高频放大

1. 缓冲 高频放大 音频放大 高频振荡 话筒 倍频 调制 发射 天线 调幅发射机原理框图 声音 调幅发射机方框图

2. 本章内容提要 • 概述 • 高频功率放大器的工作原理 • 丙类功率放大器的状态分析 • 丙类功率放大电路 • 传输线变压器简介

3. 概 述 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。 • 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。 • 高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题 ①高效率输出 ②高功率输出 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高。

4. low high ω • 谐振功与非谐振功率放大器的比较 非线性(大信号) 相同: 要求输出功率大，效率高 谐振与非谐振(工作状态) 不同: 工作频率与相对频宽不同, 低频（音频）: 20Hz～20kHz 高频窄带信号 高频（射频）: （以调幅为例 ） 已调信号 AM广播信号: 535kHz～1605kHz，BW=10kHz

5. 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号，其工作状态通常选为丙类工作状态，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号，其工作状态通常选为丙类工作状态，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。 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。

6. i i c c i i c c Q o o o o e e t t b b V BZ t t • 谐振功率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。 小信号谐振放大器 波形图 谐振功率放大器 波形图

7. i i c c Q o o e t b t 小信号谐振放大器 波形图

8. i i c c o o e t b V BZ t 谐振功率放大器 波形图

9. 4 - 1 表 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 q ° 甲类 电阻 低频 =180 50% c q ° 乙类 推挽，回路 低频，高频 =90 78.5% c ° q ° h 90 180 50% 78.5% 甲乙类 ＜ ＜ ＜ ＜ 推挽 低频 c q ° h 90 78.5% 丙类 ＜ ＞ 选频回路 高频 c 丁类 开关状态 选频回路 高频 90%~100% • 功率放大器工作状态 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。 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效率。

10. 分类示意图 导通角: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

11. 功率放大电路的主要特点 • 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 (管子的保护)

12. 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）

13. low high ω nω 2ω 0 3ω • 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。

14. 通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。 输出回路 窄带谐振放大器 输入回路 晶体管 5 4 3 2 1 L T Tr1 C yL 谐振回路 有源器件 Tr2 效率与失真矛盾的解决(续) 丙类

15. 高频谐振功率放大器 • 功能：将直流功率转换为交流信号功率。 • 主要指标：输出功率与效率 • 工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真） • 分析方法：折线近似分析法。(大信号)

16. 谐振功率放大器的工作原理 • 原理电路 • 获得高效率所需要的条件 • 功率关系

17. 谐振功率放大器的基本电路 • 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： 晶体管的内部特性：

18. i i c c 转移 特性 i c max 理想化 w t –V BB o q q o + – V e q c c + BZ b c o q – v c c V bm V bm w t 故晶体管的转移特性曲线表达式： 故得： 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作用，仍然能得到正弦波形的输出。 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 谐振功率放大器转移特性曲线

19. u b V v BZ b w t – V B B i b w t i c w t u c V cm V V cm CC w t 高频功率放大器中各分电压与电流的关系 （a）

20. v VBB q q q V 0 i i - - + bm be C C c c c 0 转移 q + c v 特性 be 理想化 w t w o V t BZ • 获得高效率所需要的条件 小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源作基极偏置。 失真 高频功率放大器的 基本电路

21. v v V i v － i min BB CE C BE CE C 电流 或电压 i V V V v c max BZ cm bm max bE V CC c q w t 0 ( b) • 功率关系 1. iC与vBE同相，与vCE反相； 2. iC 脉冲最大时，vCE最小； 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；

22. 电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式： 谐振回路

23. 直流功率： 输出交流功率： 集电极效率： 集电极电压利用系数 波形系数

24. fT 0.2fT fβ 0.5fβ • 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 β0

25. 为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。 为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。 最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。 考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。

26. 晶体管的输出特性及其理想化 过压 临界 iC=gcrvCE 欠压

27. 晶体管静态转移特性及其理想化 iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ) End

28. VBB v q q q V o i i - - + bm be C C c c c 0 转移 q + c v 特性 be 理想化 w t w 0 V t BZ • 集电极余弦电流脉冲的分解 以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。 iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ) =gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB) =gcVbm (cosωt–cos c) 当t= c时，iC= 0 = gcVbm(1–cos c) 当t=0时，iC= iC max 取决于脉冲高度iC max与通角c

29. 尖顶余弦脉冲 由傅里叶级数求系数，得 波形系数 尖顶余弦脉冲的分解系数 其中：

30. 尖顶脉冲的分解系数 下面分析基波分量Icm1、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。 当c≈120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。

31. 图6-9 尖顶脉冲的分解系数 下面分析基波分量Icm1、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。 由曲线可知：极端情况c=0时， 如果此时=1，c可达100%。 为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。 End

32. 高频功率放大器的动态特性与负载特性 集电极效率ηc和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压VBB、Vbm 、VCC 。 因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC 、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。

33. VCC • A ic vcmin Vcm1 Vo Q • gd vce • 高频功放的动态特性-为一直线 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC 、VBB、Vbm所表示的输出动态负载曲线。

34. VCC • -VBB • • • • iC iC Vbm vcemin gcr vbemax vbemax iCmax iC Q • VBZ gC • gd vce Vces vBE vbemax • 高频功放的负载特性 临界区 • 欠压区 • 过压区 vbe

35. iC R R vbemax p p vce 0 0 临 临 欠压 欠压 过压 过压 界 界 • 高频功放的负载特性 临界区 欠压区 过压区

36. R R p p 0 0 临 临 欠压 欠压 过压 过压 界 界 负载特性曲线 • 高频功放的负载特性 结论： 欠压、过压、临界三种工作状态的特点： 欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大； 中间放大级 过压：恒压，Icm1变化，Po较小，ηc可达最高； 发射机末级 临界：Po最大，ηc较高； 最佳工作状态