第4章高频功率放大器解析
chap4高频功放
1 1 sin cos I co iC d ( t ) iC max ( ) 2 1 cos a0 ( )iC max I c1 1
1
iC cos td ( t )
iC max sin cos 1 cos
uBE
动态线方程式
U CC uCE U BB U bm UCE iC Gc (U BB U bm U on ) U cm
(4-8)
令 uCE=UCC 时， iC=Gc(UBB-Uon) 为图 4-5 中的 Q 点；再令 U Uon 为图4-5中的B点。 iC=0时， u U BB U
(4-4)
集电极直流电源供给功率PDC等于集电极电流直流 分量与UCC的乘积
PDC UCC I c 0
(4-5)
放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给 功率之比，即
Po 1 U cm I c1 1 a1 ( ) 1 c g1 ( ) PDC 2 UCC I co 2 a0 ( ) 2
＋22.5 V
3DA21C V
Cb
L1
L2
C1
C2
图 4-13一超短波输出放大器的实际电路
2． 耦合回路 图4-14是一短波发射机的输出放大器， 它采用互 感耦合回路作输出电路， 多波段工作。
M Cb C1 K
V1
L3
C2 L1 L2
－24 V
图4-14 短波输出放大器的实际线路
R1
R2
(a)
(b)
(c)
图 4-11几种常见的LC匹配 (a) L型；(b) T型； (c) Π型
第4章高频谐振功率放大器
Pc′= PE′Po=Po/ηC′－Po=4/0.8－4=5－4=1W △ Pc =Pc － Pc′= 3.67－1=2.67W △Ic0 = Ic0 －Ic0′= 6.67/20 －5/20 = 0.083（A）=83mA
4.2.3 工作状态分析
一、动态特性分析：
其中0(θ)、1(θ) 、…、n (θ)为谐波分解系数；另 定义1=Ic1m/Ic0= 1(θ) / 0(θ)为波形系数，随减小 而增大。
0 , 1 , 2 , 3
1 /0 = 1
0.5
1
0.4
0
2.0
0.3
0.2
1.0
0.1
3
2
0
-0.05 10 30 50 70 90 110 130 150 170
目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输 特点：高频、大信号、非线性工作 要求：输出功率大、转换效率高
分析方法：折线法近似分析
联想对比：
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。
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 即为功率放大器的效率。
临界饱和线斜
如图，对应于临界状态的 动特性曲线CAD，则有
率记为：SC
ic C UBE=UBB+Uim
iC max ScuCE min Sc (UCC Uc1m )
根据转移特性，又有
A UCC D
uCE
0
B
UBE=UBB
iC max gm (uBE max U D ) gm (U BB U im U D )
谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处
高频功率放大电路
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
高频电子线路课程实验四高频功率放大器解析
太原理工大学现代科技学院高频电子线路课程实验报告专业班级测控13-2学号姓名指导教师温涛实验四高频功率放大器一实验目的1．了解和掌握丙类高频谐振功率放大器的构成及工作原理。
2．了解丙类谐振功率放大器的三种工作状态及负载特性、调制特性、放大特性和调谐特性。
3. 掌握丙类谐振功率放大器的输出功率oP、直流功率DP、集电极效率C4. 掌握用频谱仪观测信号频谱、频率及调制度的方法。
二实验原理高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，它也是一种以谐振电路作负载的放大器。
它和小信号调谐放大器的主要区别在于：小信号调谐放大器的输入信号很小，在微伏到毫伏数量级，晶体管工作于线性区域。
小信号放大器一般工作在甲类状态，效率较低。
而功率放大器的输入信号要大得多，为几百毫伏到几伏，晶体管工作延伸到非线性区域——截止和饱和区，这种放大器的输出功率大，效率高，一般工作在丙类状态。
一．高频功率放大器的原理电路高频功放的电原理图如图7-1 所示（共发射极放大器）它主要是由晶体管、LC 谐振回路、直流电源Ec 和Eb 等组成，Ub 为前级供给的高频输出电压，也称激励电压。
二．高频功率放大器的特点1.高频功率放大器通常工作在丙类（C 类）状态。
甲类（A =180 度，效率约50%；乙类（B =90 度，效率可达78%；甲乙类（AB 类）90<<180 度，效率约50%< <78%；丙类（C <90 度工作到小于90 度，丙类效率将继续提高。
2.高频功率放大器通常采用谐振回路作集电极负载。
由于工作在丙类时集电极电流i c 是余弦脉冲，因此集电极电流负载不能采用纯电阻，而必须接一个LC 振荡回路，从而在集电极得到一个完整的余弦（或正弦）电压波。
我们知道，对周期性的余弦脉冲i c ，可用傅立叶级数展开：式中，Ic1m、Ic 2m、Ic3m 为基波和各次谐波的振幅。
高频功率放大器
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4.2 谐振功率放大器分析
4.2.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 4.2.2 集电极余弦电流脉冲的分解 4.2.3 高频功率放大器的工作状态分析
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4.2.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式
在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器 的分析、计算，通常采用准线性的折线分析法。 准线性放大是指仅考察集电级输出电流中的基波分量 在负载两端产生输出电压的放大作用。 折线近似分析法(简称折线法)，这是一种图解法与数 学解析分析相折中的办法，指用几条直线来代替晶体 管的实际特征曲线，然后用简单的数学解析式写出它 们的表示式。缺点是准确度低，但计算比较简单，易 于进行概括性的理论分析。
上午9时 19分
这就是集电极余弦脉冲电流随时间变化的解析式。它取 决于脉冲高度iCmax和半导通角c 。 返回 18 退出
iC I c0 I c1m cosωt I c 2m cos2ωt I cnm cosnt .2.11) (4
直流分量、 基波及各次 谐波的幅值
high
上午9时 19分
丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最 严重。 8 退出
3. 高频功率放大器与小信号谐振放大器
高频小信号谐振放大器与谐振功率放大器的区别： ① 工作状态分别为：小信号-甲类，大信号-丙类。也 就是说，除了输入信号幅度不同外，晶体管的工作点 和晶体管动态范围都不相同。 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，因
在功率放大器中，往往选择静态工作点，使功率管 运用在特性的不同区段上，实现甲类、乙类、甲乙类、 丙类等不同运行状态。 根据正弦波激励下整个周期内的导通情况，可分为 四个工作状态：
高频功率放大器
1.原理说明利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。
它是无线电发射机中的重要组成部件。
根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。
电流导通角θ愈小放大器的效率η愈高。
如甲类功放的θ=180o ，效率η最高也只能达50%，而丙类功放的θ<90o ,效率η可达到80%。
甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。
丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。
高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。
高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。
高频功放的主要技术指标1.1.1 功率关系：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O P ，使之一部分转变为交流信号功率1P 输出去,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C P 。
根据能量守衡定理：1o C P P P =+直流功率： 输出交流功率：2211111222c c c c L L U P U I I R R =⋅== C U -----回路两端的基频电压 c1I ----- 基频电流 L R ----回路的负载阻抗。
1.1.2 放大器的集电极效率1101122c c o CC c U I P P U I ηξγ⋅===⋅ 其中集电极电压利用系数：1c c L CC CCU I RU U ξ== 0o c CCP I U =⋅波形系数：1100()()c c I I αθγαθ==为通角 的函数； 越小γ越大。
1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算临界状态下，若已知电源电压Ucc ，BB U 三极管的参数C g ，'U BB ，设电压利用系数为 ξ，集电极的导通角为θ。
第四章 高频功率放大器
第四章 高频功率放大器4-1）若非线性特性用折线近似表示，如题图4-1所示，,/10,1V mA g V V bz ==偏压,2V V bb -=激励电压V U 2.5=。
求电流i 的各个分量幅度.,,210I I I 若要加大1I ，应怎样改动U V bb 和？【解】 （1） )c o s(bz bb V wt U V g i -+=当 ,,0Φ==wt i 即 0)cos (=-Φ+bz bb V U V g故552.5)2(1cos cos 11=--=-=Φ--U V V bb bz又 I i wt ==,0故mA I a I mAI a I mA I a I a I mA V V mA V U V g I m m m m bZ bb m 622273.0)55(05.822366.0)55(4.422201.0)55()(22)12.52(/10)(2211000=⨯===⨯===⨯==Φ==-+-∙=-+=（2）因m I a I )(11Φ=要 ,1↑I 应 .,)(1↑↑Φm I a 要使,)(1↑Φa 在 120<Φ时，应增加Φ，即减小b b V；要使,↑m I 应增大U 。
4-2）题图4-2所示为晶体管转移特性，用它作二倍频器，为了使c i 中的二次谐波的成分最大，bb V 应如何选取？（bb V 是直流偏压，设U V bz ,均固定不变）。
【解】 因U V V bbbz -=ϕcos当60=ϕ时，二次谐波分量最大，而,2160cos =故有U V V bbbz -=21，即UV V bz bb 21-= 4-3）某谐振高频功率放大器原理如题图4-3所示，已知信号电压为.cos t w U u s s =假设0f 远小于晶体管的特征频率T f ，负载回路为谐振于0ω的高Q 回路，试画出cc c c b bc u u i i u ,,,,的波形示意图（要求各波形图的时间轴对齐）。
高频电子线路最新版课后习题解答第四章 高频功率放大器习题解答
思考题与习题4.1 按照电流导通角θ来分类，θ=180度的高频功率放大器称为甲类功放，θ>90度的高频功放称为甲乙类功放，θ=90度的高频功率放大器称为乙类功放，θ<90度的高频功放称为丙类功放。
4.2 高频功率放大器一般采用LC谐振回路作为负载，属丙类功率放大器。
其电流导通角θ<90度。
兼顾效率和输出功率，高频功放的最佳导通角θ= 60～70 。
高频功率放大器的两个重要性能指标为电源电压提供的直流功率、交流输出功率。
4.3 高频功率放大器通常工作于丙类状态，因此晶体管为非线性器件，常用图解法进行分析，常用的曲线除晶体管输入特性曲线，还有输出特性曲线和转移特性曲线。
4.4 若高频功率放大器的输入电压为余弦波信号，则功率三极管的集电极、基极、发射极电流均是余弦信号脉冲，放大器输出电压为余弦波信号形式的信号。
4.5 高频功放的动态特性曲线是斜率为1-的一条曲线。
R∑υ对应的静态特性曲线的交点位于放大区就4.6对高频功放而言，如果动态特性曲线和BEmaxυ称为欠压工作状态；交点位于饱和区就称为过压工作状态；动态特性曲线、BEmax 对应的静态特性曲线及临界饱和线交于一点就称为临界工作状态。
V由大到小变化时，4.7在保持其它参数不变的情况下，高频功率放大器的基级电源电压BB功放的工作状态由欠压状态到临界状态到过压状态变化。
高频功放的集电极V（其他参数不变）由小到大变化时，功放的工作状态由过压状态到电源电压CCV（其它参数不变）由小临界状态到欠压状态变化。
高频功放的输入信号幅度bm到大变化，功放的工作状态由欠压状态到临界状态到过压状态变化。
4.8 丙类功放在欠压工作状态相当于一个恒流源；而在过压工作状态相当于一个恒压源。
集电极调幅电路的高频功放应工作在过压工作状态，而基级调幅电路的高频功放应工作在欠压工作状态。
发射机末级通常是高频功放，此功放工作在临界工作状态。
4.9 高频功率放大器在过压工作状态时输出功率最大，在弱过压工作状态时效率最高。
第四章高频功率放大器
0 120 • n 次谐波取最大值时的流通角为： n
= 60。 • 三次谐波最大值出现在 = 40。
可以看出，基波最大值出现在 = 120处。
1 1 .32 ，这与效率有关。 但是此时 0
因此， 值的选择需综合考虑。
例：如果某个非线性器件的伏安特性可用折线 表示，其中， V B Z =1V，g=10mA/V。现加偏置 电压为VB=-1V，输入余弦信号的幅值Vim=4V， 查表（pp366-368）计算电流中的直流、基波 和二倍频分量幅值。
谐振功率放大器的各 极电压、电流波形
7.2.1
二、输出功率与效率
在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流 为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率。
如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。这涉及如何合 理地利用好晶体管转移特性的非线性。 Po Po：输出信号的功率 谐振功放的效率定义为： PD PD：电源提供的功率
三、谐振功率放大器与低频功率放大器的异同点
相同点：1、都要求输出功率大和效率高；2、激励信号幅度均 为大信号。 不同点：1、工作频率与相对频宽不同；2、放大器的负载不同； 3、放大器的工作状态不同。
四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同点
相同点：1、放大的信号均为高频信号；2、放 大器的负载均为谐振回路。 不同点：1、激励信号幅度大小不同；2、放大 器的工作点不同；晶体管动态范围不同。
2 1 12 V c m 输出信号功率为 ：P I V I R o c m 1 c m c m 1 2 2 2 R
i () • Icm1: 集电极电流中的基波分量幅度 I cm 1 c max 1
1 P i V o c m ax 1 cm 因此得： 2
高频功率放大器概要课件
• 高频功率放大器概述 • 高频功率放大器的基本结构 • 高频功率放大器的性能指标 • 高频功率放大器的设计方法
• 高频功率放大器的应用与实例 • 高频功率放大器的发展趋势与挑战
01
高频功率放大器概述
定义与工作原理
定义
高频功率放大器是一种电子设备 ，用于放大高频信号，使其具有 足够的功率以驱动负载。
工作原理
高频功率放大器通过使用晶体管 或电子管等器件，将输入信号进 行放大，并输出具有一定功率的 高频信号。
分类与应用
分类
根据工作频率、输出功率和应用领域 ，高频功率放大器可分为多种类型， 如宽带放大器、窄带放大器和脉冲放 大器等。
应用
高频功率放大器广泛应用于通信、雷 达、导航、电视广播等领域，用于发 射大功率的高频信号。
特点
激励级通常采用共基放大电路，具有较高的电压放大倍数和较高的 频率响应，能够提供足够大的信号电压。
元件选择
激励级通常选用晶体管或电子管，因为它们具有较高的放大倍数和频 率响应，能够满足激励级的需求。
偏置电路
作用
偏置电路是高频功率放大器中用于设置晶体管或电子管工作点的 电路，为各级提供合适的直流偏置电压和电流。
导航与定位
高频功率放大器在雷达导航和定位系统中发挥着关键作用，能够放大信号并确保其传输的准确性，从 而实现高精度的定位和导航。
电子战系统中的应用
干扰与压制
在电子战系统中，高频功率放大器用于产生 强烈的干扰信号，对敌方通信和雷达系统进 行干扰或压制，使其无法正常工作。
信号情报收集
高频功率放大器还可以用于电子战中的信号 情报收集，通过放大和分析敌方信号，获取 其通信和雷达系统的信息，为军事决策提供 支持。
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t
图4-5高 频功率 t 放大器 中各分 电压与 电流的 关系
VCC
t
9
电 流
或 电 压
ic ic max ec min
o c
Vcm
ec VCC
vc ic
VBZ
eb max
t
3
2
–VBZ2 高频功率放大器中各 部分电压与电流的关系
(b)
10
4.2 谐振功率放大器工作原理
作用，仍然能得到正弦波形的输出。
ic
ic
转移
特性
–VBB
o +c
o –c
ic max
理想化 t
VBZ
eb +c o –c
vc
Vbm
Vbm
t
图4-4 谐振功率放大器转移特性曲线
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
8
eb vb
ib
VBZ t
–VBB
ic
ec Vcm
Vcm (a) ec=VCC–vc
放大器的集电极效率：
c
Po P
1 2
Vcm
Icm1
VCC I c 0
1 2
g1
(c
)
g越1(大c )VV(Cc即mCIIccmV01 cm波集越电形大极系或电数e压c，m利in通越用角系小数)c的c越函小数效；率c越c越小高g1。(因c)越此大，丙类谐振功 率放大器提高效率c的途径即为减小c角；使LC回路谐振在信号的 基频上，即ic的最大值应对应ec的最小值。
高效率输出与高功率输出
3
4.1 概述（续）
3、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 载均为谐振回路。
不同之处：为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。
ic
ic
ic
ic
Q o
t
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
4
4.1 概述（续）
4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同： 共同之处都要求输出功率大和效率高。 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放大器的效率。 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。
张鏖烽
计算机与通信学院 51269402@
第4章 高频功率放大器
4.1 概述 4.2 谐振功率放大器的原理 4.3 晶体管线形分析放大器的折线近似分析法 4.4 谐振功率放大器电路 4.5 谐振功率放大器实例 4.6 晶体管倍频器
2
4.1 概述
1、使用高频功率放大器的目的： 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的 发射功率。 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个 问题？
故谐振功率放大器的工作特点：
基极偏置为负值；半通角c＜90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。
14
4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
6
4.2 谐振功率放大器工作原理
1、原理电路
晶体管的作用是在将供 电电源的直流能量转变 为交流能量的过程中起 开关控制作用。
谐振回路LC是晶体管的负载 电路工作在丙类工作状态
外部电路关系式： VBE VBB Vbm cost
VCE VCC Vcm cost
晶体管的内部特性：iC gc (VBE VBZ )
ic
+
iB
VCE C
+
vb –
VBE
–
– iE
L – +vc
–+ VBB
–
+
VCC
输出
图4-3 谐振功率放大器的基本电路
7
4.2 谐振功率放大器工作原理
故晶体管的转移特性曲线表达式：
故得：
Vb mcosc= VBB +VBZ
cosc
VBB VBZ Vbm
必须强调指出，集电极电流ic虽然是 脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波
表 4-1 不同工作状态时放大器的特点
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%＜＜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
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输出效率
根据能量守衡定理： 故集电极效率：
P== Po+ Pc
c
Po P
Po Po Pc
11
4.2 谐振功率放大器工作原理
由上式可以得出以下两点结论：
1) 设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率c自然会提高。这样， 在给定P=时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；
2）由式
Po
1
c c
Pc可知
如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，那么提高集电极效 率c，将使交流输出功率Po大为增加。
谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。
如何减小集电极耗散功率Pc呢？
那么晶，体集管电集极电耗极平散均功耗率散自功然率会：大T1 为0T 减ic小 e。cdt 可见使ic在ec低的时候才能通过，
12
4.2 谐振功率放大器工作原理
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180，处于丙类工作状态。 谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c＜90，集电极余 弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：
非谐振放大器可分为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。
5
4.1 概述（续）
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
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类
2、谐振功率放大器的功率关系和效率
由前述所知：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 信号功率输出去。
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。
P==直流电源供给的直流功率； Po=交流输出信号功率； Pc=集电极耗散功率；
ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+……
直流功率： P==VCC Ic0
输出交流功率： Po
1 2
Vcm
I cm1
Vc2m 2R p
1 2
I c2m1R
p
Vcm1 回路两端的基频电压 ;Icm1 基频电流 ; Rp 回路的谐振阻抗。
13
4.2 谐振功率放大器工作原理