第2章 高频功率放大器

t
图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形
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2.2.4
负载特性
负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时，谐 振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电 极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲 线。
iC iC iC iC
10
30
50
70
9 0 1 10 1 30 1 50 1 70
/°
图2.5 余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线
波形系数：
a1 sin cos g1 a0 sin cos
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2.2.2 动特性曲线－－图解分析法 小信号电压放大器仅仅在放大区工作，负载是纯电阻， 因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时 工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。 谐振功率放大器不是仅工作在线性区，各个区的特性曲 线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，工 作点的轨迹就不是一条直线，所以瞬时工作点的轨迹称为
Uc=22.5V,试求：直流输入功率PE；集电极效率ηc；谐振电
阻Re；基波电流IC1m。 解：直流输入功率PE=Ico×Ec=6(w) 集电极效率ηc=Po/PE≈83% 谐振电阻Re=Uc2/2Po=50.6(Ω) 基波电流IC1m=Uc/Re ≈ 445(mA)
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2.2 丙类谐振放大器的工作状态分析
1) 减小导通角； 2）减小导通角内的uCE。
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在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量 提高输出功率。因为
PC Po 1 1
(2.1―13)
C
可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越 高，输出功率Po越大。
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例1：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率Po=5W， 晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压
匹配网络。
关键问题：与器件功耗联系的功率管温升受限。
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本章内容
• 2.1 谐振功率放大器基本工作原理 • 2.2 丙类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
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时，iC≈0；只有在uBE>UB’ 时，集电极才有电流输出，
iC≈gm(uBE-UB’) 所以集电极电流将是余弦脉冲。
iC ICo Ic1m cos t Ic 2m cos 2t (2.1 ─ 2)
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iC
gm
iC
EB － 0
UB ′ u BE uB
iCmax － 0 2
处于过压状态时，三极管会工作在那几个区？
2.1 谐振功率放大器基本工作原理
高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。
共同的目标：要求输出功率大和效率高。
不同的工作状态：低频功放工作于甲类或乙类；高频功 放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。所以负载特性： 低频功放工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变 压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，
iC 0 U CE EC
iC 0 U CE EC I C1m Re U CE max
虽然动特性是折线，输出电流时余弦脉冲，但输出电 压却是完整的余弦波形。为什么？
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2.2.3
谐振功率放大器的工作状态
谐振功率放大器的输出功率和效率由EB、Ubm、 EC、 Re 、UB’ 和 gm 六个参量决定。谐振功率放大器的工作状 态是根据集电极电流是否进入饱和区（即瞬时工作点C在 静特性曲线上所处位置）来确定的。
晶体管放大区的特性
' ' iC g m (uBE U B ) uBE U B
晶体管截止区的特性
晶体管饱和区的特性
iC 0 iC Scr uCE
' uBE U B
uBE EB Ubm cos t , uCE E C Ucm cos t
' iC gm (EB Ubm cos t U B )
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由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并联谐振回 路的选频滤波作用，集电极电压仍为余弦波形，且uCE与uBE 反相。 另外，已知集电极电流iC中有很多谐波分量，如果将 LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即ω0=ωn，则在回路
两端将得到ωn的电压 uc=IcnmRencos(nωt) 的输出信号，它的
动特性曲线在放大区部分是直线。
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在谐振功率放大器的输出特性上求出的两个瞬时工作点， 就得到在放大区的动特性曲线。 在ωt=0时，有：
' iC g m EB U bm U B iC max U CE EC I C1m Re U CE min

损耗功率PC, 即
定义集电极效率ηC为 波形系数 集电极电压利用系数
P PE Po C
P0 1 I c1m U cm 1 C g1 ( ) PE 2 I C 0 EC 2 I c1m g1 ( ) IC 0 U cm EC
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丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看。由
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任务：实现高频信号的功率放大。窄带高频功率放大器 （以LC并联谐振回路作负载），又称为谐振功率放大器。 目标：达到高效率，大功率输出。 原理组成：谐振功率放大器应由哪几部分组成，从原理上 讲，那些参数直接关系到它的效率和输出功率。 分析：在什么条件下能实现高效率和高功率输出。 实现方法：如何保证上条件得到满足---直流馈电和输出
图2.1 谐振功率放 大器原理电路
u CE － C
－ Re uc ＋ RL L
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2.1.2 工作原理
设输入信号为 ub U bm cos t 则由图2.1得基极回路电压为：
uBE EB U bm cos t
设三极管发射极的导通电压为UB’，在
u BE U
' B
1)欠压状态：C点在放大区，余弦脉冲高度最大，但Ucm
比较小 2)临界状态： C点在放大区与饱和区的边界上，余弦脉冲 高度同上，Ucm 接近最大 3)过压状态： C点在饱和区，集电极电流波形出现凹陷明
显下降， Ucm 略大于临界状态。
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iC iC E C′ ①② F C″ ③ 0 0 ③ A′ A″ ③ ② A EC B ① 0 uc u CE C u BEm ax ② ①
当ωt=θ时
' iC iC max g m (EB Ubm U B ) gm Ubm (1 cos )
' U B EB cos U bm
集电极余弦脉冲电流的解析表示式为
iC iC max cos t cos , 1 cos t
α0(θ)、 α1(θ)、 αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n 次谐波的电流分解系数。
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0 , 1 , 2 , 3 1 /0 ＝g 1 ()
0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 －0 .0 5 2 .0
1 0 ＝g 1 ()
1 .0
ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。
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ub
Ubm
uc
2
0 u BE UB ′ EB
0
t
0


Ucm
2
t
2 iC, ic1 iC
U bm
2
t
u CE EC
0
2
2

iclm
iCmax
i c1
2
t
t
图2.3 电流、电压波形
因此用谐振回路作负载。分析方法：低频功放利用晶体管
实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲 电流，因此用折线近似法。
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2.2.1 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理电路。
iC ＋ iB V ＋ ub － ＋ － EB － EC ＋

对应于输出特性上的C点。 在取 iC=0 时，得到 线性区的另一点A， 对应的ωt=θ 。
iC 0 U CE EC I C1m Re cos
ωt继续增加时，就表现为非线性，集电极电流维持 为0，但集电极电压继续增大。瞬时工作点在横坐 标轴上向右移动。
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动特性曲线。
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已知放大区集电极电流表示式为
iC gm ( EB Ubm cos t U B )
又根据uCE=EC-Ucmcosωt写出：
' B
EC uCE cos t U cm
EC uCE U bm ) 所以 iC g m ( EB U U cm
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1 sin cos I Co iC dt iC max (1 cos ) iC max a0 ( ) 2 1 sin cos I c1m iC cos td t iC max iC max a1 ( ) (1 cos ) 1 2sin n cos 2n sin cos n I cnm iC cos ntd t iC max n (n 2 1)(1 cos cos ) iC max an ( ) (n 1)