高频电子线路(第六章-功率放大器)

第六章

高频功率放大器电路性质：非线性放大器种类：丙类基础知识：折线分析法1本章的知识结构§6.1概述§6.2工作原理（重点）§6.3功率放大器的折线分析法（重点）一定要彻底吃透2本章知识的特点知识特点变量较多、题型非常灵活多变三极管不再单纯处于工作区必须熟练掌握折线法学习方法一定要把教材208页的波形图彻底理解先画图再做题，理清变量关系。熟练掌握3§6.1概述（1）使用高频功放的目的（2）功率放大器使用中需解决的两个问题（3）高频功率放大器的种类（4）高频功放与小信号放大器的比较（5）高频功放与低频功放的区别（6）工作状态（7）高频功放的主要技术指标4（1）使用高频功放的目的从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分无线发射机无线接收机目的：放大高频大信号,使发射机末级获得足够大的发射功率。5（2）功率放大器使用中需解决的两个问题①高效率输出②高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。联想对比：6（3）高频功率放大器的种类谐振功率放大器（学习重点）特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末级；不易于自动调谐。宽带功率放大器（了解即可）特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带内对高频信号进行功率放大；功率增益有限，一般用于中小功率级。7（4）高频功放与高频小信号放大器的比较高频小信号放大器高频功放电路性质线性非线性应用场合发射机送给功放的信号接收机天线送来的信号发射机末端放大器类型甲类丙类集电极输出波形与输入信号一致余弦脉冲设计的目的信号波形放大、传输将电源的能量尽可能以信号的形式输出最关心的指标电压增益效率8icebtooictVBZ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。不同之处：谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图icQebtooict（4）高频功放与高频小信号放大器的比较9激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。（5）高频（谐振）功放与低频功放的区别低频功放高频功放工作频率音频射频应用场合接收机末端发射机末端负载纯电阻LC谐振回路放大器类型甲类或乙类丙类相同之处：要求输出功率大、效率高。不同之处：工作频率、相对频宽、放大器负载、放大器的工作状态不同。10（6）工作状态三极管四种工作状态

根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分乙类：导通角等于180°甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于180°丙类：导通角小于180°11（6）工作状态表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

qc=180°

50%

电阻

低频

乙类

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低频，高频

甲乙类

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低频

丙类

qc＜90°

h＞78.5%

选频回路

高频

丁类

开关状态

90%~100%

选频回路

高频

功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。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；

谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(

c＜90

)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。12（7）高频功放的主要技术指标主要指标：输出功率效率（将电源能量转换成输出信号能量的能力）大家应当了解的工程指标谐波场强2ω0的场强与ω0的场强之比小于万分之二在发射机1km处2ω0的场强小于50(uV/m)谐波功率（小于25mW）13§6.2谐振功率放大器工作原理§6.2.1获得高效率所需要的条件（1）为什么谐振功率放大器要处于丙类？不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率14Pc与ic和Vc的关系+Vc-icPc的瞬时功率为ic和Vc的乘积15甲类、乙类、丙类放大器的演示16为什么在丙类时Pc最小可见丙类放大器的Pc最小，效率最高17直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。高频功放提高效率的途径：（1）工作在丙类工作状态；（2）在（1）的前提下，ic最大，vc最小（二者倒相）。18（2）谐振功放的基本电路为什么必须以LC回路作为负载？首先，为了提高功放效率，在基极回路加入了反向偏置电压VBB，从而使放大器处于丙类。因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲（原因参见第五章折线法，或看前两页的Flash）19vBiC近似为vBiC（2）谐振功放的基本电路考虑在流通角内20余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加ωticωtωtωt21通过LC回路,滤去无用分量，只留下Icm1cosωt分量22回路失谐可能造成什么后果?从输出信号和三极管两个角度来分析对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失真；对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管可能由于功率过大而烧毁。23（3）电路图中各变量关系及波形分析分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲vBEiCtiC

t24分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加等效为了分析更清晰，先假设没有抽头由于LC的选频作用25分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vCtvC26vBE、iC、vC的相位关系27分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出28分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）可以看出，vBEmax最大时，iC最大值iCmax，vC最小值vCmin29晶体管内部特性：30外部电路关系：§6.2谐振功率放大器工作原理（4）对2个问题的解释问题一（可能会引起同学们困惑的问题）为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续的?问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题中又需要θc

）半流通角θc通常取多大比较合适?31问题一：为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续的?如果能从频谱的角度来理解最好，即ic是有很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余弦分量Icm1cosωt另外一种理解方法是：LC具有储能作用，当ic为0时，由于C上电压不能突变，所以在LC之间来回充放电，可以用自行车飞轮或一个单摆来比喻。3233LC回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由L、C二个储能元件组成。

由于这种周期性的能量补充，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衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。（1）截止进入导通时：L的电流不能突变，对C充电。直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。（2）晶体管截止：C上电压不能突变，通过L进行放电。将LC比喻成单摆如果把单摆摆到左边比喻成能量储存到电感，则单摆摆到右边可比喻成能量储存到电容，要是单摆持续摆动，不需要手一直推，而在适当的时候推很短的一下（可比喻成ic

）即可。34问题二：半流通角θc通常多大合适?如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率太低；如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出功率的绝对值太小（因为ic脉冲太低）；这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常取3536§6.2.2功率关系和效率§6.2.2功率关系和效率余弦电流脉冲ic可分解为付立叶级数：3738tvC3940谐振功放的特点（1）放大高频大信号，属于非线性工作状态；（2）基极偏置为负值，

c＜90

，丙类（3）电流脉冲是尖顶余弦脉冲；（4）负载是LC谐振回路。§6.3功率放大器的折线分析法§6.3.1晶体管特性曲线理想化及表达式

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。

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Ic0和基频分量Icm1。41421、输出特性折线化若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为ic=gcrec431)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。

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：3)临界工作状态：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。2)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，交流输出电压较高且变化不大。442、转移特性折线化§6.3.2集电极余弦脉冲电流ic分解iC

t在第五章的折线分析法中我们已经得到从第五章可知它为cosθc从第五章可知它为iCmax45§6.3.2集电极余弦脉冲电流iC分解46§6.3.2集电极余弦脉冲电流iC分解同理可得其中：要求掌握不要求掌握47θc对高频谐振功放效率的影响余弦脉冲的分解系数48θc对高频谐振功放效率的影响余弦脉冲的分解系数495051§6.3.3高频功放动态特性及负载特性1.动态特性

高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。

为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。

在考虑了负载的作用后，所获得vC、vBE与ic的关系曲线叫做动态特性曲线。

当vC、vBE同时变化时，ic—vC关系的动态特性曲线。（负载线）t521.动态特性外部电路关系负载线的表达式t代入53画出负载线iCt三极管工作三极管截止54功放随时间变化的Flash演示55负载线的Q点（注意是虚拟的）56—虚拟电流57iCt三极管工作三极管截止负载线的A点第五次作业教材P272页习题6.2习题6.3习题6.458对负载线的简要复习59从“时间t”的角度画出并理解负载线iCvC工作区截止区工作区截止区iCvC工作区截止区工作区截止区vCtVCCvCtVCCvCtVCCvCtVCCvCtVCCvCiC60例题6.1一高频谐振功放,已知求：61例题6.1(解)62例题6.1(解)63642.负载特性

如果VCC、VBB、Vbm3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。放大器的三种工作状态之欠压状态iCt65放大器的三种工作状态之临界状态iCt66临界状态的特点(1)往往利用这些特点来解题。iCvC67临界状态的特点(2)iCt做题时常用此方法68放大器的三种工作状态之过压状态iCt三极管工作区三极管饱和区69三种状态的波形汇总70例题6.2一高频谐振功放处于临界状态,且已知求71例题6.2(解)72例题6.2(解)iCt73例题6.2(解)74例题6.2(解)75功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）vBEmaxicvCIcm1Ic0VcmRp欠压区过压区临界态76功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）Icm1Ic0VcmRp欠压区过压区临界态Rp欠压区过压区临界态P=PcPo77三种状态的小结（欠压状态特点）

欠压状态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。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。78三种状态的小结（临界状态特点）临界状态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。79三种状态的小结（过压状态特点）过压状态的优点是，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，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。80

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指标是很有帮助的。负载特性的动画演示81§6.3.4各极电压对工作状态的影响821.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响831.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响临界过压区欠压区841.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响852.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响862.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响临界欠压区过压区872.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响883.其他条件不变,VBB改变对工作状态的影响89各变量对功放状态影响的总结例题6.3一个谐振功放处于过压状态，如果想把它调到临界状态，可以采取哪些措施？90过压和欠压状态的一个重要特点

（做题时常用）过压状态下：欠压状态下：91例题6.4已知一高频功放处于临界状态,输出功率为10W，Vcc=12V，半流通角为70度,集电极电压利用系数为0.96，且α1=0.44，α0=0.25(1)求P=、Pc、ηc、Rp(2)若Vbm增加一倍Po=?92例题6.4(解)方法一：从Vcm和Icm1入手方法二：从ηc入手（后面的步骤略）9394总结—谐振功率放大器的计算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：1)首先要求得集电极电流脉冲的两