第3章调谐功放

本章重点和难点高频功率放大器的用途和特点两种近似分析方法:

折线近似分析法和幂级数近似分析法高频功率放大器的工作原理功率和效率：三个功率和一个效率工作状态（过压、欠压和临界）直流馈电电路，自给偏压环节第3章高频调谐功率放大器3.1概述（高频功率放大器的用途和特点）

高频功率放大器是一种能量转换电路，它将直流电源提供的能量部分地转换为高频交流输出。一、用途高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。它的作用是放大信号，使之达到足够功率输出。作为载波发射机及无线电发射机的输出级或输出前一级。二、高频功率放大器的特点

高频功率放大器的输入信号大，为几百毫伏到几伏。这种放大器的输出功率较大，以满足天线发射或其他负载的要求。效率较高。通信中应用的高频功率放大器，按其工作频率、输出功率、用途等不同要求，可以采用晶体管和电子管作为其电子器件。晶体管有耗电少、体积小、重量轻、寿命长等优点，在许多场合应用。对千瓦级以上的发射机，大多数采用电子管功率放大器。本章主要讨论晶体管功率放大器。

1822年，法国数学家傅里叶在研究热传导理论时发表了“热的分析理论”著作，提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理，奠定了傅里叶级数的理论基础。

正弦信号的分析方法已知，这样就可将复杂信号转化为可分析的已知信号。

十九世纪末，人们才制造出用于工程实际的电容器。二十世纪以后，谐振电路、滤波器、正弦振荡器等一系列具体问题的解决为正弦函数与傅里叶分析的进一步应用开辟了广阔的前景。复习（傅里叶级数和傅里叶变换）人们渐渐认识到，采用频率域的分析方法较之经典的时间域方法有许多突出的优点。周期信号的频谱分析：任何周期函数在满足一定的条件下，可以展成正交函数线性组合的无穷级数。如果正交函数集是三角函数集{cosω1t,sinω1t}或指数函数集{ejnωt}，称该周期函数所展成的级数就是“傅里叶级数”。三角形式傅里叶级数：指数形式的傅里叶级数：可看出，周期信号可分解成直流分量和许多正弦、余弦分量。这些分量的频率必定是基频f1（f1=1/T1）的整数倍。分别称为基波、二次谐波、三次谐波等。直流分量的大小以及基波与各次谐波的幅度、相位取决于周期信号的波形。周期为T的矩形信号，一个周期内：周期为T的矩形信号，一个周期内：ω1周期增大，谱线间隔变小，谱线长度趋于零。离散频谱变成连续频谱。对非周期信号，引入频谱密度（傅里叶变换）。当

uBE=UBB+ub=UBB+Ubmcosωt>Uj时，导通；否则，截止。3.2调谐功率放大器的工作原理3.2.1基本原理电路ub+-当ube=ub-Eb=Ubmcosωt-Eb>Uj时，导通；否则，截止。EbEc3.2.2晶体管特性的折线化在大信号电路中，为简化分析,可以将晶体管特性曲线理想化，即用一条或几条直线组成折线来代替，称为折线近似分析法。计算精度低，但仍满足工程需要。ubeic•-Eb•Ujubeic

•Ubmg1.导通时间的衡量：导通角θ3.2.3导通角输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2θ来表示，θ称为导通角。ωt当ube=ub-Eb=Ubmcosωt-Eb>Uj时，导通；否则，截止。icωtθθic1ic2IcoIcmax3.2.4集电极余弦脉冲电流分析余弦脉冲的特征表达：峰值Icmax和导通角θ余弦特征的分解：直流成分、基波及二、三…次谐波。Ic0=α0(θ)Icmax,Ic1m=α1(θ)Icmax,Ic2m=α2(θ)Icmax,…α0(θ),α1(θ),α2(θ),…被称为尖顶余弦脉冲的分解系数，是θ的函数。α1>α0Ic0=Icmaxα0(θ)Ic1m=Icmaxα1(θ)Ic2m=Icmaxα2(θ)iC频谱3.2.5槽路电压LC回路阻抗Rcicωtθθic1ic2ic4IcoIcmaxUj-EbIcmaxubetibticuceucECUcmUbmubeic•-Eb•UjubeUbmg（a）波形（b）大小（c）相位并联回路调谐在基波，Q值足够高（5至10）。EbEcLC回路阻抗RciC频谱icωtθθic1ic2ic4IcoIcmaxEbEc例：丙类谐振功率放大器如图所示。输出回路Q值足够高，且谐振于输入信号频率。若C1、C2对交流短路。当输入信号为余弦波时，试画出1、2、3三点和R1上的电压波形。3.3功率和效率

（1）晶体管集电极输出的交流功率Ec（2）电源供给的直流功率Ec（3）集电极损耗功率（4）集电极效率Ec

为了兼顾效率和输出功率，一般以400~700为宜。此时，比值在1.7到1.9之间。（4）集电极效率Ec若饱和压降为1V，在Ec=12V时，电压利用系数Ucm/Ec=11/12=0.917丙类甲类乙类

α1/α2Ej=0.6V，g=10mA/V，Icmax=20mA，Ec=12V时，忽略饱和压降。求θ=600时的输出功率、效率和Eb。从分解系数曲线图可读出，α1(600)=0.38,α0(600)=0.22可求出Eb-在放大区，晶体管的内部特性：ic=g(ube-Ej)晶体管的外部特性：3.4

谐振功率放大器的工作状态分析3.4.1谐振功率放大器的动态特性EcEbEcEbω-ic=g(ube-Uj)导通点B假设点Q（静态工作点）对于放大区中的动态特性直线，斜率绝对值的倒数称为动态电阻Rc’。

3.4.2谐振功放的三种工作状态欠压状态：Ucemin>Uces，晶体管工作在放大和截止区。Ucemin<Uces，晶体管工作在饱和、放大和截止区。过压状态：

临界状态：Ucemin=Uces，进入饱和区边缘。icωtθθic1ic2ic4IcoIcmaxEbEc放大区：ic=g(ube-Uj)EbEcic=g(ube-Uj)IcmaxθEcEbω-ic=g(ube-Uj)导通点B假设点Q（静态工作点）3.4.2谐振功放的三种工作状态欠压状态：Ucemin>UcesUcemin<Uces过压状态：

临界状态：Ucemin=Uces以C点位置划分CCC3.4.3参数变化对工作状态的影响

1.电阻的影响：负载特性

研究的问题：当EC、Eb和Ubm不变，改变谐振电阻Rc时，放大器的电流，电压，功率和效率随Rc的变化情况。当Rc由小变大时，斜率绝对值（R’c是斜率绝对值的倒数）由大变小，动态线以Q为圆心，由①变到③。ubeic•-Eb•UjubeicgUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUces•ubemax•uceminubemax•当Rc小时，Ucemin>Uces，欠压状态。

当Rc大时，Ucemin<Uces，过压状态。

Ucemin=Uces，临界状态，Rc=Rcp（最佳负载电阻）。

Picuce负载特性（1）欠压区Rc欠压区过压区临界区Rc欠压区过压区临界区Ic1mIcoPsubemaxUcmIcmax几乎不变（略减小），Ic1m,Ic0几乎不变（略减小）Ucm=Ic1mR线性增加，Ps=ECIc0几乎不变（略减小）PC当Rc线性增加时，PoicuceRc欠压区过压区临界区Rc欠压区过压区临界区Ic1IcoPsPcubemaxUcm负载特性（2）过压区：余弦脉冲顶部下凹Po在强过压状态，电流波形强烈畸变，效率会下降。负载特性（3）小结

例某高频功放工作在临界状态,已知EC=18V，

gcr=0.6A/V（线段OA，也称为临界饱和线），θ=60°，Rc=100Ω，求Po、Ps和集电极效率ηc。2.Ec的影响—集电极调制特性

uceicubemax•QEC••QEC•QEC••••icEC欠压区过压区临界区Ic1mIco研究的问题：当Rc、Ubm、Eb不变时，EC的影响。在欠压区，Ico、Ic1m基本不变。

只有工作在过压区，才能有效地实现EC对Ic1m的控制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。

进入过压状态后，随着|Eb|在正向偏置方向增大，脉冲电流的宽度增加，最大幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Ic1m和相应的Ucm增大得十分缓慢。

UcmIcoIc1m临界-Eb过压欠压OUBB2uBEicuBEmax1uBEmax2UBB3ubUBB1uBEmax3Uonict饱和区放大区截止区

当Ubm固定，基极渐渐变为正向偏置时，电流的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。

3.Eb的影响—基极调制特性研究的问题：当Rc、Ubm、EC不变时，Eb的影响。要实现Eb对Ucm的有效控制，要求工作在欠压区-Eb4.Ubm的影响—振幅特性uBEicuBEmax1uBEmax2ubUBBuBEmax3Uonict饱和区放大区截止区UcmIcmlIcoUbm过压临界欠压OOωticOωticUbm增大OωticωtOictUbm线性功率放大器tUcmUbmUcm振幅限幅器UcmtUbmUcm

固定Eb、增大Ubm和固定Ubm、-Eb增加类似。3.5

调谐功率放大器的实用电路要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电（供电）线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。3.5.1直流馈电电路

以集电极直流馈（供）电电路为例。馈电电路有两种基本形式：串联馈电和并联馈电。

串馈就是把功放管，负载回路和直流电源三部分串联起来。并馈就是将这三部分并联起来。电路构成原则：1.除晶体管内部外，尽量没有其他电阻消耗直流能量。2.负载回路产生所需的高频输出功率，滤除不要的谐波分量。Lc：扼流圈，对交流呈现大感抗，相当于断路。Cc：旁路电容，对交流有短路作用。3.5.2自给偏压环节基极馈电电路也分串馈和并馈。串馈就是将高频输入信号电压、基极直流电源和晶体管的发射结相串联。并馈就是将三部分并联起来。但基极很少使用独立电源，多利用射极电流或基极电流的直流分量，在某个电阻上产生的电压作为放大器的自给偏压。串IeoCBLBLBLBCERBReVTVTVTIBOEb

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