第5章-2 高频功率放大器的动态分析
高频电子线路(第五章 高频功率放大器)
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效率高。
7
（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
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 c=180° c=90° 90° ＜c＜180° c＜90° 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 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
90%~100%
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。
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
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（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 ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
第5章_高功率微波源
冲功率与连续波功率
5.2.1 发展概况及基本原理
电子回旋脉塞期间包括一大类器件,这 类期间又称为回旋管系列,属于快波器件. 电子回旋脉塞器件能以各种方式在跨越 厘米波,毫米波甚至亚毫米波的范围内产 生高脉冲功率与连续波功率
电子回旋脉塞发展历史
电子回旋脉塞起源于50年代末期,但是有3位学者开始进行电 子回旋脉塞互相作用产生微波的理论研究.
第五章 高功率微波源 Development and Appling of High Power Microwave(HPM)
5.1 引言
5.2 电子回旋脉塞及回旋管系列
5.3 相对论普通微波管系列 5.4 其他高功率微波器件
电磁波谱及主要产生方式
1 高功率微波(high power microwave-HPM)
如果高频场的角频率与电子回旋频率相等,受加 速的电子数等于受减速的电子数 如国高频场的角频率小于电子回旋频率.电磁波 场的旋转速度略慢于电子的旋转速度,则电子的 群聚落入加速场,有更多的电子受到加速而从波 场获得能量,场被电子吸收能量而衰减. 如国高频场的角频率大于电子回旋频率,电磁波 场的旋转速度略大于电子的旋转速度,则电子的 群聚落入波场的减速区.在场的一个周期内,减 速的电子数大于加速的电子数.净效果是电子注 失去能量,将能量交给高频场,波场得到增强,于 是产生微波振荡或放大.
非致命武器1美国陆军实验室正在研制的地面车辆制动装置就是利用微波源产生的脉冲波爆使远处的正在高速行驶的汽车失灵甚至报废2电力分配弹药epdmelectricpowerdistributionmanition当其飞抵目标上方时爆炸释放出大量松散的传导性碳纤维缠丝随风飘落缠绕在高能电缆上使电子设备严重短路3目前正在研制中的隐蔽式眩目激光武器是使用荧光技术其发射出的紫外光照射眼睛后眼睛会产生荧光感应出现视线模糊使人致晕但无致人失明的危险
高频功率放大器
ic
Rp
+ L u c1 -
u BE u b U BB U BB U bm cos t
-UBB
EC
由晶体管的转移特性曲线可以看出：
当 u BE U BZ ， i c 0
ic
•
gC
ic
当 u BE U BZ ， i c g c u BE U BZ 式 中 gc 为 ：
2
动态特征曲线的画法：
画法一：
ic
•
A ubemax
在 静 态 特 征 曲 线 的 uce 轴 上 取 B 点 ， 使 OB U o ， 由 B 点 作 斜 率 为 g d 线 BA， 即 得 动 态 特 征 曲 线 。 的直
gd
EC
画法二：
O Uo ucmin Ucm
由外部方程可得：
B
•
uce
对高频功率放大器的一般要求同低频功放相同：
特点：
输出功率大 效率高
(1 )工 作 频 率 高 ， 相 对 频 带 窄 (2 )采 用 选 频 网 络 作 为 负 载 回 路
(3)放大器一般工作在 C（丙）类工作状态，属于非线性电路
(4 )不 能 用 线 性 模 型 电 路 分 析 ， 一 般 采 用 图 解 法 分 析 和 折 线 法
连接 Q、 A 两点 即得动态特性曲线 。
i i 高 频 功 放 的 工 作 状 态c： cmax •
ic
动态曲线：
2 高频功率放大器的负载特性 ic
gC
U bm gd gc U c1 U uBE o E C U c 1 cos c ub 而 U c 1 I c 1 R P
第五章 功率放大电路
V C（ C V
CC U CE (sat)） RL
2.2W
m
π 4
V CC
U CE(sat) V CC
65％
5.2.2 OTL电路
1 、 OCL 电 路 线 路 简 单 、 效率高，但要采用双电源供电， 给使用和维修带来不便。
2、采用单电源供电的互 补对称电路，称为无输出变压 器（Output transformerless）的 功放电路，简称OTL电路，如 图5.2.5所示。其特点是在输出 端负载支路中串接了一个大容 量电容C2。
第五章 功率放大电路
5.1 功率放大电路概述 5.2 乙类互补对称功率放大电路 5.3 集成功率放大器 *5.4 功率管的安全使用
教学目标
1、了解功放电路特点、分类、对功放电路要求。熟悉低频
功放电路主要技术指标。
2、熟悉OCL、OTL电路组成、工作原理、性能参数估算方
法。
3、掌握交越失真产生原因、消除交越失真方法。 4、掌握复合管组成原则。
教学目标
5、熟悉常用集成功率放大器（LA4102、LM386、TDA2030
等）引脚功能，了解其主要技术指标。熟悉集成功放应用电 路组成、外接元器件作用，会估算闭环增益。
6、选学BTL电路原理及其由集成功放构成的应用电路。
7、选学功放管二次击穿和热致击穿现象及其保护措施，功
放管等功率器件散热计算及散热片的选择。
2、功放管的最大耐压U（BR）CEO 当一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最大反向电
压为2VCC。故
U (BR)CEO 2VCC
3、功放管的最大集电极电流
I
CM
VCC RL
4、选择示例
高频电子电路_5.3_高频功率放大器的动态分析
动态曲线：
-UBB
ic gd (uce Uo )
C
•
•BZ U
ub
• • •• • gd
ubemax
gd
Uo
EC
uce
C
• Q•
uce
Ubm
ubemax
ucemin 可见动态特性曲线的斜率和负载 R P 有关， 放大器的工作状态将随负载的不同而变 U b 不变时，动态特性曲线与负载 RP 化。下面讨论当EC 、 E B 、 的关系。 u
若设： b
u Ub cost
输入端： uBE
EB Ub cost
+ ub + uBE
_
ic
+ uCE C Rp
t 输出端： uce EC Uc cos
由上两式消除cos t 可得： EC uce uBE EB U b Uc
EC uce , ic gc E U E b b B Uc U b Eb, EB gc U uce EC U c ( U ) gd uce U o b c
•
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二、高频功率放大器的负载特性
临 研究的问题： 界 区 Ic1
c1
当 ECU ， UBB， Ubm 不变， PD
Ico
c
临 界 区
ubemax
, UPC I C 1 , I C 0P o 1 c P D , Po , Pc 而 RP 变化时，与 的关系。 Rp R pc 欠压区 过压区 欠压区 过压区
注意：
ic
uce
Po Pocr ，效率 （1） 欠压区： ①临界状态输出功率最大 （ 2） 过压区： 也较高，可以说是最佳工作状态，常选此 状态为末级功放输出状态。过压状态，效 ic max 进 R PP 由小 IC下 入 过 压几乎不变 区 余 （略减少） 弦 脉 冲 顶 部 凹 ， 0 , IC 1 几乎 率高，但输出功率较小。 i c max I C 0 , I U C1I c1 I c 1 R P 几乎不变（略有上 U R P EC IC0 几 乎 不 变 c1 c1 P D 不 变 ②在欠压状态 I C 0 ， IC 1 几乎不变，功放相当于一个恒流源，而 1 1 IC1 U C1 P E I P U I I U 1 升） 1 C C 0 o C1 C 变化缓 c1 1 c1 c 2 2 I U C 0 C 0 P U I U c o C 1 C 1 PC PD Po C1 几乎不变，相当于一个恒压源。 过压状态 2 I E 2 co C 慢， PC PD Po 变化缓慢。
《高频电子线路》(刘彩霞)参考答案
《自测题、思考题与习题》参考答案第1章自测题一、1．信息的传递；2．输入变换器、发送设备、传输信道、噪声源、接收设备、输出变换器；3．振幅、频率、相位；4．弱、较大、地面、天波；5．高频放大器、振荡器、混频器、解调器；6．提高通信传输的有效性、提高通信传输的可靠性。
二、1．D ；2．A ；3．D ；4．B ；5．C ；6．A 。
三、1．×；2．×；3．×；4．√；5．√；6．√。
思考题与习题1.1答：是由信源、输入变换器、输出变换器、发送设备、接收设备和信道组成。
信源就是信息的来源。
输入变换器的作用是将信源输入的信息变换成电信号。
发送设备用来将基带信号进行某种处理并以足够的功率送入信道，以实现信号的有效传输。
信道是信号传输的通道，又称传输媒介。
接收设备将由信道送来的已调信号取出并进行处理，还原成与发送端相对应的基带信号。
输出变换器将接收设备送来的基带信号复原成原来形式的信息。
1.2答：调制就是用待传输的基带信号去改变高频载波信号某一参数的过程。
采用调制技术可使低频基带信号装载到高频载波信号上，从而缩短天线尺寸，易于天线辐射，实现远距离传输；其次，采用调制技术可以进行频分多路通信，实现信道的复用，提高信道利用率。
1.3答：混频器是超外差接收机中的关键部件，它的作用是将接收机接收到的不同载频已调信号均变为频率较低且固定的中频已调信号。
由于中频是固定的，且频率降低了，因此，中频选频放大器可以做到增益高、选择性好且工作稳定，从而使接收机的灵敏度、选择性和稳定性得到极大的改善。
1.4解：根据c fλ=得：851331010m =100km 310c f λ⨯===⨯，为超长波，甚低频，有线传输适用于架空明线、视频电缆传输媒介，无线传输适用于地球表面、海水。
823310300m 100010c f λ⨯===⨯，为中波，中频，有线传输适用于架空明线、视频电缆传输媒介，无线传输适用于自由空间。
模拟电子技术基础-课程作业
教材 模拟电子技术基础（第四版） 清华大学模拟电子技术课程作业第1章 半导体器件1将PN 结加适当的正向电压，则空间电荷区将( b )。
(a)变宽 (b)变窄 (c)不变2半导体二极管的主要特点是具有( b )。
(a)电流放大作用 (b)单向导电性(c)电压放大作用3二极管导通的条件是加在二极管两端的电压( a )。
(a)正向电压大于PN 结的死区电压 (b)正向电压等于零 (c)必须加反向电压4若将PN 结短接，在外电路将( c )。
(a)产生一定量的恒定电流 (b)产生一冲击电流 (c)不产生电流5电路如图所示，二极管D 1、D 2为理想元件，则在电路中( b )。
(a)D 1起箝位作用，D 2起隔离作用 (b)D 1起隔离作用，D 2起箝位作用 (c)D 1、D 2均起箝位作用 (d)D 1、D 2均起隔离作用D 1V 2V u O6二极管的反向饱和峰值电流随环境温度的升高而( a )。
(a)增大(b)减小 (c)不变7电路如图所示，二极管型号为2CP11，设电压表内阻为无穷大，电阻R =5k Ω，则电压表V 的读数约为( c )。
(a)0.7V (b)0V (c)10VR8电路如图所示，二极管D 为理想元件，输入信号u i 为如图所示的三角波，则输出电压u O的最大值为( c )。
(a)5V (b)10V (c)7VDu O9电路如图所示，二极管为理想元件，u i =6sin ωt V ，U =3V ，当ωt =π2瞬间，输出电压 u O 等于( b )。
(a)0V (b)6V(c)3VDu O10电路如图所示，二极管D 1，D 2，D 3均为理想元件，则输出电压u O ＝( a )。
(a)0V (b)－6V (c)－18V0V3--11电路如图所示，设二极管D1，D2为理想元件，试计算电路中电流I1，I2的值。
23k+-答：D1导通、D2截止.所以：I1=（12V+3V）/ 3k=5mA I2=012电路如图1所示，设输入信号u I1,u I2的波形如图2所示，若忽略二极管的正向压降，试画出输出电压uO的波形，并说明t1,t2时间内二极管D1，D2的工作状态。
高频功率放大器
第2章高频功率放大器第2章高频功率放大器2.1 谐振功率放大器基本工作原理2.2 丙类谐振功率放大器的工作状态分析2.3 谐振功率放大器的高频特性2.4 谐振功率放大器电路2.5 高效率高频功率放大器及功率合成技术第2章高频功率放大器一、工作状态分类A 类(甲类)、B 类(乙类)、C 类(丙类)等。
i i BEC tCu QA 类(甲类)：工作点Q 较高(I CQ 大)，信号360°内，管子均导通。
通角：θ＝180 °U CCR LR L′N 1∶N 2RBVCBu i第2章高频功率放大器甲类功放电路及交、直流负载线i Ct 0I C Q I C QI C Qu CE i Cu CEt00U CE QU CU CCQ直流负载线交流负载线i B1R L′－I CR B 为偏置电阻，决定Q 点的I CQ 及I BQ 。
变压器是理想的，则直流工作点电压U CEQ =U CC ，直流负载线为一垂直线，而交流负载线通过Q 点，其斜率为(-1/R ′L )第2章高频功率放大器CQCC C CQ CC TE I U dt t I I U TP ⋅=+=∫)sin (10ω1.电源功率P E2. 交流输出功率P LLC C C C C TL R U I U tdt I t U TP ′=⋅=⋅=∫22121sin sin 1ωωCC Cm U U =CQCm I I =CQCC CC E L I U I U P P 21==ηA 类放大器无信号时，效率为零，信号最强时最大效率只有50%。
这是A 类放大器的致命弱点，也是晶体管功率放大器极少采用A 类放大器的原因。
%50max =η一般: 20%~30%第2章高频功率放大器i C t 0i Cu BEQπ2π0u iV 1V 2V 0VD1VD 2I COi C1i C2U CCu o－U EER Li C1i C2B 类(乙类)：工作点Q 选在截止点，管子只有半周导通，另外半周截止。
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Rp增大
•
Vo Rp由小增大，负载线由欠压区经过临界点进入过压区 Q
vce
vbemax
临 界 区 Icm1 Ico
Vcm
P=
c
临 界 区
ic
Pc Po
vce
Rp
欠压区
过压区
Rp
欠压区
过压区
讨论： 1 II cm1 Vcm 1 cm1 V 1）临界状态，输出功率最大Po V ，效率也较高，可以说是 cm =Pocr II 1）欠压区 2）过压区 P VCC cc 0 cc P II c、II cm1 、 cm1 CC 0 c 00 2 c 0 VCC 最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态 2 II c 0 VCC 2）过压状态，效率高，但输出功率较小；Vcm几乎不变，相 Po Pcc P P P P o V cm cm1 R p V 当于一个恒压源cm II cm1 R p 几乎不变 1 1 P o Vcm II cm1 P Vcm cm1 （略减少） o 3）欠压状态，Ic0、Icm1效几乎不变，功放相当于一个恒流源， 2 2
两式联立消去Icmax
如果已知临界状态时的输出功率Po
1 1 Po I c1mVcm I cmax1 c VCC cr 2 2
- cr
2 cr
g cr 1 c V
2P o
2 CC
0
求解得到 cr
1 2
2P 1 o 2 4 g cr 1 c VCC
A
vbemax gd • VCC vce •
Q
静态工作点Q：
令ωt=90º ，可得：
O B
vce VCC , vBE VBB ic I Q g c ( VBB VBZ )
A点：令ωt=0º ，可得：
vo vcemin
Vcm
vce vce min VCC Vcm vBE vbe max VBB Vbm
改变Vbm或VBB对工作状态的影响
ic 放大区 截止区 -VBB1 -VBB2 -V BB3 饱和区
vBE VBB Vbm cos t
ic
vBEmax2 VBZ
vBE vBEmax3 vb
C 1 C 2 C 3
t
vBEmax1
Vcm Icml Ico
当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时， 集电极脉冲电流ic的导通角θc增大，从而集电极 脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区 O 临界 VBB 过压 欠压 进入过压区。 进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加， 幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢。
三种工作状态
2)过压工作状态
3)临界工作状态
ic
-VBB
C C
• gC
ic
icmax
ic
•
• VBZ
vb
vBE C
C
•• •
•
•
gd
gcr
ubemax v bemax
VCC vce
Vces
•
Q
Vbm
vbemax
vcemin vcemin 工作状态动画5-6
3)临界工作状态 2)过压工作状态 1)欠压工作状态 动态特性曲线、临界饱和线与vbemax所对的静态特性曲线三线的交 当Rp较大时，|gd|较小， 当Rp较小时，|gd|较大， 于一点 动态特性曲线与v i 所对的静态特性曲线的交点位于放大区 动态特性曲线与v bemax所对的静态特性曲线的交点位于饱和区 此时，vcemin≈Vces，bemaxc为尖顶脉冲 此时，vcemin ces晶体管的工作范围在放大区和截止区 此时，vcemin>V<Vces晶体管的动态范围延伸到饱和区
βo
中频区： 0.5 f f 0.2 fT
0 高频区： .2 fT f fT
0.5fβ
fβ
0.2fT
fT
故直接进行高频区或中频区的分析 和计算是相当困难的。本节将从低频区 的静态特性来解析晶体管的高频功放的 工作原理。
高频功率放大器的动态特性
当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
c
连接点A和Q，即可得到动态特性曲线（低频中称为负载线）
动态特性的分析
ic g d vce Vo
V g d g c bm Vcm Vo VCC Vcm cos c 其中，V I R cm c1m P
ic
gd Vo
•
vce
可见动态特性曲线的斜率与负载Rp有关，放大器的工作状 态将随负载的不同而变化。下面讨论当VCC、VBB、Vbm不变时， 动态特性曲线与负载Rp的关系。 1)欠压工作状态
2 高频功率放大器的动态分析
由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信 号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体 管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有 f 关，如右图所示了 与 之间的关系。而通常所说的静态特性 曲线是指低频区：f 0.5 f
t
vce
•Q •Q •Q
当 Rp， Vbm ， VBB不变， VCC增加，功放工作状态由临界进入欠压区； VCC减小，功放工作状态由临界进入过压区； 分析：欠压区，Icm1，Ic0，几乎不变，P=，Po 不变。 过压区，VCC对Icm1和Po实现调制作用，故集电极调制应 工作在过压区
1）基极调制特性
vcemin vcemin
Vcm 令 cr ， VCC
ic
cr 为临界状态的电压利用系数
I c max 1 g crVCC
•
gcr
vbemax Icmax vCE
Q
I c max g crVCC 1 cr
Vces
Vcm
I c max 1 g crVCC
注意：如果要实现 U BB 对输出电流 I C 1 的有效调制，要求功放应工 作在欠压区。
基极调幅电路动画
II c max c max
高频功率放大器的调制特性
当Rp，Vbm不变，改变VCC、VBB时，Icm1，Ic0，P=，Po 的变化关系 1）集电极调制特性
临 界 区
Ic1
Ico
临 界 区
ic PD PO PC
ic
•
• •
•
•
vbemax
VCC VCC VCC
过压区 欠压区
VCC
过压区 欠压区
VCC
cosθc
动态特性曲 线的斜率
gC
) g d vce Vo
VBZ
vBE
上式为iC与vce之间的动态特性方程
动态特性曲线在vce 轴上的截距
如何在静态特性曲线上画动态特性曲线？ ic 画法一： ic g d vce Vo
取斜率gd和横轴截距B点Vo 画法二： 两点Q、A确定一条直线 •
ic为波形顶部下凹的余弦脉冲 ic为尖顶脉冲，集电极电压利用不充分
ic
-VBB
C C
• gC
ic
icmax
ic
•
• VBZ
vb
vBE C
C
•• •
•
•
gd
gcr
ubemax v bemax
VCC vce
Vces
•
Q
Vbm
vbemax
则有: I c max
gcrVces gcr ( VCC Vcm )
由上可看出，高频功放工作在临界状态时，有较大的Icm1和较大 的回路电压Vcm，故晶体管输出功率最大，高频功放通常选择这 种工作状态。为保证这种工作状态所需要的集电极负载电阻Rp 称为最佳负载电阻
高频功率放大器的负载特性
当VCC，VBB，Vbm保持不变； I cm1 , I c 0 ,Vcm 随着R p的变化， , Po , Pc 的变化规律 P ic c
输入端： BE VBB Vbm cost v
输出端： vce VCC Vcm cost
输入信号
谐振回路两端信号 VCC vce 两式消去cosωt vBE VBB Vbm Vcm ic 利用晶体管内部特性关系式（折线方程）
ic g c vBE VBZ
VCC vce ic g c VBB Vbm VBZ U cm Vbm VBB VBZ g c vce VCC Vcm ( V Vbm cm