[理学]3-高频功率放大电路(1)讲解学习
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高频功率放大电路
Ic1mIcm (1 sic n co o )s sIc m1()
Icn I m cm 2 sn n in ( c n 2 o 1 )2 1 n s (s cio c ) nn o s s Icm n ()
2020/12/8
17
α称为余弦电流脉冲分解系数。α0(θ)为直流分量分解系数； a1(θ)为基波分量分解系数；an(θ)为n次谐波分量分解系数。
IgcmUbm(1cos)
16
❖由傅立叶级数知识知周期性脉冲可以分解成直流、 基波 (信号频率分量)和各次谐波分量，
即： I I c 0 I c 1 m ct o I c 2 m c s2 o t I s cc nn m o t s
其中：
Ic0Icm si(1n c co o )s sIcm 0()
（3）负载电阻R∑继续增加，输出电压进一步增大，即进 入过压工作状态。动态线3就是这种情形。其波形发生发生
凹陷，是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。
2020/12/8
27
Ucm Ic1m Ic0
0 欠压 临界 过压 (a)
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η
PD PO
PC
0 欠压 临界 过压 (b)
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现将三种工作状态的优缺点综合如下： 作为末级功放，要求输出足够大的功率和具有较高的效率， 显然采用临界工作状态是合理的。
❖当晶体管确定以后，Ucm与UBB、UCC、 R∑和Ubm四个 参数都有关系。
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21
下图所示为折线化转移特性和输出特性曲线：
动态线
ic
转移特性
UBB O
斜率 g
Uon
uBE
uBE
ic
第三章 高频功率放大电路
IC0=ICmα0(θ), Ic1m=ICmα1(θ), Ic2m=ICmα2(θ), …
其中α0(θ), α1(θ), α2(θ), …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
波形系数 g 1( ) a1 ( ) a0 ( ) 若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/VCC, 可以得到集电极效率 和输出功率的另一种表达式:
串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地的 分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片 不能直接接地, 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点 正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们对地的分布 电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、 C元件可接地, 故安装调整方便。
根据被放大信号的相对频带的宽窄：
2 1、窄带高频功放： f 0.7 / 为选频网络；
f 0 0.1 ；丙类，LC谐振回路
2 2、宽带高频功放： f 0.7 / 器为匹配网络。
f 0 0.3 ；甲类，传输线变压
第二节 线性高频功率放大器
A类和推挽电路形式的B类高频功放工作在线性放大状 态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或 相位。 A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真； B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。
ic Ic 0 Ic1m cos w0t Ic 2 m cos 2w0t ... 1 2 I cm I cm cos w0t I cm cos 2w0t ... 2 3
在Ucm=VCC时效率最高：
1
1 I 1 2 cm 78.5% 2 1I 4 cm
VCC uCE u BE VBB U bm U Cm iC=-gd(uCE-U0) U bm VccU bm VBBU cm U onU cm gd g ,U 0 U cm U bm
其中α0(θ), α1(θ), α2(θ), …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
波形系数 g 1( ) a1 ( ) a0 ( ) 若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/VCC, 可以得到集电极效率 和输出功率的另一种表达式:
串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地的 分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片 不能直接接地, 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点 正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们对地的分布 电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、 C元件可接地, 故安装调整方便。
根据被放大信号的相对频带的宽窄：
2 1、窄带高频功放： f 0.7 / 为选频网络；
f 0 0.1 ；丙类，LC谐振回路
2 2、宽带高频功放： f 0.7 / 器为匹配网络。
f 0 0.3 ；甲类，传输线变压
第二节 线性高频功率放大器
A类和推挽电路形式的B类高频功放工作在线性放大状 态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或 相位。 A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真； B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。
ic Ic 0 Ic1m cos w0t Ic 2 m cos 2w0t ... 1 2 I cm I cm cos w0t I cm cos 2w0t ... 2 3
在Ucm=VCC时效率最高：
1
1 I 1 2 cm 78.5% 2 1I 4 cm
VCC uCE u BE VBB U bm U Cm iC=-gd(uCE-U0) U bm VccU bm VBBU cm U onU cm gd g ,U 0 U cm U bm
高频功率放大电路
当负载回路处于谐振状态时，有：
ube Eb Ubm cost uce Ec Ucm cost
由以上两式可得：
ube
Eb
Ubm
EC uce U cm
(4-13)
第4章 高频功率放大电路 19
将（4-13）代入（4-12）有：
ic
gc ( Eb
Ubm
EC uce U cm
Vth )
第4章 高频功率放大电路 25
➢ 过压状态下的ic的波形如下图所示，从图中看出： 1、特性曲线与临界曲线重合 2、电流凹陷：Rp负载过大，Ucm过大，uce减小，ic随之迅速减小。
第4章 高频功率放大电路 26
四、高频功放的外部特性 外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。
负载电阻Rp
激励电压Ubm
1．高频功放的负载特性
偏置电压Eb Ec
负载特性: 只改变负载电阻Rp, 高频功放电流、 电压、 功率及 效率η变化的特性。
第4章 高频功率放大电路 27
下图是反映不同负载时的动态特性曲线。
ic max
Rp
ic max
Ec Eb
Rp 斜率gd 谐振放大器的工作状态由欠压 临界 过 压逐步过渡。
P0
1 2
I c1mU cm
1 2
I R 2 c1m p
1 2
U
2 cm
Rp
(4-8)
➢ 集电极损耗功率PPcc为：Pd P0
(4-9)
第4章 高频功率放大电路 13
➢ 集电极效率η为：
其中：
P0 1 Ic1m Ucm
Pd 2 Ic0 Ec
1 2 g1
(4-10)
g1
Ic1m Ic0
ube Eb Ubm cost uce Ec Ucm cost
由以上两式可得：
ube
Eb
Ubm
EC uce U cm
(4-13)
第4章 高频功率放大电路 19
将（4-13）代入（4-12）有：
ic
gc ( Eb
Ubm
EC uce U cm
Vth )
第4章 高频功率放大电路 25
➢ 过压状态下的ic的波形如下图所示，从图中看出： 1、特性曲线与临界曲线重合 2、电流凹陷：Rp负载过大，Ucm过大，uce减小，ic随之迅速减小。
第4章 高频功率放大电路 26
四、高频功放的外部特性 外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。
负载电阻Rp
激励电压Ubm
1．高频功放的负载特性
偏置电压Eb Ec
负载特性: 只改变负载电阻Rp, 高频功放电流、 电压、 功率及 效率η变化的特性。
第4章 高频功率放大电路 27
下图是反映不同负载时的动态特性曲线。
ic max
Rp
ic max
Ec Eb
Rp 斜率gd 谐振放大器的工作状态由欠压 临界 过 压逐步过渡。
P0
1 2
I c1mU cm
1 2
I R 2 c1m p
1 2
U
2 cm
Rp
(4-8)
➢ 集电极损耗功率PPcc为：Pd P0
(4-9)
第4章 高频功率放大电路 13
➢ 集电极效率η为：
其中：
P0 1 Ic1m Ucm
Pd 2 Ic0 Ec
1 2 g1
(4-10)
g1
Ic1m Ic0
高频功率放大器的基本原理(一)
高频功率放大器的基本原理(一)高频功率放大器的基本原理1. 什么是高频功率放大器高频功率放大器是一种用于增强高频信号幅度的电子设备。
它通常用于无线通信、雷达、高频电视和天线系统等领域。
高频功率放大器可以将低功率的高频信号放大到足够大的功率，以便传输和处理。
2. 高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理可以简单分为三个步骤：放大输入信号、增加信号的功率和输出放大后的信号。
2.1 放大输入信号高频功率放大器的第一个任务是放大输入信号。
它通常使用晶体三极管（BJT）或场效应晶体管（FET）作为放大器的关键元件。
这些元件根据输入信号的幅度和频率变化进行放大操作。
2.2 增加信号的功率放大后的信号仍然可能是低功率的，因此高频功率放大器的下一个任务是增加信号的功率。
这一步骤通常通过使用功率放大器级联来实现。
级联多个放大器可以将信号功率从较低级别逐步增加到所需的功率级别。
2.3 输出信号在增加信号的功率之后，高频功率放大器将输出放大后的信号。
这个信号可以被用于进一步的处理或传输。
输出信号的幅度将取决于放大器的设计和配置。
3. 高频功率放大器的关键考虑因素在设计高频功率放大器时，需要考虑一些关键因素来确保性能和稳定性。
3.1 频率响应高频功率放大器应该能够在指定的频率范围内提供稳定的放大。
对于不同的应用，频率范围和响应要求会有所不同。
3.2 功率输出高频功率放大器应该能够提供足够的功率输出，以满足特定应用的需求。
功率输出的大小通常由设备和系统的要求来确定。
3.3 效率高频功率放大器的效率是指输入功率与输出功率之间的比率。
高效率的放大器能够最大限度地利用输入能量，减少能量浪费。
3.4 线性度高频功率放大器的线性度是指输出信号与输入信号之间的线性关系。
较好的线性度可以保持输入信号的准确度和完整性。
3.5 稳定性高频功率放大器的稳定性是指在各种工作条件下保持良好的性能。
它应该能够在不出现振荡或失真的情况下工作。
第3讲 高频功率放大电路的工作原理
高频功率放大电路的工作原理
3.2.2 相关计算 1、谐振时的阻抗
Re Qe0 L
2、谐振阻抗上的电压峰值
Vcm Re I c1m
3、功率
PD I c 0 VCC
2 Vcm 1 2 1 PO I c1m Re Vcm I c1m 2 Re 2 2
PC PD PO
高频功率放大电路的工作原理
改善失真的方法 推挽工作方式 负载电阻上电压 交越失真
高频功率放大电路的工作原理
3.2 丙类谐振功率放大电路
3.2.1 工作原理
为提高效率，使三极管工作在截止区的时间
进一步延长，导通角小于 90 ，静态工作点位于
I B 0 下方，即形成丙类工作状态。
此时, 集电极电流 iC 波形严重失真，是尖顶 余弦脉冲,在负载电阻上进行波形合成已不能满 足波形不失真的要求。
高频功率放大电路的工作原理 甲类 乙类 丙类
静态 工作点
导通角
工作在截止区 的时间不断延长 效率不断提高
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高频功率放大电路的工作原理
在甲类工作状态时, 为保证不失真, 必须 满足 Ic1m≤IC0, 又 Ucm≤VCC(忽略晶体管饱和压 降), 所以最高效率为50%。
1 I c1mU cm PO ＝ 2 50% PD I COVCC
高频功率放大电路的工作原理
集电极电流余弦脉冲
思考 减小导通角提高效率的同时，对输出功 率有何影响？
高频功率放大电路的工作原理
减小导通角可以提高效率，输入信号不变时
集电极余弦脉冲电流高度降低，从而使输出功率
降低。
为此，应加大输入信号的幅度，但此时反向
偏臵的电源电压也相应增大，最终会导致三极管 不能安全工作。 注意 停止iC 的变化，考虑减小uCE
高频电子线路第三章高频功率放大器(上课)-精品课件.pptx
输入为大信号
要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状 态
效率要高
非线性失真要小
BJT的散热问题
E
(管子的保护)
2. 分类
流通角:一个周期内 有电流流通的相角.
(a)甲类 class-A amplifier
(b)乙类 class-B amplifier
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
3.要解决的问题 提高输出功率 提高效率 管子的保护 减小失真（线性度）
C
输出功率 直流电源提供的直流功率
=
Po = P
Po Po PC
P (直流电源功率) = Po (交流功率) PC (直流功耗)
4. 效率与失真矛盾的解决
丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。
临界：Po最大，ηc较高； 发射机末级 最佳工作状态
End
例：有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做 成的谐振功率放大器，已知Vcc=24V，Po=2W,工作频 率1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其 有关参数为：
fT 70MHz, Ap 13dB, IcM 750mA,
VCE(sat) (集电极饱和压降) 1.5V，PCM 1W
81%
一、直流馈电电路
要想使高频功率放大器正常工作，晶体管 各电极必须有相应的馈电电源。无论是集电极 电路还是基极电路，它们的馈电方式都分为串 联馈电和并联馈电。但无论哪种馈电方式，都 应该遵循下列几条基本组成原则：
（1）直流电流IC0是生产能量的源泉，它由VCC经管外 电路输至集电极，应该是除了晶体管的内阻外，没有其 他电阻消耗能量。因此要求管外电路对直流来说等效电 路如图（a）所示。
第三章---高频功率放大器知识讲解
R
i(t) v(t) R
V 1msin1tV 2msin2t
R
输出电流中仅含ω１、ω２两个频率。
高频电子线路
若把它加到非线性元件 i v 2 上，则：
R
i(t) v(t)2
R
R 1 ( V 1 2 m s2 i1 t n V 2 2 m s2 i2 t n 2 V 1 m V 2 m si 1 ts ni 2 t ) n
高频电子线路
在电子技术中一些非常重要的现象和过程都属 于非线性现象和参量现象，工程上为了简化计算， 较多的场合不用求解微分方程，而采用一些近似 分析方法。 3.2.1非线性元件的特性
(1)、非线性电阻器
直流电阻
R Vo 1
Io tg
线性电阻器特性
高频电子线路
静态电阻 R Vo 1
Io tg
V2 1m (1c
2R
o2s1t)V 22R 2m(1c
o2s2t)
2V1mV2m[c R
o s1(2)t
c
o s1 (2)t]
可见，输电流中出现新频率：直流、２ω１、２ω２、 ω１＋ω２、ω１－ω２
高频电子线路
(3) 、非线性电路不满足叠加原理
对于非线性元件
i v2 R
，若 v 1 V 1 m sin 1 t
在输入信号很大时，非线性元件的特性可用折线 近似，如三极管的转移特性可用折线近似：
ic 0 ic g c (v B v Bz )
(v B v Bz ) (v B v Bz )
三极管的转移特性可用折线近似 高频电子线路
高频电子线路
3.3 谐振高频功率放大器原理
3.3.1.基本电路 3.3.2.工作状态
vb
i(t) v(t) R
V 1msin1tV 2msin2t
R
输出电流中仅含ω１、ω２两个频率。
高频电子线路
若把它加到非线性元件 i v 2 上，则：
R
i(t) v(t)2
R
R 1 ( V 1 2 m s2 i1 t n V 2 2 m s2 i2 t n 2 V 1 m V 2 m si 1 ts ni 2 t ) n
高频电子线路
在电子技术中一些非常重要的现象和过程都属 于非线性现象和参量现象，工程上为了简化计算， 较多的场合不用求解微分方程，而采用一些近似 分析方法。 3.2.1非线性元件的特性
(1)、非线性电阻器
直流电阻
R Vo 1
Io tg
线性电阻器特性
高频电子线路
静态电阻 R Vo 1
Io tg
V2 1m (1c
2R
o2s1t)V 22R 2m(1c
o2s2t)
2V1mV2m[c R
o s1(2)t
c
o s1 (2)t]
可见，输电流中出现新频率：直流、２ω１、２ω２、 ω１＋ω２、ω１－ω２
高频电子线路
(3) 、非线性电路不满足叠加原理
对于非线性元件
i v2 R
，若 v 1 V 1 m sin 1 t
在输入信号很大时，非线性元件的特性可用折线 近似，如三极管的转移特性可用折线近似：
ic 0 ic g c (v B v Bz )
(v B v Bz ) (v B v Bz )
三极管的转移特性可用折线近似 高频电子线路
高频电子线路
3.3 谐振高频功率放大器原理
3.3.1.基本电路 3.3.2.工作状态
vb
高频功率放大电路结构和工作原理
1.1 高频功率放大电路的分类 2、按功放电路的负载分类 （2）宽带功率放大电路 以宽带传输线变压器为负载的，称为宽带功率放大电路
1、传输线变压器既是功放电路的负载，同时又起着将高频 信号传输到下一级的作用。
2、传输线变压器没有选频的作用，同时又有很好的频率特 性，其上限频率可以扩展到几百兆赫乃至几千兆赫。
ui U im Cost
基极静态偏置电压为UBQ，加入信号电压后，加在发射结之 间的总电压是交流信号ui和直流偏置电压之和，因此基极发射极间电压为
uBE U BQ U im Cost
式中UBQ是基极静态电压，Uim是余弦波的峰值
1、纯电阻为负载的C类功率放大电路
工作原理：
讨论工作原理的做法是：求出输入信号ui为余弦波时集电极
也可以根据功率电平值求出电路的绝对功率值，以dBm为例，
设一功放电路的功率电平等于Px（单位dBm），则其绝对功
率P等于
P 100.1PX mW
例如，电路功率电平Px=20dBm，代入上式，可求得其绝对 功率为100mW。
1.2 高频功率放大电路的主要技术指标
4、效率η
功率放大电路的效率定义为输出信号功率与电源供 给功率之比。
1.2 高频功率放大电路的主要技术指标
2、输出功率Po 设 一 个 射 频 功 放 电 路 的 输 出 功 率 为 P ， 定 义 P 与 1mW( 或 1W)比值的对数乘10为该电路以dBm（或dBW）为单位的 功率值，该输出功率的功率电平为
功率电平（dBm） 10lg( p /1mW )
功率电平（dBW） 10lg( p /1W )
高频功率放大电路结构和工作原理
1.1 高频功率放大电路的分类
2、按功放电路的负载分类 （1）窄带功率放大电路 以选频网络为负载的功放电路，称为窄带功率放大电路。
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3
甲类：在输入信号的整个周期中，集电极都有电流流通的 放大器称为甲类放大器，此时电流导通角为180o；
ic 转 移 特 性
ic
QA
UBB>Ubm+Uon
O
Uon UBB uBE
U bm
甲类
ωt
信号无失 真放大
2020/6/11
4
乙类：在输入信号的整个周期中，只有输入信号正半周集 电极有电流流通，此时电流导通角为90o；
PD＝UCCIC0
交流功率Po： P OIc1 U c1 2Ic1m U cm 1 2I2c1m R
集电极效率η：
PO 1 Ic1mUc D (1)
实现大功率、高效率的途径：
➢增大输入信号振幅
➢降低静态工作点
思考：丙类功放工作在谐振状态，如果失谐会有什么后 果？
Ic1mIcm (1 sic n co o )s sIc m1()
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α称为余弦电流脉冲分解系数。α0(θ)为直流分量分解系数； a1(θ)为基波分量分解系数；an(θ)为n次谐波分量分解系数。
➢无论电台的功率有多大，在距电台一公里处的谐波场强不得大于50μv/m。 在一般情况下，假如任一谐波的辐射功率不超过25mW，即可认为满足上 述要求。
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2
3.2 丙类谐振功率放大电路
❖高频功率放大器的工作状态？
根据放大管集电极电流导通时间的长短，功放分为甲类、 乙类、丙类等。
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C
R∑
基极静态 偏置
U BB
U CC
集电极静 态偏置
图 3-1 晶体管高频功率放大器的原理电路
❖高频小信号放大器： ➢滤除外加干扰以及混频干扰
➢削弱前后级电路对LC回路特性的影响
❖高频功率放大器： ➢滤除晶体管工作在非线性特性产生的谐波分量
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➢功率匹配
11
二、 工作原理
输入信号为
Ub
=Ubm
cosωt
ub
基极回路电压为
uBE U BB U bm cots
ic
＋
＋
uCE
UBE
－
C
－
UBB
UCC
L＋ R∑
uc
－
集电极回路电压为
u C U E C u C c U c c I c 1 m R ct o U C s U C cc m t os
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12
直流功耗PD：
f3f(2ftA(4)t(f)tA1)(t) 4A/
A
OO
t t
OO
t t
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丙类功率放大 器输出电流
ic
其频谱为
ωt θ
… …
ωω
0
通 过 滤 波 器 后 的0
ω ω0 0
2ω 0 2ω0 3ω 03ω0
电流为：
中O心频率为ω0 的带通滤波器
t
❖结论：丙类功放无失真放大信号的条件是：加入带通滤波 器将丙类功放非线性状态所产生谐波成分滤除。
6
❖甲类能够对信号无失真放大，而乙类以及丙类放大信 号时出现了失真！
❖而放大器的一个非常重要的指标就是信号的失真度！！！
??????
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7
傅立叶级数
f ff14 3 (( t( tt)f) ) 2 ( t)44 4 AA A 4 s( ( A in(s s ts ti ti i n tn 1 3 n 1 3 s 1 3 ss3 i ii3 3 t n n n tt )1 5 s 1 5s5 i i5 t n n t)7 1 s7 i tn )
定义波形系数：
g1()
1() 0()
I c1m Ic0
集电极利用系数： U cm 则得出集电极效率和输出功率U 的cc 另一种表达式：
12IIc1cm 0U Ucccm12g1()
Po 12Icm212()R
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思考：为什么低频功放不能工作在丙类状态？？？
以音频放大为例，若工作在丙类状态，则其频谱为
基波
二次谐波
……
三次次谐 波
会产生频谱混叠，不能够无失真恢复原低频信号。
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丙类功放的组成：放大器＋带通滤波器
＋
滤波以及 阻抗变换
输入 信号
ub
＋ U BE
uCE －
－
L
ic
ic
转移特性
QB
ωt
UBB=Uon
O
U on
uBE
90o
信号失真放
U bm
乙类
大
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丙类：在输入信号的整个周期中，只有小于输入信号正半 周集电极有电流流通，此时电流导通角小于90o
UBB < Uon
ic
ic
转移特性
QC ωt
UBB O Uon
uBE
θ
信号失真放
Ubm
乙类
大
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IgcmUbm(1cos)
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❖由傅立叶级数知识知周期性脉冲可以分解成直流、 基波 (信号频率分量)和各次谐波分量，
即： I I c 0 I c 1 m ct o I c 2 m c s2 o t I s cc nn m o t s
其中：
Ic0Icm si(1n c co o )s sIcm 0()
Ubm
（1）当ωt=θ时， ic=0
丙类功放的工作状态
U bm co sU on U BB
uBE U BB U bm cots 2）当ωt=0时， ic=Icm
iC g (U B B U bc mo t U so)n Icm g (U B B U bm U o)n
Icm g 202b 0U /6( /m 11 1 U oU n b U m B)B gb U (m 1 co)s
[理学]3-高频功率放大电路(1)
❖主要技术指标 ➢高频输出功率：Po ➢效率η： 输出功率 Po /直流电源功率PD ➢功率增益： 输出功率 Po/输入功率 Pi ➢ 选频特性
❖高频功率放大器希望输出的谐波分量尽可能小，以免对其 它频道产生干扰。国际对谐波辐射规定是：
➢ 对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强不得超过基波场强的0.02%。
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13
❖高频功率放大器一般工作在输入信号为大信号，工作状态 为丙类状态。
ic
转移特性
斜率g 分段折线化处理
O
U on
uBE
ic 0 g(uBE Uo)n
uBEUon uBEUon
2020/6/11
14
ic 转移特性
斜率为 g
ic
Icm
UBB
ωt
O Uon
uBE
θ
Ubmcosθ
Ubm（1-cosθ）