高频功率放大器
第6章高频功率放大器
Tr 1
vi
vBE v • 这样选择的主要考虑是消
除由静态工作点所带来的无 用功耗，从而提高放大器的
效率。
V BB
V CC
• 使用并联谐振回路作负载 具有选频和阻抗变换的作用
3、功率放大器的工作频率
1、低频区： f 0.5f 低频区工作时，不考虑等效电路中的电抗分量与载流子 的渡越时间，分析方法同低频电子线路的分析方法一致， 方法成熟。
vO VC1M cosct Ic1MRP cosCt
i C I C ( 0 M ( ) 1 ( ) cC o t 2 ( s ) c 2 o C t ) s
iO IC1M cosct ICM1()cosCt
P D C T 1 c0 T C V C iC C d 2 t 10 2 V C iC C d (C t) V C I C CM 0 ()
半个周期
丙类（C类）
小于半个周期
丁类（D类） 管子应用在开关状态，半个周期 饱和导通，半个周期截止
导通 角 1800
900
<900
η cmax 50% 78.5%
三、高频功率放大器
1、功用：放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的
2、输出功率范围很大，小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线 电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。0.001~1000000
Tr 1
vi
vBE v CE
vi
L
Cv C
RL
转换为高频功率。
VBB、VCC为电源，常使得管 子处于C类工作状态。
V BB
V CC
负载：采用谐振回路作负载，对信号进行频率选择，同 时完成阻抗变换。
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
高频功率放大器
iB
和
iC 均为余弦脉冲，用傅里叶级数展开为：
iB I B 0 I B1m cost I B 2 m cos 2t I B 3m cos 3t
iC I C 0 I C1m cost I C 2 m cos 2t I C 3 m cos 3t
1、直流功率
PD
由直流供电电源提供的功率 P E C I c 0 D 2、输出功率 P0 由电子器件送给谐振回路的基波信号产生的功率
1 1 1 U cm 2 P0 I c1mU cm I c1m Re 2 2 2 Re
3、集电极损耗功率消耗在集电结的功率
2
Pc PD P0
4、集电极效率
高频功率放大器的输出回路具有选频作用， 若调谐在基波频率上，则回路两端的电压可表 示为：
uC U cm cost I C1m Re cost uC E EC U cm cost
Re
为输出回路的有载谐振电阻
第三节
丙类高频放大器的分析
一、折线分析法 高频功率放大器属于大信号分析，和低频放大器一样，往往采用折线 法分析（图解法），其输入特性和输出特性如图2-5所示。
I c1m
i
c
co stdt
I c1m I c max 1 ( )
I cnm
1 2
i
c
cos ntdt
I cnm I c max n ( )
将电流分解系数制成曲线，可得图2-8。
1 ( ) g1 0 ( )
三、高频功率放大器的功率和效率
静态工作点 Q ：
当输入信号 ，即静态时， u i U bm cost 0
高频功率放大器
3.1 谐振功率放大器
(2)晶体管输出电流、电压波形
当基极输入一余弦高频信号ui=ubm cos( ωt)时，基极与发 射极之间的电压为
(3. 1)
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3.1 谐振功率放大器
其波形如图3一3(a)所示，当ube的瞬时值大于晶体管的导通电 压UBZ时，晶体管导通，产生基极脉冲电流，由转移特性可 得集电极流过的电流或也为脉冲波形，如图3一3 (b)所示。将
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3.1 谐振功率放大器
2.工作原理 谐振高频功率放大器的发射结在UBB的作用下处于负偏压
状态，当无输入信号电压时，晶体管处于截止状态，集电极 电流ic = 0。当输入信号为ui=ubm cos( ωt)时，基极与发射极 之间的电压为ube =UBB +ubm cos(ω t )。为分析电路的工作波 形，先对晶体管的特性曲线进行折线化处理，处理后分析与 计算大大简化，但误差也大，所以实际电路工作时需要调整。
流电阻很小，也可近似认为短路。这样，脉冲形状的集电极
电流ic经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，因而LC 谐振回路两端输出不失真的高频信号电压uc。
(3. 3)
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3.1 谐振功率放大器
式中Ucm=ReIc1m，为基波电压幅度，所以晶体管的输出电 压为
其波形如图3一3(c)所示。
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3.1 谐振功率放大器
(1)特性曲线的折线化 对高频谐振功率放大器进行精确计算是十分困难的，为了
研究谐振功率放大器的输出功率、管耗、效率，并指出一个 大概的变化规律，可采用近似估算的方法，即对特性曲线进 行折线化处理:忽略高频效应，晶体管按照低频特性分析;忽 略基区宽变效应，输出特性水平、平行且等间隔，如图3-2 (a) 所示;忽略管子结电容和载流子基区渡跃时间;忽略穿透电流， 截止区ICEO = 0。
高频功率放大器
高频功率放大器
高频功率放大器是指能够放大高频信号的功率的放大器。
在无线通信、雷达、医学诊断等领域，需要对高频信号进行放大，因此高频功率放大器具有重要的应用价值。
高频功率放大器通常采用半导体器件如晶体管、场效应管等作为放大元件。
不同的放大器结构和电路设计可以用于不同的频率范围和功率要求。
在设计高频功率放大器时，需要考虑以下几个关键因素：
1. 频率响应：要保证放大器在所需的频率范围内具有良好的增益和相位特性，以确保信号的准确放大。
2. 功率输出：放大器应能够提供所需的输出功率，以满足系统的功率要求。
3. 效率：高频功率放大器的效率越高，其在转换输入功率为输出功率时损耗的能量越少。
4. 线性度：在大功率输出时，要保持放大器的线性度，以避免失真和干扰。
5. 稳定性：放大器应具有良好的稳定性，以避免产生震荡或变换输出。
6. 抗干扰性：高频功率放大器应能够抵抗外部干扰，保持信号的纯净性。
高频功率放大器在无线通信系统中扮演着重要的角色，能够增强信号传输的距离和可靠性，提高信号的质量和覆盖范围。
第章高频功率放大器
第一章高频功率放大器概述高频功率放大器是一种专用放大器，主要用于放大高频信号以改善信号传输和处理的效果。
高频信号在传输过程中容易受到噪声和信号衰减等影响，因此需要使用高质量的放大器来解决这些问题。
高频功率放大器通常用于广播、通信、雷达和医学设备等领域。
在这些应用场合中，高频信号需要被放大到足够高的水平以保证其正常工作。
然而高频信号的放大并不是一件简单的事情，因为高频信号具有特别的特性，需要专门的技术和设备才能处理。
第二章高频功率放大器的原理高频功率放大器的工作原理类似于普通放大器，但它需要更多的细节和技巧。
以下是高频功率放大器的工作原理。
2.1 放大器基本原理放大器的基本原理是将输入信号增加到一个可控范围内的输出信号。
在高频功率放大器中，输入信号是原始高频信号，输出信号是经过放大和处理后的高频信号。
在放大器中，晶体管是主要的放大器元件，因为它们以高速工作，且具有稳定的放大特性。
2.2 高频功率放大器的原理高频功率放大器的原理类似于普通放大器的原理，主要包括功率放大和线性放大两种模式。
功率放大模式将输入信号的强度直接放大到最大，保证输出信号的功率尽可能大。
这种模式下的放大器通常用于发射机和雷达等应用场合。
线性放大模式将输入信号的强度放大到一个可以被处理的范围内，以保持输出信号的线性特性。
这种模式下的放大器通常用于接收机和信号处理器等领域。
第三章高频功率放大器的性能指标高频功率放大器的性能指标是衡量其性能和质量的标准，以下是几个常见的指标：3.1 频率响应频率响应表示放大器对于不同频率的输入信号的响应能力，它直接影响着信号的传输和处理效果。
3.2 增益增益表示输出信号与输入信号之间的增加比例，越高的增益意味着越大的信号输出。
3.3 噪声系数噪声系数是指输入信号和输出信号之间的信噪比，噪声越小，信噪比越高，放大器的效果就越好。
3.4 带宽带宽是指在特定的频率范围内，放大器能够保持其放大性能的能力，带宽越宽，放大器的应用范围就越广。
第3章高频功率放大器
遗留问题：
（1） 丙类导通角<90o，何时最优？ （2） 放大、临界、饱和，何处最优？
功率放大器的的概述
五、高频功率放大器的分类
1、窄带高频功率放大器：以LC谐振回路为负
载又称谐振功率放大器，主要工作在丙类 或者丁类。（主要掌握的内容） 2、宽带高频功率放大器：以传输变压器为负载 工作在甲类，采用功率合成技术来增大输出 功率。在军事上为了保密和反敌干扰多采用 此放大器
2.晶体管工作在什么区？（在后续的课程中仔细体会）
强调：功率放大的含义
根据能量守恒定律能量是不能放大的，功率放大 的本质是将直流电源VCC的能量转化为高频交流信号能 量的形式的过程，从现象上看就是高频小功率信号被 放大为高频大 功率信号。
3.1 丙类谐振功率放大器的工作原理
二、工作原理及性能分析
uBE＝ Uim coswt –VBB
iC vbemax
V BZ
－ V BB
t
vBE
Uim
1 Pc T
T 0
i C v CE dt
1. iC 脉冲最大时，vCE最小，使得Pc较小； 2. 导通时间越短，即导通角越小，
导通角qc <90o，Pc越小；
三种类型功率放大器的比较
转移特性曲线
ic f uBE u
C E 常量
1 π PC uCE iC d t 2π π
结论：要提高高频功率放大器的输出效率，就要
尽可能降低器件的功率损耗，因此谐振功
率放大器中晶体管工作在丙类工作状态。
功率放大器的的概述
2. 效率与失真矛盾的解决
重点体会：电流波形严重失真，但输出波形又
不失真（完整的正弦波），且频率
高频功率放大器
1.调谐功率放大器知识简介在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。
为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。
高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。
在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。
这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。
实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。
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，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。
低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。
例如，自20 至20000 Hz，高低频率之比达1000 倍。
因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。
高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz 一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。
例如，调幅广播电台（535 －1605 kHz 的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。
中心频率越高，则相对频宽越小。
因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。
由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。
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。
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第二章高频功率放大器思考题与习题一、填空题2-1、为了提高效率，高频功率放大器多工作在或状态。
2-2、为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，实际常取θc = 。
2 -3、根据在发射机中位置的不同，常将谐振功率放大器的匹配网络分为、、三种。
二思考题2-1、谐振功率放大器工作于欠压状态。
为了提高输出功率，将放大器调整到临界状态。
可分别改变哪些参量来实现.当改变不同的量时，放大器输出功率是否一样大.2-2、为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态.为什么采用谐振回路作负载.谐振回路为什么要调谐在工作频率.2-3、为什么低频功率放大器不能工作于丙类.而高频功率放大器可以工作于丙类.2-4、丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲类功率放大器的负载线有什么区别.为什么会产生这些区别.动态特性的含意是什么.2-5、一谐振功放的特性曲线如图题2-5所示,试为以下各题选取一正确答案：(1)该功放的通角θ为：(a)θ>90。
；(b)θ=90。
；(c)θ<90o。
(2)放大器的工作状态系：(a) 由E c、E B决定；(b)由U m、U bm决定；(c)由u BE ma*、u CE min决定。
(3)欲高效率、大功率,谐振功放应工作于：(a)欠压状态；(b)临界状态；(c) 过压状态(4)当把图P4.l中的A点往上移动时,放大器的等效阻抗是：(a)增大；(b)不变；(c)减小。
相应的工作状态是：(a)向欠压状态变化；(b)向过压状态变化；〈c〉不变。
图思2-52-6. 采用两管并联运用的谐振功率放大器,当其中一管损坏时,发现放大器的输出功率约减小到原来的1/4,且管子发烫,试指出原来的工作状态。
2-7高频功率放大器当u b=U b cosωc t时,uc=U cm cos5ωc t,试答复以下问题：(1)假设放大器工作在欠压状态,为了使输出功率最大,应调整哪一个参数?如何调整?(2)假设放大器工作在欠压状态,在保持P。
不变的前提下为进一步提高效率,应如何改变电路参数?(3)为实现基极调幅,放大器应调整在什么状态?为实现集电极调幅,放大器又应调整在何状态?(4)假设放大器工作在过压状态,分别调整哪些参数可退出过压?如何调整?(5)为实现对输入信号的线性放大,应如何调整电路参数和工作状态?(6)为实现对输入的限幅放大,又应如何调整参数及工作状态?2-8*谐振功放的动特性曲线如图题2-8所示。
试答复以下问题:(1)判别放大器的工作类型,并说明工作在何种状态。
(2)为了使输出功率最大,应如何调整负载R L,并画出此时的动特性曲线。
(3)确定调整后的最大输出功率与原输出功率的比值P om*/P o。
图思2-82-9*谐振功率放大器及功放管的输出特性如图题2-9所示。
u b=1.2cosωt V,测得u o的振幅Um=12V。
测得u o的振幅U om=12V。
(1)画出动特性曲线,说明电路的工作状态。
(2〉为了提高输出功率,将电感抽头A点向上移动。
当移到中间点时，放大器刚好工作在临界状态,试画出此时的动特性曲线。
(3)求临界状态下的P o。
(4)假设负载RL不慎开路,试问放大器的工作状态、输出电压和输出功率有何变化?图思2-92-10.一谐振功率放大器,原来工作在临界状态,后来发现该放大器性能变化：P o明显下降,而ηc反而增加,但E c、U cm、u BEma*不变。
试问此时放大器工作在什么状态?导通时间是增大还是减小?并分析其性能变化的原因。
2-11.有一谐振功放,设计时希望其工作于临界状态,然而实测时发现其输出功率P o仅达设计值之20%,集电极交流电压振幅U cm=0.3E C,而集电极直流电流则略大于设计值,试问该功放实际工作于什么状态?其原因可能是什么?三、习题2-1.设一谐振功放,其通角分别为180o、90o和60o。
(1)假设上述三种情况下,放大器均工作于临界状态,且E c、i cma*一样,试在同一图上画出各自的动特性,并分别计算它们的效率之比以及输出功率之比(皆取θ=180o时为1)。
(2)放大器的E c、R e、u BEma*均一样,但仅当θ=180o时工作于临界,重复(1)题之计算。
2-2 *高频功率放大器，晶体管的理想化输出特性如图题2-2所示。
V cc=12V, V bb=0.4V, u b=0.3cosωtV, u c=10cosωtV 试：〔1〕作动态特性，画出i c与u ce的波形,并说明放大器工作于什么状态? 〔2〕求直流电源Vcc提供直流输入功率P=、高频输出功率Po、集电极损耗功率P c、集电极效率ηc。
图题2-22-3.一谐振功放的输出功率P o=5W,E c=24V。
(1)当集电极效率=60%时,求其集电极功耗P c和集电极电流直流分量I co；(2)假设保持P o不变,将η提高到80%,问此时P c为多少?2-4.一谐振功放,偏压E B等于截止电压U B’,分别用图题-4所示的正弦波和方波两种输入信号作鼓励。
假设保持两种情况下的鼓励电压振幅、电源电压E c一样,且均工作于临界状态,求此两种情况下的集电极效率之比：η正：η方。
图题2-42-5.一谐振功放原工作于临界,θ=75o,假设保持鼓励信号的幅度不变,但频率降低一半。
问：此时将工作于何种状态?并求两者输出功率之比,即P O倍：P o放。
2-6.一谐振功放的晶体管转移特性如图题2-6所示。
(1)作放大器时,给定i cm=500mA, θ=70o,求E B U bm的值；(2)作三倍频器时,假设i cm=500 rnA,试求三次谐波输出最大时的E B U bm值。
图题2-6图题2-72-7.晶体三极管的转移特性如图题2-7(a)所示,管子饱和压降U CES≈1V。
不计基调效应,用该晶体管构成的谐振功率放大器如图题2-7 (b)所示,与负载耦合的变压器效率ηT=1。
(1)假设放大器工作于欠压状态,输入电压的u b=1.2cos2π×106t(V)，R L=4Ω,求输出功率P o、集电极效率η。
假设要到达输出功率最大,负载电阻R L应如何变化?此时的最大输出功率等于多少?(2)假设输入信号u b=1.2cos2π×0.5×106t(V),使放大器临界状态工作,LC数值不变,计算：输出功率P o、集电极效率η及相应的负载电阻R L。
2-8.一谐振功放导通期间的动特性曲线如图题2-8中的AB段,坐标为：A点(u CE=4.5V i c=600mA ) B点( u CE=20V i c=0 )集电极直流电源E c=24V,试求出这时的集电极负载电阻R e及输出功率P o的值。
图题2-82-9 图题2-9是用于谐振功放输出回路的L型网络,天线电阻r A=8Ω,线圈L的品质因数Q o=100,工作频率f=2MHz假设放大器要求的R e=40Ω,求L、C。
图题2-92-10 一谐振功放工作于临界状态,f=175MHz，R e=46Ω,r A=50Ω,C o=40pF,集电极采用如图题3-10，所示的Ⅱ型网络来实现阻抗匹配,试计算C1、C2和L。
图题2-102-11一谐振功放工作于临界状态,电源电压E C=24V,输出电压U cm=22V,输出功率P o=5W,集电极效率可ηc=55%,求：(1)集电极功耗P c,电流I co、I c1m，回路谐振电阻R e。
(2)假设R e增大一倍,估算P o;假设R e减小一倍,估算P o。
(3)假设增加一管组成并联型谐振功放,且保持两管均处于临界工作,此时总输出功率P o∑=10w,问此时的回路谐振电阻R e=?2-12.图题3-12所示电路的负载为R L,则输入阻抗应为多大?图题2-122-13.*谐振功率放大器电路及元件参数如图题2-13(a)所示,晶体管特性如图题2-13(b)所示,且E C=26V,E B=U B’,i cm=500mA,。
问:(1)放大器这时工作于什么状态?画出动特性曲线。
(2)假设在放大器输出端接一负载电阻R L=400Ω(如图P4.10(a)中所示),问：此时放大器将工作在什么状态?画出动特性曲线。
图题2-132-14.*晶体三极管的转移特性、输出特性以及用该管构成的谐振功率放大器如图题2-14所示。
该放大器导通期间的动特性为图中之AB段,β=20。
求：(1)放大器的直流偏压E B以及鼓励电压振幅U bm；图题2-14(2)为使放大器输出功率最大,负载电阻R L应改为多大(其他条件不变)?并计算此时放大器输出功率P o、直流电源供应功率P E、集电极效率ηc。
2-15.有两个功率放大器,采用一样的功率管,一个是双电源供电的乙类OTL电路,其集电极负载为R L,另一个是乙类工作的单管谐振功率放大器,在集电极上呈现的谐振电阻为R e。
设R L=R e,且两放大器的E c、U bm均一样。
(1)假设功率管导通时工作在放大区,试画出它们的集电极电流和集电极电压波形,并比拟两放大器的输出电压幅值；(2)增大R L和R e,使功率管进入特性的饱和区,试画出它们的集电极电压和电流波形。
2-16 *谐振功率放大器,基极偏置电压E B=-0.2V,晶体管导通电压U B’=0.6V,临界饱和线斜率S cr=0.4S。
放大器的电源电压为E c=24V。
集电极回路负载谐振电阻R e=50Ω,鼓励电压振幅U bm=1.6V,输出功率P o=lW。
试求：集电极电流最大值i cmaz,输出电压幅度U cm,集电极效率ηc；放大器工作在什么状态?当R e变为何值时,放大器可以工作于临界状态?这时输出功率P o、集电极效率ηc分别等于多少?2-17*谐振功率放大器调整在临界状态,输出功率为25W,通角θ=60o电源电压E c=30V,功放管的临界饱和线的斜率S cr=1.8A/V。
分解系数αo(60o〉和α1〈60o)可查表确定。
(1)求电源提供功率PE、效率市和管耗P C。
(2)求匹配网络应提供的最正确负载电阻儿R ecr。
(3)假设负载回路发生失谐,有何危险?2-18*一晶体管谐振功率放大器,设V cc=24V,I co=250mA,P o=5W,电压利用系数ξ=0.95。
试求P=、η、R p、I clm和θc。
c2-19晶体管谐振功率放大器工作于临界状态,R p=200Ω,I co =90mA,V cc=30V,。
θc=90o。
试求P o和η。
c2-20谐振功率放大器的V cc、U cm和谐振电阻R p保持不变,当集电极电流的通角由100o减少为60o 时,效率将怎样变化?变化了多少?相应的集电极电流脉冲的振幅怎样变化?变化了多少?2-21*一3DA4高频功率晶体管的饱和临界限跨导g cr=0.8S,用它做成谐振功率放大器,选定V cc=24V,。