电压利用系数波形系数，通角波形系数，通角 c的函数；的函数； c越小越小g1( c)越大越大 越大越大(即即Vcm越大或越大或ecmin越小越小) c越小效率越小效率 c越高。因此，越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率丙类谐振功率放大器提高效率 c的途径为：的途径为：1、减小、减小 c角；角；2、使、使LC回路谐振在信号的基频上，回路谐振在信号的基频上，即即ic的最大值应对应的最大值应对应ec的最小值。的最小值。放大高频大信号放大高频大信号, 属于非线性工作状态；属于非线性工作状态；基极偏置

16、为负值基极偏置为负值,半通角半通角 c90 ，即丙类工作状态；即丙类工作状态；电流脉冲是尖顶余弦脉冲；电流脉冲是尖顶余弦脉冲；负载为负载为LC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：故谐振功率放大器的工作特点： t 或电压 电流 VBZ o ic max ec min ic c ec Vcm VCC ic vc eb max 2 VBZ vB Vbm vb 232 25(b) 5.3.1折线法折线法所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法

17、。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。析法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。5.3谐振功率放大器的折线近似分析法谐振功率放大器的折线近似分析法折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线、测出晶体管的转移特性曲线ic eb及输出特性曲线及输出特性曲线ic ec， 并将这两组曲线作理想折线化处理

18、。并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。、作出动态特性曲线。3、根据激励电压、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲出对应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形。的波形。4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2由给定的负由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。率、直流供给功率、效率等指标。 理想化折线 （虚线） ic gc eb 0 VBZ ic 过压区 临界线 欠压区 eb ec 0 (a) (b)

19、 gcr 晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。由上图可见，根据理想化原理，在放大区由上图可见，根据理想化原理，在放大区,集电极电流集电极电流只受基极电压的控制只受基极电压的控制,与集电极电压无关与集电极电压无关; 在饱和区，集电极在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。5.3.2晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线则临界线方程可

20、写为则临界线方程可写为 ic=gcrec (2) gcr为临界线的斜率为临界线的斜率则转移特性方程可写为则转移特性方程可写为 ic =gc(ebVBZ) (ebVBZ) (1) 常数cbcceegigc-转移特性方程的斜率转移特性方程的斜率式式(1)和和(2)是折线近似法的基础，应很好地掌握。是折线近似法的基础，应很好地掌握。在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：1)欠压工作状态：欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方，集电极最大点电流在临界线的右方， 交流

21、输出电压较低且变化较大。交流输出电压较低且变化较大。2)过压工作状态：过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区， 交流输出电压较高且变化不大。交流输出电压较高且变化不大。3)临界工作状态：临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点，是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。集电极最大点电流正好落在临界线上。当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。ic maxto2c尖顶余弦脉冲尖

22、顶余弦脉冲晶体管的内部特性为：晶体管的内部特性为：它的外部电路关系式它的外部电路关系式ic=gc(ebVBZ) (1)eb= VBB+Vbmcos t (2)ec= VCCVcmcos t (3)将式将式(2)(2)代入式代入式(1)(1)，得，得 i ic c = g= gc c(V(VBBBB+V+Vbmbmcoscos tVtVBZBZ) )(4)(4)当当 t=t= c c时，时，i ic c=0=0，代入上式得，代入上式得 0 = g0 = gc c(V(VBBBB+V+Vbmbmcoscos c cVVBZBZ) ) (5)(5)即即 5.3.3集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电

23、流脉冲的分解bmBZBBcVVVcos因此，知道了因此，知道了V Vbmbm、V VBBBB与与V VBZBZ各值，各值， c c的值便完全确定。的值便完全确定。将式将式(4)(4)与式与式(5)(5)相减，即得相减，即得 i ic c = g= gc cV Vbmbm(cos(cos tcostcos c c) ) (7) (7)当当 t=0t=0时，时，i ic c= = i ic maxc max，因此，因此 i ic maxc max= g= gc cV Vbmbm(1cos (1cos c c) (8) (8) ( 6 )cccctcos1coscosmaxiiccmaxcccos1

24、costcosii 将式将式(7)(7)与式与式(8)(8)相除，即得相除，即得或 式式(9)(9)即为尖顶余弦脉冲的解析式，即为尖顶余弦脉冲的解析式，它完全取决于脉冲高度它完全取决于脉冲高度i ic maxc max与通角与通角 c c。(9)ic maxto2c若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数ic =Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+Icmncosnt+由傅里叶级数的求系数法得由傅里叶级数的求系数法得)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1 (sincos)()cos1 (cossin)(210ccccccnccccccccccnnnn

25、n其中：其中：n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数)()(maxmax10max0CnCcmnCCcmCCCiIiIiIn2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120 160100123140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时，时，Icm1/icmax达到最大值。在达到最大值。在Ic max与与负载阻抗负载阻抗Rp为某定值的为某定值的情况下，输出功率将达情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，到最大值。这样看来，取取 c=12

26、0 应该是最佳通应该是最佳通角了。但此时放大器处角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太于甲级工作状态效率太低。低。右图可见：右图可见：n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120 160100123140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数)(21)()(21211101ccnccCCcmcmocgIVIVPP：)()()(011cccg波形系数波形系数由曲线可知：由曲线可知：极端情况极端情况 c=0时，时，2)()()(gc0c1c1此时此时 =1， c可达可达100%因此，为了兼顾功率与效率，因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取70 左

27、右。左右。由于由于1. 谐振功率放大器的动态特性谐振功率放大器的动态特性 理想化折线 （虚线） ic gc eb 0 VBZ ic 过压区 临界线 欠压区 eb ec 0 (a) (b) gcr 晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。如，维持基极电压件下获得的。如，维持基极电压eb不变，改变集电极电压不变，改变集电极电压ec ，就可求出就可求出icec静态特性曲线族。如果集电极电路有负载阻抗，静态特性曲线族。如果集电极电路有负载阻抗，则当改变则当改变eb使使ic变化时，由于负载上有电压降，就必然同时变化时，由于负载上有电压降

28、，就必然同时引起引起eC的变化。的变化。 5.3.4谐振功率放大器的动态特性与负载特性谐振功率放大器的动态特性与负载特性高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压、激励电压vb、供电电压、供电电压VCC、VBB等等4个参量决定的。个参量决定的。如果如果VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大而变化的特性，就叫做放大器的器的负载特性。负载特性。所谓动态特性是和

29、静态特性相对应而言的，在考虑所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的了负载的反作用后，所获得的vCE、vBE与与ic的关系曲线的关系曲线就叫做就叫做动态特性。动态特性。当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为eb= VBB+Vbmcos t ec= VCCVcmcos t消去消去cos t可得，可得，cmcCCVeVeb= VBB+Vbm另一方面，晶体管的折线化方程为另一方面，晶体管的折线化方程为ic = gc(ebVBZ)得出在得出在icec坐标平面上的动态特性曲线坐标平面上的动态特性曲线( (负载线或工作路负

30、载线或工作路) )方程：方程：BZcmcCCbmBBccVV)eV(VVgibmcmBBcmBZCCbmccmbmcVVVVVVVeVVg= gd(ec V0)图中示出动态特性图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它曲线的斜率为负值，它的物理意义是：的物理意义是：从负载方面看来，从负载方面看来，放大器相当于一个负电放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能发生器，可以输出电能至负载。电能至负载。用类似的方法，可用类似的方法，可得出在得出在ic eb坐标平面的坐标平面的动态特性曲线。动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形 t O c

31、+c vCE 斜率 ic max VCm 2c vCE min Vo IQ O ic A eB max= VBB+Vbm cmVbmVcgdg B VCC Q 根据上式可作出功放的动态特性曲线如图所示：根据上式可作出功放的动态特性曲线如图所示：ec min动态线动态线作法作法：AB为为动态特性曲线，动态特性曲线，也称为工作路。也称为工作路。 取取B点，作斜率为点，作斜率为gd的直线；的直线； 取取Q、A两点，连成直线。两点，连成直线。特殊点说明特殊点说明 A点点 ： 0，eb达到最大，达到最大，eC达到最小，达到最小，iC达到最大；达到最大；Q点：点： 90 ， eCVCC，虚拟电流虚拟电流I

32、Qgc（VBBVBZ） t O c +c eCE 斜率 ic max VCm 2c eC min Vo IQ O ic A eb max= VBB+Vbm cmVbmVcgdg B VCC Q ic c vCECE坐标平面上的动态特性曲坐标平面上的动态特性曲线的作法与相应的线的作法与相应的ic c波形波形 RpIcmbmVcgcmVbmVcgdgt t t t 2. 功率放大器的负载特性功率放大器的负载特性在在 VCC、VBB、vb为一为一定，只变化放大器的负载定，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的电压、输出功率、效率的变化特性称为变化特性称为

33、负载特性负载特性。icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形1) 在负载电阻在负载电阻RP由小至由小至大变化时，负载线的斜率由大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工作不同的负载，放大器的工作状态是不同的状态是不同的,所得的所得的ic波形、波形、输出交流电压幅值、功率、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。效率也是不一样的。2) 欠压、过压、临界三种工作状态欠压、过压、临界三种工作状态

34、欠压状态欠压状态 B点以右的区域。点以右的区域。在欠压区至临界点在欠压区至临界点 的范围内，的范围内，根据根据Vc=RpIc1，放大器的交流，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载输出电压在欠压区内必随负载电阻电阻RP的增大而增大，其输出的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。功率、效率的变化也将如此。icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm 临界状态临界状态 负载线和负载线和eb max正好相交于临界线的拐点。放大正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率

35、大，管子损耗小，放大器的器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。效率也就较大。根据根据Rp与与ebmax相交在不同相交在不同区域，可分为三种工作状态区域，可分为三种工作状态: 过压状态过压状态icic321Im018090半导通角tBACD321负载 增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠 压状 态2.临 界状 态3.过 压状 态RpVcmVcm电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形过压状态放大器的负载较过压状态放大器的负载较大，如动态线大，如动态线3就是这种情况。就是这种情况。动态线穿过临界点动态线穿过临界点C后，电流后，电流沿临界线下降，

36、因此集电极电沿临界线下降，因此集电极电流流ic呈下凹顶状，过压愈重，呈下凹顶状，过压愈重，则则ic波顶下凹愈厉害，严重时，波顶下凹愈厉害，严重时，ic波形可分裂为两部分。根据波形可分裂为两部分。根据傅里叶级数对傅里叶级数对ic波形分解可知，波形分解可知，波形下凹的波形下凹的ic，其基波分量，其基波分量Ic1会下降，下凹愈深，则会下降，下凹愈深，则Ic0、Ic1的下降也就愈激烈因此放的下降也就愈激烈因此放大器的输出功率和效率也要减大器的输出功率和效率也要减小。小。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线欠 压过 压0临界Ic 1Ic 0

37、VCRp0cP=PoPc欠 压过 压临界Rp负载特性曲线负载特性曲线欠压状态欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。基极调幅，需采用这种工作状态。P=VCC Ic0过压状态过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这

38、种状有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。态。欠压过压0临界Ic 1Ic 0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp负载特性曲线负载特性曲线临界状态临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。态为例。欠压过压0临界Ic 1Ic 0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp负载特性曲线负载特性曲线 掌握负载特性，对分析集电极调幅电

39、路、基极调幅电掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。指标是很有帮助的。1. 导通角导通角 c的调整的调整bBBBZ1cVVVcos由由若保持若保持Vb不变增大偏置不变增大偏置VBB；或保持；或保持VBB不变增大激励不变增大激励电压振幅电压振幅Vb；或同时增大；或同时增大VBB和和Vb，这三种情况均可使导，这三种情况均可使导通角通角 c增大，若相反，则可使增大，若相反，则可使 c减小。但是采取上述三种减小。但是采取上述三种方法中的任一个方法，当方法中的任一个方法，当 c增

40、大时，增大时，ic脉冲电流的振幅脉冲电流的振幅Im会加大，输出功率会加大，输出功率Po当然也会加大，而当当然也会加大，而当 c减小时，减小时，Im和和Po均将减小。有时希望增大均将减小。有时希望增大 c，但要保持，但要保持Im不变，则应在不变，则应在增加增加VBB的同时，适当减小激励的同时，适当减小激励Vb。5.3.5放大器工作状态及导通角的调整放大器工作状态及导通角的调整2. 欠压、临界、过压工作状态的调整欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：方法：改变集电极负载改变集电极负载Rp；改变供电电压改变

41、供电电压VCC；改变偏压改变偏压VBB；改变激励改变激励Vb。(1) 改变改变Rp，但，但Vb、VCC、VBB不变不变 当负载电阻当负载电阻Rp由小由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。临界状态时输出功率最大。(2) 改变改变VCC，但，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压不变当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。欠压。欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC

42、3VC4VC5欠压临界过压VCC变化时对工作状态的影响变化时对工作状态的影响在欠压区内，输出电流的在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随振幅基本上不随VCC变化变化而变化，故输出功率基本而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出不变；而在过压区，输出电流的振幅将随电流的振幅将随VCC的减的减小而下降，故输出功率也小而下降，故输出功率也随之下降。随之下降。(3) Vbm变化，但变化，但VCC、VBB、Rp不变或不变或VBB变化，但变化，但VCC、Vb、Rp不变不变 这两种情况所引这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是同的。因为无论是Vbm还是还是VBB

43、的变化，其结果都是引起的变化，其结果都是引起eb的的变化。变化。由由 eb= VBB+Vbmcos t eb max= VBB+Vbm ic eb4 max vce VCC eb3 max eb2 max eb1 max 0 VC4 VC3 VC2 VC1 t Q 当当VBB或或Vbm由小到大变化时，由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。界转入过压。在过压区中输出电压随在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来

44、实现调幅过程的。改变来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态和电流、时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。功率的变化如上图所示。00( a )( b )欠 压 状 态过 压 状 态VC C欠 压 状 态过 压 状 态VC CIc 0Ic m 1PoP=Pc1. 改变改变VCC对工作状态的影响对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响VCC由小由小大时，对应工作状态由过压大时，对应工作状态由过压临界临界欠压。欠压。(a)过压状态欠压状态VbmIC0OIcm1(b)过压状态欠压状态VbmPoOP=PcipVbm变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化2. 改变改变

45、vB m对工作状态的影响对工作状态的影响当当vb m由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压临临界界过压。过压。谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。以临界状态为例：以临界状态为例：1) 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和和 cbBZBB1cVVVcos导通角导通角 c集电极电流脉冲幅值集电极电流脉冲幅值Icmic max=gcVb(1cosc)5.3.6谐振功率放大器的计算谐振功率放大器的计算2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数电流余弦脉冲的各谐波分量系数 0( c

46、)、 1( c)、 n( c)可查表求得，并求得个分量的实际值。可查表求得，并求得个分量的实际值。3) 谐振功率放大器的功率和效率谐振功率放大器的功率和效率直流功率：直流功率： P=Ic0 VCC交流输出功率：交流输出功率：maxcc1CC1cmcmo)(V21IV21Pi集电极效率：集电极效率：)(g21PPccoc4) 根据根据p2CCp2cmoR)V(21RV21P可求得最佳负载电阻：可求得最佳负载电阻：o2CCpP2)V(R在临界工作时，在临界工作时， 接近于接近于1，作为工作估算，可设定，作为工作估算，可设定 =1。“最佳最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大的含义在于采用这

47、一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。器的效率较高，输出功率较大。可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角 c改变改变而变化的。而变化的。 c小，小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。器具有大的最佳负载电阻值。在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载网络和终端负载(如天线等如天线等)相匹配。相匹配。 vBE ic VBZ 2.6V 1A V/A5 . 0V)6 . 06 . 2(A1gcbBZBBcVVV

48、cosV8 . 5342. 06 . 04 . 1Vb)(maxCmaxcIA2)342. 01 (8 . 521安全工作i 2) 根据求得Vb 3) 根据ic max=gcVb(1cosc)求得ic max、Ic1、Ic0 c=70，cos70=0.342， Ic1=ic max1(70)=20.436=0.872A Ic0=i c max0(70)=20.253=0.506A 1) 根据图可求得转移特性的斜率gc例例5-1 5-1 某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的参数为：采用晶体管的参数为：f fT T150MHz

49、150MHz，功率增益，功率增益A Ap p13dB13dB，管子允，管子允许通过的最大电流许通过的最大电流I IcMcM=3A=3A，最大集电极功耗为，最大集电极功耗为P Pc maxc max=5W=5W。管子的。管子的V VBZBZ=0.6V=0.6V，放大器的负偏置，放大器的负偏置 V VBBBB =1.4V=1.4V， c c=70=70 ，V VCCCC=24V=24V， = = 0.90.9，试计算放大器的各参数。，试计算放大器的各参数。4) 求交流电压振幅：Vcm=VCC=240.9=21.6V 对应功率、效率。 P=VCC IC0=240.506=12W Po=W4 . 92

50、49 . 0872. 021VI21VI21CC1ccm1c%78124 . 9PPoc)dB(pPlg10AiopW47. 0)3 . 1 (lg4 . 910AlgPPP1p1oib Pc=P=Po=2.6W回路损耗电阻回路损耗电阻r r1 1 2121122 p MRMIIAkkAkrrrrrrro op p 功率功率电子器件送至回路的总电子器件送至回路的总 回路送至负载的功率回路送至负载的功率衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做

51、中介回路的传输效率叫做中介回路的传输效率 k，简称，简称中介回路效率。中介回路效率。C1L1rr1ik从回路传输效率高的观点来看，应使从回路传输效率高的观点来看，应使QL尽可能地小。尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于值一般不应小于10。在功率很大。在功率很大的放大器中，的放大器中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。0111111QQRRrLppkrrrrr故有故有:rrrrrr 11111110111 LQQCLRLQQCLRLpp值值有有负负载载时

52、时的的回回路路抗抗有有负负载载时时的的回回路路谐谐振振阻阻值值无无负负载载时时的的回回路路抗抗无无负负载载时时的的回回路路谐谐振振阻阻M M变化对工作状态的影响变化对工作状态的影响A22111111pRMCL)(CLRrrrA22RM r欠压过压0临界Ic 1Ic 0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp负载特性曲线负载特性曲线cpppp p p p p p AAPA-PA-天线功率天线功率PoPo集电极集电极输出功率输出功率功率功率P=-P=-电源供给功率电源供给功率 k - -中介回路效率中介回路效率 c - -集电极效率集电极效率总效率总效率1. 160MHz1. 160MHz，13W

53、13W谐振功率放大电路谐振功率放大电路 放大器的功率增益达放大器的功率增益达9dB9dB，可向，可向5050 负载供出负载供出13W13W功率，电路如图所示。功率，电路如图所示。50C117pL116nH3DA107Lc280nH Lb280nHC245pVCC+28VCc0.01L297nHC316pC410p5013W基极采用自给偏置电路基极采用自给偏置电路，I Ib0b0在在L Lb b的直流电阻上产生很小的负向偏置电压，的直流电阻上产生很小的负向偏置电压，C C1 1、C C2 2、L L1 1构成构成T T型匹配网络，调节型匹配网络，调节C C1 1和和C C2 2，使本级的输入阻抗

54、等于前级放大器所要使本级的输入阻抗等于前级放大器所要求的求的5050 匹配电阻匹配电阻，以传输最大的功率。以传输最大的功率。集电极采用并馈电路。集电极采用并馈电路。L LC C为高频扼流圈为高频扼流圈，C CC C为高频旁路电容。对于交流信号，为高频旁路电容。对于交流信号，放大器的输出端采用放大器的输出端采用L L型匹配网络，调节型匹配网络，调节C C3 3、C C4 4可使可使5050 的负载阻抗变换为功率放的负载阻抗变换为功率放大管所要求的最佳匹配阻抗大管所要求的最佳匹配阻抗R Rp p。5.5 5.5 谐振功率放大器实例谐振功率放大器实例 2. 50MHz2. 50MHz，25W25W调

55、谐功率放大电路调谐功率放大电路 放大器的功率增益为放大器的功率增益为7dB7dB，可给，可给5050 负载输出负载输出25W25W功率，功率，电路如图所示。电路如图所示。50C114150pL13DA100L2 LbC290400pVCC13.5VCcL3C332250pC432250p5025W本电路基极部分与上图相同，集电极的馈电是串馈形式，本电路基极部分与上图相同，集电极的馈电是串馈形式，L2不不是高频扼流圈，而是网络元件，是高频扼流圈，而是网络元件，L2、L3、C3、C4构成构成 型匹配网络。型匹配网络。 在发射系统中常采用晶体管丙类倍频器来获得所需要的发射信在发射系统中常采用晶体管丙

56、类倍频器来获得所需要的发射信号频率。号频率。采用倍频器的原因：采用倍频器的原因：(1)降低主振器的频率，对频率稳定指标是有利的。降低主振器的频率，对频率稳定指标是有利的。(2) 为了提高发射信号频率的稳定程度，主振器常采用石英晶体为了提高发射信号频率的稳定程度，主振器常采用石英晶体振荡器，但限于工艺，石英谐振器的频率目前只能达到几十振荡器，但限于工艺，石英谐振器的频率目前只能达到几十MHz，为了获得频率更高的信号，主振后需要倍频。为了获得频率更高的信号，主振后需要倍频。(3) 加大调频发射机信号的频移或相移，即加深调制度。加大调频发射机信号的频移或相移，即加深调制度。(4) 倍频器的输入信号与

57、输出信号的频率是不相同的，因而可削倍频器的输入信号与输出信号的频率是不相同的，因而可削弱前后级寄生耦合，对发射机的稳定工作是有利的。弱前后级寄生耦合，对发射机的稳定工作是有利的。(5)展宽通频带展宽通频带倍频器常有三种形式：倍频器常有三种形式：1、乘法器实现倍频；、乘法器实现倍频；2、丙类放大器倍频，、丙类放大器倍频，3、参量倍频器，是、参量倍频器，是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来实现倍频。利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来实现倍频。5.6 晶体管倍频器晶体管倍频器载 频振荡器放大或倍频器调制器16.333MHz16.333MHz49MHz丙类倍频器丙类倍频器5.6.1原理框图原理

58、框图某系统发射信号频率为某系统发射信号频率为49MHz，该频率由，该频率由16.333MHz三三倍频而来。倍频而来。16.333MHz振荡器输出接激励级，若将输出负载振荡器输出接激励级，若将输出负载回路调谐在三次谐波频率上即可得到回路调谐在三次谐波频率上即可得到49MHz的发射频率。其的发射频率。其如图所示。如图所示。C1vsRbReC2CLC3vo+VCC5.6.2晶体管丙类倍频电路与工作原理晶体管丙类倍频电路与工作原理丙类倍频器的基本电路如图所示。丙类倍频器的基本电路如图所示。 Rb_自偏电阻，也可用高频扼流圈代之，自偏电阻，也可用高频扼流圈代之，C2导通角导通角L、C是调谐回路，调谐在输入信号的某次谐波是调谐回路，调谐在输入信号的某次谐波频率上。频率上。n2.01.00.50.40.30.20.1020 40 60 80100c10180120160100123140丙类倍频器工作在丙类，因为丙类放大器的集电极电流丙类倍频器工作在丙类，因为丙类放大器的集电极电流ic是一脉冲波形，电流含有输入信号的基频和高次谐频。输出回是一脉冲波形，电流含有输入信号的基频和高次谐频。