第3章 高频功率放大器

BB
iC
uBE
t
Ubm=Uim-UBB
(b)

t
iB
图3.1.3 谐振功率放大器输入、输出 电压、电流波形
由于ic g U im cos t U BB U j 可知：
当t 时，有uBE U im cos t U BB U j，ic 0； 当 t 时，有uBE U im cos t U BB U j，ic 0； 当 t 时，有u BE U im cos t U BB U j，ic 0；
例3.1.1 某放大器集电极直流电源电压U cc 12V , 管子饱和压降为1V，
1 设 =1.8 1.9,试计算集电极电压利用系数及集电极效率。 0
解： U cm 12 -1 11V U 11 电压利用系数为： cm 0.915 U CC 12 1 1 U cm 1 集电极效率为：c 1.8 ~ 1.9 0.915 0.82 ~ 0.87 2 0 U CC 2 做一个对比： 甲类放大器 180，查曲线可知， 1 1 1 故有c 1 0.915 0.407 2 可见丙类放大器的效率比甲类高一倍。
图3.1.1 两类放大器波形图
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工作状态
根据电流导通角的不同，功率放大器一般分为以下几类：
表 3.1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 导通角 c=180 c=90 90＜c＜180 c＜90 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
BB
iC
uBE
t
Ubm=Uim-UBB
(b)

t
iB
图3.1.3 谐振功率放大器输入、输出 电压、电流波形
设输入电压为：ui U im cos t , 则有：uBE U im cos t U BB
从上图可见，只有ui U BB U j时，晶体管才导通。


Uim
ui
0 iC (a) 0 uCE UCC UCEmin 0
Po=Pdc-Pc
图3.1.5 几种功率间的关系
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2、集电极效率
晶体管转换能量的效率即为集电极效率c： PO U cm I c1m 1 U cm 1 I c max 1 1 U cm 1 1 c 1 Pdc 2U CC I co 2 U CC 0 I c max 2 0 U CC 2 0 PO U cm I c1m 2 U 上式说明c与 1 、 cm 成正比。 0 U CC Pdc U CC I co


Uim
ui
0 iC (a) 0 uCE UCC UCEmin 0

t
(c)
t

t
(d)
t
(e)
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集电极余弦电流分析
可先求得余弦脉冲电流的幅度I c max，然后对ic 表达式进行变换。 首先:ic g U im cos t U BB U j ,由于 cos 所以有：ic gU im cos t cos U j U BB U im
当t 0时，电流ic为最大值，以I c max 表示：I c max gU im 1 cos 将余弦脉冲电流的幅度I c max 代入ic gU im cos t cos ，则有：
ic I c max 1 cos 显然它完全决定于脉冲高度I c max 和通角。
对应于直流分量、基波分量、n次谐波分量的函数，分别用分解系数
0、1 n 表示，即：
0 ( )
sin cos
1 cos
, 1 ( )
sin cos 2 sin n cos n cos n sin , n ( ) 1 cos n n 2 1 1 cos
cபைடு நூலகம்
Ubm
Icmax 故回路输出的基波电压： t ui uc1 CEc1 R p uc1 UCC
Icmax θc
ic
ic1
ic2 i c3
Ico ωt
I cm1 R p cos t U cm cos t
Ucm t
θc
C 而晶体管集电极的输出电压： uCE U CC U cm cos t
RL 则有：u BE U im cos t U BB
故：ic g U im cos t U BB U j
+ UCC
图3.1.2 高频调谐功放基本电路
上图中，UCC是直流电源电压，UBB是基极偏置电源电压。
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三、晶体管的导通特点
iC 转移特性 iCmax -UBB 0 Uj uBE Uj -U 0
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将几个常用分解系数 与 的 关系绘制成上图，由已知的 可查出相应的 值。
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ic I co I c1m cos t I c 2 m cos 2t I cnm cos nt
ic Icmax θc θc
ic1
ic2
ic3
Ico ωt
图3.1.4 集电极电流各次谐波分量波形
ic
uBE Uj -UBB
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g ic 经 LC 并联谐振回路后， 此回路对基波产生谐振， 呈纯电阻 RP
ui
t
U u （最大值） ，而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因而回路选出 ib
C
Ubm
-UBB •
•
j
BE
C
ui
基波电压 uc1 ，而滤除各次谐波电压。 t i

t
(c)
t

t
(d)
t
(e)
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四、集电极电流分析
晶体管工作情况与频率关系很大，通常将其工作频率分为 三个区域：
低频区：f 0.5 f 中频区： f f 0.2 fT 0.5 高频区： fT f fT 0.2 其中：f 为截止频率；fT 为特征频率。
2
，其中n 2,3,
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谐振时阻抗模为： e ( jn0 ) Z 又 QL 1,故 Z e ( jn0 )
R 1 2QL (n 1) R
2 2
，其中n 2,3, R 2QL (n 1)
1 2QL (n 1)

由上式可见n越大，阻抗越小，因此与基波相比，集电极电流 各次谐波分量在回路端产生的压降可以忽略，而对于直流分量， 由于回路电感支路的阻抗很小，其直流压降也可忽略。所以， 虽然集电极电流是余弦脉冲，但借助于槽路的选频作用，仍可 获得基本余弦的电压输出。
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回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。
– + – + + – iL
C
L
ic + –
LC回路能量转换过程
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六、谐振功率放大器的功率关系和效率
1、几种功率及其联系 调谐功率放大器有如下五种功率需要考虑： 电源供给的直流功率Pdc；
晶体管集电极输出功率PO； 负载的交流功率PL； 晶体管损耗功率PC； 槽路损耗功率PT 。
0 称为直流分量分解系数，直流分量电流幅值I co为： I c 0 0 ( ) I c max 1称为基波分量分解系数，基波分量电流幅值I c1m为： I c1m 1 ( ) I c max n 称为n次谐波分量分解系数，n次谐波分量电流幅值I cnm为： I cnm n ( ) I c max , 显然 n ( ) I cnm I c max 。
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。 功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。
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二、基本原理电路
ic ib + ui – uBE E – – + UBB +
N1
M
N2
输入信号为：ui U im cos t
uCE – ie –
C
N0 L
输出 临界方程：ic g u BE U j
1 其中 称为集电极电流利用系数,它是 的函数,通常为了兼顾输 0
出功率和效率两方面，通常取 =70 ~ 80 。 U cm 为集电极电压利用系数，当U cm 增大时， 也增大，从而使 U CC
c 提高，但电压利用系数有极限值，为1，一般 范围在0.9 1之间。
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i 频谱
+ ui -
+ uBE
_
+ uCE C -
ic
Rp
L
uc1 +
LC回
0

2
3
路阻 抗
Rp
UBB
UCC

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五、槽路电压分析 根据已学过的并联谐振回路知识，可知集电极谐振回路 即槽路的阻抗可以表示为： R ic Z ( j ) 0 1 2 jQL + M 0
cos t cos ——尖顶余弦脉冲的解析式
电流ic的傅氏级数展开式为： ic I co I cnm cos nt
n 1
直流分量电流幅值I co为： I co 1 2 1 ic d t 2



I c max
cos t cos sin cos d t I c max 1 cos 1 cos
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