第第6章章 谐振功率放大器谐振功率放大器概述：功率放大器概述：功率放大器一、作用及性能要求 安全：放大管应用在大信号状态，常接近管子的极限运用，故必选用合适功率管，保证安全工作。高效率：功率放大器为能量转换器，用放大管的集电极效率c来评价功率转换能量的性能。不失真：输出信号功率大，相应动态电流、电压就大，因而器件非线性特性引起的非线性失真就大。实用中常采用负反馈等措施减小失真，同时限制输出功率，使失真在允许范围内。作用：在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率性能要求：安全、高效、不失真、输出所需信号功率二、功率管的运用特性二、功率管的运用特性 运用状态导通时间导通角cmax甲类（A类）在激励信号作用下，管子在一个 周期内导通180050%乙类（B类）半个周期90078.5%丙类（C类）小于半个周期900丁类（D类）管子应用在开关状态，半个周期 饱和导通，半个周期截止三、高频功率放大器三、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。0.00110000003、高频功放和低频功放的比较相同点：实质都是在输入信号的控制下将电源直流功率转换为输出功率（为一受控的能量转换器）都要求输出符合要求的大功率，同时尽可能提高转换效率。不同点：两者工作频率和相对频带宽度相差很大。 两者所采用的负载也不同低频功放工作频率低，相对频带宽，频率在2020kHz，高频端与低频端之差达1000倍（fH/fL）高频功放工作频率很高（几百kHz几百兆Hz）相对频带一般很窄（几几） 低频功放：采用电阻、变压器等非调谐负载高频功放：窄带工作，使其负载要采用选频网络 分析方法不同 在一些近似条件下进行分析，着重定性说明高频功放大致的工作原理及特性 四、高频功率放大器与低频功率放大器的区别五、丙五、丙类谐振功率放大器的原理及特性类谐振功率放大器的原理及特性1 1、电路构成、电路构成 ui(t)为输入高频激励信号T为晶体管，把电源的直流功率转换为高频功率。VBB、VCC为电源，常使得管子处于C类工作状态。负载：采用谐振回路作负载，对信号进行频率选择频率选择，同时完成阻抗变换。阻抗变换。 这个电路的静态工作点这个电路的静态工作点是选择在接近截止点，或是选择在接近截止点，或选择在小于截止点的负偏选择在小于截止点的负偏置区。置区。 这样选择的主要考虑是消这样选择的主要考虑是消除由静态工作点所带来的无除由静态工作点所带来的无用功耗，从而提高放大器的用功耗，从而提高放大器的效率。效率。 使用并联谐振回路作负载使用并联谐振回路作负载具有选频和阻抗变换的作用具有选频和阻抗变换的作用2、电路特点3、功率放大器的工作频率1、低频区：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。2、中频区：必须考虑晶体管的结电容的影响，分析的方法复杂。3、高频区：除了考虑结电容的影响外，还必须考虑引线电感的影响分析和计算相当困难，本书进行定性的说明。4、特性曲线（复习）1、输入特性曲线3、转移特性曲线2、输出特性曲线5、输入电压和输入电流表达式 可见，输入电压的波形不失真6、输出电流波形、输出电流波形ic为周期性尖顶余弦脉冲电流，导通角/2,即导通时间小于半个周期 放大器的负载为并联谐振回路负载为并联谐振回路，其谐振频率0等于谐振频率s时，回路对s呈现出一个大的谐振阻抗，为纯电阻RP（即谐振电阻）。基波分量在回路上产生电压，对直流分量和谐波分量呈小阻抗，仅为基波分量的百分之几，故输出很小，可认为回路上仅有由基波分量产生的电压vc，其它频率成分信号均被虑除，从而在负载上得到不失真的信号电压在负载上得到不失真的信号电压 输入为连续正弦波，输出集电极电流为周期性的尖顶余弦脉冲，可进行傅立叶分解集电极电压为7、输出电压的表达式例：求各次谐波与基波的阻抗之比如果如果Q=20则可以得：则可以得：可得，谐波的阻抗只有基波阻抗的百分之几。可得，谐波的阻抗只有基波阻抗的百分之几。工作波形分析工作波形分析1）、输入电压：输入电压： 一个频率为一个频率为s的正弦（或者余弦）信号的正弦（或者余弦）信号2）、输入电流：输入电流： 一部分导通，一部分截止，严重的非线性失真一部分导通，一部分截止，严重的非线性失真3）、输出电流：输入电流的波形一致，严重的非线性失真输出电流：输入电流的波形一致，严重的非线性失真4）、输出电压：由于采用谐振回路作负载输出电压：由于采用谐振回路作负载 ，在负载两端只，在负载两端只有等于谐振频率的信号能够在谐振回路两端产生一个较大的有等于谐振频率的信号能够在谐振回路两端产生一个较大的输出电压，其他的频率的信号由于处于失谐状态，在负载两输出电压，其他的频率的信号由于处于失谐状态，在负载两端产生的电压很小，可以忽略，故输出了一个频率为端产生的电压很小，可以忽略，故输出了一个频率为s的余的余弦信号，输出电压不失真。弦信号，输出电压不失真。谐振回路在这里起了相当大的作用。谐振回路在这里起了相当大的作用。8、余弦脉冲的分解（数学推导）、余弦脉冲的分解（数学推导）傅立叶级数的系数为：傅立叶级数的系数为：余弦脉冲的分解（数学推导）余弦脉冲的分解（数学推导）可见：只要知道了导通角和输出电流的幅度就可以用下面的式子求出信号的各个分量，其中，分解系数可以查表得到。8、丙类功率放大器的计算功放的能量关系功放的能量关系 pc，c将可见要可见要c c，即要即要p pc c，而，而p pc c取决于取决于i iC C，v vCECE的大小及导通时间。的大小及导通时间。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直流电源提供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直流电源提供的直流功率，使之转化为交流信号功率传输出去的直流功率，使之转化为交流信号功率传输出去。PD:集电极直流电源提供的直流功率集电极直流电源提供的直流功率Po:输出交流信号功率输出交流信号功率Pc:集电极耗散功率集电极耗散功率1 1、集电极效率、集电极效率c c2 2、提高集电极效率、提高集电极效率c c的的途径途径集电极余弦电流脉冲函数可分解为付氏级数： 的选择的选择3 3、信号源功率及功率增益、信号源功率及功率增益信信号号源源提提供供的的功功率率称称为为激激励励功功率率，大大小小取取决决于于u ub b的的基基波波分分量量，此此功功率变为发射结和基区的热损耗。率变为发射结和基区的热损耗。高频功放中高频功放中A AV V和和A AI I均小于小信号及低频放大器，其功率增益一般为均小于小信号及低频放大器，其功率增益一般为十几到二十几十几到二十几dB(dB(几十倍几十倍) )。 C类谐振功率放大器的性能特点类谐振功率放大器的性能特点 对对功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真。 高频功率放大器的工作状态取决于电源电压高频功率放大器的工作状态取决于电源电压VCC、偏置电压偏置电压VBB、高频高频激励电压幅度激励电压幅度vbm及负载阻抗及负载阻抗RL（Vcm）。）。当这些参量变化时，放大器当这些参量变化时，放大器将出现不同的工作状态，为说明各种工作状态的优缺点，正确选用和将出现不同的工作状态，为说明各种工作状态的优缺点，正确选用和调整放大器的工作状态，需对高频功放的动态特性（负载特性）和外调整放大器的工作状态，需对高频功放的动态特性（负载特性）和外部特性（集电极部特性（集电极VCC、基极基极vb调制特性、放大特性）进行讨论。调制特性、放大特性）进行讨论。 折线分析法折线分析法1 1、与甲乙类功放分析方法的区别、与甲乙类功放分析方法的区别丙类：集电极负载为含电抗成分的谐振回路，使集电极的电流波和电丙类：集电极负载为含电抗成分的谐振回路，使集电极的电流波和电压波形截然不同，但两者又相互确定（压波形截然不同，但两者又相互确定（vCE由由iC产生，由于基区宽度产生，由于基区宽度调制效应，调制效应，iC又受又受vCE的影响）。要精确分析其性能特点，就要求解的影响）。要精确分析其性能特点，就要求解非线性微分方程，十分复杂。实践中，据谐振功放的工作特点可采用非线性微分方程，十分复杂。实践中，据谐振功放的工作特点可采用近似分析方法（准静态分析法、折线分析法）。近似分析方法（准静态分析法、折线分析法）。 甲乙类：负载为纯电阻，分析时可直接在工作的静态输出特性曲线上甲乙类：负载为纯电阻，分析时可直接在工作的静态输出特性曲线上作负载线，画出输入信号激励下的集电极电流和电压波形，从而求出放作负载线，画出输入信号激励下的集电极电流和电压波形，从而求出放大器的工作特性。大器的工作特性。逐点描绘法一、准静态分析法一、准静态分析法输出的电流非余弦脉冲的一部分，但是仍为周期脉冲，数学表达式复杂。不便于分析。二、折线分析法二、折线分析法折线分析法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替折线分析法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。准准静静态态分分析析法法中中，得得到到的的动动态态负负载载线线为为一一曲曲线线，分分析析起起来来不不如如直直线线方便；人们总是希望用数学的方法来对这种物理现象进行分析。方便；人们总是希望用数学的方法来对这种物理现象进行分析。折线分析法中，动态线可以近似为一条直线，使分析更加方折线分析法中，动态线可以近似为一条直线，使分析更加方便，且物理意义明确，虽不精确，但作为工程近似已满足要便，且物理意义明确，虽不精确，但作为工程近似已满足要求。求。 分析步骤：分析步骤：转转移移特特性性曲曲线线折折线线化化：用用交交横横轴轴于于V VBZBZ的的一一条条直直线线近近似似表表示示。V VBZBZ（或或记记为为V Vthth）为为晶晶体体管管的的门门限限电电压压（截截止止电电压压、起起始始电电压压）。直直线线斜斜率率为为g gc c，g gc c为为晶晶体体管管的的跨导（几十几百跨导（几十几百mAmA/V/V）。）。理想化折线方程为：理想化折线方程为：1 1）特性曲线的折线化：）特性曲线的折线化：输出特性曲线折线化：用直线段来代替晶体管的实际曲线。临界线是斜率为临界线是斜率为g gcrcr的过原点直线，临界线方程为：的过原点直线，临界线方程为： icgcrvCE过压区临界线欠压区2 2）、作动态特性曲线：）、作动态特性曲线： 小信号时为一条过静态工作点的斜率为负载电阻值倒数的直线，即小信号时为一条过静态工作点的斜率为负载电阻值倒数的直线，即负载线。丙类高频功放中为一条曲线，若采用折线法，可近似为一负载线。丙类高频功放中为一条曲线，若采用折线法，可近似为一条直线。条直线。 由外部电路关系式由外部电路关系式 消去消去coscost t得得再由晶体管折线方程再由晶体管折线方程 可得出可得出icvCE平面上的动态线方程平面上的动态线方程斜率为斜率为 ，截距为，截距为动态线方程：动态线方程：画动态线：画动态线：在在vCE轴上取点轴上取点B使使OBVo，从，从B作斜率为作斜率为gd的直线，即为负载线。的直线，即为负载线。动态线与特性曲线的交点即为放大器在输入信号作用下的动态工动态线与特性曲线的交点即为放大器在输入信号作用下的动态工作点。根据这些点可求出对应不同作点。根据这些点可求出对应不同t值时的值时的ic值，从而绘出相应值，从而绘出相应的的ic的脉冲波形。的脉冲波形。 动态电阻动态电阻Rc把动态线的斜率值的倒数称为谐振功放的动态电阻把动态线的斜率值的倒数称为谐振功放的动态电阻即然而：三、谐振功放的三种工作状态及负载特性三、谐振功放的三种工作状态及负载特性 由由 可可知知，动动态态线线的的斜斜率率与与负负载载电电阻阻R Rp p相相关关（g gd d与与v vcmcm成成反反比比，v vcmcm与与R Rp p成成正正比比），负负载载电电阻阻Rp越越大大，其其上上产产生生的的交交流流输输出出电电压压也也越越大大，动动态态线线的的斜斜率率就就越越小小，放放大大器加上不同负载时，动态线与相应集电极波形将有所不同器加上不同负载时，动态线与相应集电极波形将有所不同。 根据集电极的电压的波形可以将谐振功率放大器根据集电极的电压的波形可以将谐振功率放大器的工作状态分为三种，欠压，临界，过压。下面的工作状态分为三种，欠压，临界，过压。下面以负载的变化为例加以说明。以负载的变化为例加以说明。3. 功率放大器的负载特性功率放大器的负载特性： 在其他条件不变在其他条件不变(VCC、VBB、vi为一定为一定)，只变化放大器的负载电阻而引，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率、起的放大器输出电压、输出功率、效率、Ico,Ic1等变化特性称为负载特性。等变化特性称为负载特性。VccVccQQi ic cv vcece下面来讨论谐振功率的性能随着负载发生变化时的特性 3、根据根据Po=0.5VcmIc1可知：输出功率明显的增加可知：输出功率明显的增加。 欠压工作状态欠压工作状态1801800 0负负负负载载载载增增增增大大大大i ic cv vcecet tB BA Ai ic cQQVccVcc B点以右的区域。在欠压区至临界 点的范围内。 2、根据根据Vc=RpIc1，放大器的交流输放大器的交流输出出 电压必随负载电阻电压必随负载电阻RP的增大而增的增大而增 大，如图所示。大，如图所示。 1、由于三极管输出特性曲线在放大由于三极管输出特性曲线在放大 区随着输出电压的增加缓慢增加区随着输出电压的增加缓慢增加 当负载增加时，产生的输出脉冲当负载增加时，产生的输出脉冲 电流的幅度随着缓慢减小。经过电流的幅度随着缓慢减小。经过 傅立叶级数分解后的直流分量傅立叶级数分解后的直流分量Ic0 和基波分量和基波分量Ic1减小缓慢。减小缓慢。4、根据根据PDC=VccIc0可知：直流电源提供的功率基本不变，可知：直流电源提供的功率基本不变， 减小缓慢。减小缓慢。5、根据功率守恒的原理，三极管的集电极耗散的功率明显、根据功率守恒的原理，三极管的集电极耗散的功率明显 的下降，效益明显的提高。的下降，效益明显的提高。i ic cv vceceB Bi ic cQQVccVcc 临界工作状态曲线在拐点曲线在拐点曲线在拐点曲线在拐点B B处的工作状态处的工作状态处的工作状态处的工作状态1、放大器的交流输出电压的幅度放大器的交流输出电压的幅度VCM 为为VCC-VCE(sat),由于由于VCE(sat) 很小很小,输输出出 电压的幅度很大，如图所示。电压的幅度很大，如图所示。2、输出脉冲电流的幅度与欠压时相比输出脉冲电流的幅度与欠压时相比 有微量的减小。但变化不大有微量的减小。但变化不大。3、根据根据Po=0.5VcmIc1可知：输出功率很大。可知：输出功率很大。 过压状态过压状态负负负负载载载载增增增增大大大大i ic cv vcecet tB B1、放大器的交流输出电压的幅度放大器的交流输出电压的幅度VCM 为为VCC-VCE(sat),由于由于VCE(sat) 变化的范变化的范围围 很小，很小， VCM缓慢增大。缓慢增大。2、由于饱和由于饱和 深度的加深，三极管集电深度的加深，三极管集电 极输出电流的幅度明显减小，且在极输出电流的幅度明显减小，且在 中心发生凹陷，负载越大凹陷越深中心发生凹陷，负载越大凹陷越深 经过傅立叶级数分解后的直流分量经过傅立叶级数分解后的直流分量 Ic0和基波分量和基波分量Ic1很快减小。很快减小。3、根据根据Po=0.5VcmIc1可知：输出功率下降很快。可知：输出功率下降很快。4 4、根据根据PDC=VccIc0可知：直流电源提供的功率减小很快。可知：直流电源提供的功率减小很快。5、输出功率和电源功率都减小的同时，输出的效率还输出功率和电源功率都减小的同时，输出的效率还 是较大，但随着负载的进一步的增加，输出的效率是较大，但随着负载的进一步的增加，输出的效率 又进一步减小。又进一步减小。可见：负载由小到大的过程中电流ic输出电压负载增加的方向欠压临界过压根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线图3-12 负载特性曲线欠压状态的特点是功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，的特点是功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大， 输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差 不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常 设计成这种状态。设计成这种状态。过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅 值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所 下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。结论：结论：结论：结论： 在在设计谐振功率放大器时，要设计好选频回设计谐振功率放大器时，要设计好选频回设计谐振功率放大器时，要设计好选频回设计谐振功率放大器时，要设计好选频回路使其能够满足最佳负载的要求，此时的输出功路使其能够满足最佳负载的要求，此时的输出功路使其能够满足最佳负载的要求，此时的输出功路使其能够满足最佳负载的要求，此时的输出功率最大，效率较高。率最大，效率较高。率最大，效率较高。率最大，效率较高。 由于输出电流严重失真，为了输出不失真的由于输出电流严重失真，为了输出不失真的电压，必须增加谐振回路来进行滤波。电压，必须增加谐振回路来进行滤波。调制特性1、集电极调制特性在其他条件不变在其他条件不变(VBB、vi、Rp为一定为一定)，只变化放大器的集电，只变化放大器的集电极的供电电源而引起的放大器输出电压、输出功率、效率、极的供电电源而引起的放大器输出电压、输出功率、效率、Ico,Ic1等变化特性称为集电极调制特性。等变化特性称为集电极调制特性。1、集电极供电电集电极供电电压由小到大的过压由小到大的过程中，工作状态程中，工作状态由过压过渡到临由过压过渡到临界，再过渡到欠界，再过渡到欠压。压。2、集电极电流由凹陷较深的脉冲集电极电流由凹陷较深的脉冲到没有凹陷的脉冲，在过压区增加到没有凹陷的脉冲，在过压区增加很快，在欠压区增加缓慢很快，在欠压区增加缓慢集电极调制特性3、集电极回路的输出电压，在过压区增加较快，在欠集电极回路的输出电压，在过压区增加较快，在欠压区增加缓慢压区增加缓慢。4、由集电极电流和电压的关系可以得：输出功率由集电极电流和电压的关系可以得：输出功率在过压区增加较快，在欠压区增加缓慢在过压区增加较快，在欠压区增加缓慢。过压临界欠压集电极调制集电极调制根据集电极的所加的电压性质可知，如果控制集电根据集电极的所加的电压性质可知，如果控制集电极的电压在过压区，可以使集电极的电流发生较大极的电压在过压区，可以使集电极的电流发生较大的变化。即在负载上输出的电压的幅度有较大的变的变化。即在负载上输出的电压的幅度有较大的变化，故可以用它来实现集电极调幅。化，故可以用它来实现集电极调幅。1、载波信号通过高频变压器加入三极管的基极。载波信号通过高频变压器加入三极管的基极。2、调制信号通过低频变压器加入三极管的集电极使集调制信号通过低频变压器加入三极管的集电极使集电极的供电电源随着调制信号的变化而变化。电极的供电电源随着调制信号的变化而变化。3、集电极回路谐振在载波频率上。集电极回路谐振在载波频率上。4、合理选择集电极的直流电源，使没有输入信号时，合理选择集电极的直流电源，使没有输入信号时，电路处于过压区线性部分的中心电路处于过压区线性部分的中心过压临界欠压集电极调制波形分析2、基极调制特性在其他条件不变(Vcc、vb、Rp为一定)，只变化放大器的基极的供电电源而引起的放大器输出电压、输出功率、效率、Ico,Ic1等变化特性称为基极调制特性。调制特性2、基极调制特性基极调制特性1、基极供电电压由小到大的过程中，工作状态由、基极供电电压由小到大的过程中，工作状态由欠压过渡到临界，再过渡到过压压。欠压过渡到临界，再过渡到过压压。2、集电极电流由没有凹陷的幅度较小的脉冲到没有集电极电流由没有凹陷的幅度较小的脉冲到没有凹陷的幅度较大的宽度增加的脉冲，在过压区电流的凹陷的幅度较大的宽度增加的脉冲，在过压区电流的幅度不再增加，但是宽度增加，凹陷加深。幅度不再增加，但是宽度增加，凹陷加深。3、集电极的回路电压，由幅度较小的信号，逐渐增集电极的回路电压，由幅度较小的信号，逐渐增加，在欠压区增加较快，在过压区增加缓慢。加，在欠压区增加较快，在过压区增加缓慢。基极调制特性欠压临界过压基极调制根据基极的电压性质可知，如果控制基极极的电压根据基极的电压性质可知，如果控制基极极的电压在欠压区，可以使集电极的电流发生较大的变化。在欠压区，可以使集电极的电流发生较大的变化。即在负载上输出的电压的幅度有较大的变化，故可即在负载上输出的电压的幅度有较大的变化，故可以用它来实现基极调幅以用它来实现基极调幅。1、载波信号通过高频变压器加入三极管的基极载波信号通过高频变压器加入三极管的基极。2、调制信号通过低频变压器加入三极管的基极使基极调制信号通过低频变压器加入三极管的基极使基极的供电电源随着调制信号的变化而变化的供电电源随着调制信号的变化而变化。3、集电极回路谐振在载波频率上集电极回路谐振在载波频率上。4、合理选择基极的直流电源，使没有输入信号时，合理选择基极的直流电源，使没有输入信号时，电路处于欠压区线性部分的中心电路处于欠压区线性部分的中心放大特性在其他条件不变在其他条件不变(Vcc、 VBB 、Rp为一定为一定)，只变化放大器的输入，只变化放大器的输入电压的幅度而引起的放大器输出电压、输出功率、效率、电压的幅度而引起的放大器输出电压、输出功率、效率、Ico,Ic1等变化特性称为放大特性等变化特性称为放大特性。性质欠压临界过压1、输入电压由小到大的过程中，工作状态由欠压过渡到临界，再过渡到过压压。性质2、集电极电流由没有凹陷的幅度较小的脉冲到没有凹陷的幅度较大的宽度增加的脉冲，在过压区电流的幅度不再增加，但是宽度增加，凹陷加深。3、集电极的回路电压，由幅度较小的信号，逐渐增加，在欠压区增加较快，在过压区增加缓慢。可见，放大特性与基极调制特性基本相同。四、谐振功放的高频特性（一）、什么是谐振功放的高频特性（一）、什么是谐振功放的高频特性?当输入信号的频率大于当输入信号的频率大于0.5倍的共射极截止频率时，通常会倍的共射极截止频率时，通常会引起谐振功率放大器的输出功率下降、效率降低、功率增益引起谐振功率放大器的输出功率下降、效率降低、功率增益下降、以及输入和输出变为复数阻抗等现象，叫做谐振功率下降、以及输入和输出变为复数阻抗等现象，叫做谐振功率放大器的高频特性。放大器的高频特性。（二）、引起谐振功率放大器高频效应的原因？引起谐振功率放大器高频效应的原因？平均渡越时间平均渡越时间:少数载流子在少数载流子在基区的扩散而到达集电极的基区的扩散而到达集电极的所需要的平均时间。所需要的平均时间。主要表现为四个方面：主要表现为四个方面：1、少数载流子的渡越时间的影响、少数载流子的渡越时间的影响NNPEBC1、少数载流子的渡越时间的影响低频时的情况 输入电压的周期远大于非输入电压的周期远大于非平衡少数载流子的平均渡平衡少数载流子的平均渡越时间，少数载流子的平越时间，少数载流子的平均渡越时间可以忽略，可均渡越时间可以忽略，可以认为输入电压的最大值以认为输入电压的最大值时，输入电流和输出电流时，输入电流和输出电流同时达到最大值。同时达到最大值。高频时的工作情况1、发射极的正向导通电压决定于、发射极的正向导通电压决定于vbe，当基区中的，当基区中的少数载流子还没有完全到达集电极时，少数载流子还没有完全到达集电极时， vbe已经改已经改变方向，于是基区中的靠近集电结的少数载流子将变方向，于是基区中的靠近集电结的少数载流子将继续向集电极扩散，靠近发射结的少数载流子在反继续向集电极扩散，靠近发射结的少数载流子在反向电压的作用下，返回到发射极，造成了发射极电向电压的作用下，返回到发射极，造成了发射极电流的反向流通。流的反向流通。2、由于渡越效应，集电极电流的最大值将滞后、由于渡越效应，集电极电流的最大值将滞后于发射极电流的最大值，且最大值比低频时小，于发射极电流的最大值，且最大值比低频时小，最后到达集电极的少数载流子比最后到达集电极的少数载流子比vbe=Eb时晚，形时晚，形成的集电极的电流脉冲展宽。成的集电极的电流脉冲展宽。少数载流子的平均渡越时间可以和输入信号的周期相比，某一少数载流子的平均渡越时间可以和输入信号的周期相比，某一时刻的基区的载流子的分布与这一时刻以前的外加电压有关。时刻的基区的载流子的分布与这一时刻以前的外加电压有关。3、基极电流是发射极电流和集电极电流的差，、基极电流是发射极电流和集电极电流的差，有明显的负值成份，而且最大值也比外加的电有明显的负值成份，而且最大值也比外加的电压的最大值提前。压的最大值提前。集电极的幅度减小，输出功率减小，导通角增大，输出效益下降，基极分量的最大值集电极的幅度减小，输出功率减小，导通角增大，输出效益下降，基极分量的最大值的提前，输入阻抗呈现非线性的容抗。的提前，输入阻抗呈现非线性的容抗。2、非线性电抗的影响输入部分除了非线性的输入阻抗外，还有集电结电容，输入部分除了非线性的输入阻抗外，还有集电结电容，这个电容随着集电结的电压的变化而变化，它对放大这个电容随着集电结的电压的变化而变化，它对放大器有两个方面的影响。器有两个方面的影响。1、构成了输出与输入的反馈支路，频率越高，反馈、构成了输出与输入的反馈支路，频率越高，反馈越大。越大。2、这个电容根据密勒定理在输入和输出端形成一个、这个电容根据密勒定理在输入和输出端形成一个输出电容，对输入和输出阻抗产生影响。输出电容，对输入和输出阻抗产生影响。3、发射极引线电感的影响发射极的引线电感在输入频率很高时，相当于在发射极的引线电感在输入频率很高时，相当于在发射极接有一个阻抗，这一阻抗的存在使输入和发射极接有一个阻抗，这一阻抗的存在使输入和输出阻抗发生了变化，同时，发射极接有的阻抗输出阻抗发生了变化，同时，发射极接有的阻抗会降低放大器的放大倍数，使输出功率下降。会降低放大器的放大倍数，使输出功率下降。ZL如图如图 ZL连接在输入和输出回路连接在输入和输出回路之间，其是一个电抗分量，它使之间，其是一个电抗分量，它使输入和输出的阻抗变成复阻抗。输入和输出的阻抗变成复阻抗。4、饱和压降的影响实验表明：三极管的饱和压降随着实验表明：三极管的饱和压降随着频率的增加而加大。频率的增加而加大。频率增大的方向1、频率越大，趋肤效应越严重，引起集、频率越大，趋肤效应越严重，引起集电极电流的分布不均匀，中心部分的压降电极电流的分布不均匀，中心部分的压降小，边缘部分的压降大，趋肤效应引起集小，边缘部分的压降大，趋肤效应引起集电极流通的有效的截面积减小，体电阻和电极流通的有效的截面积减小，体电阻和压降就大。压降就大。2、饱和压降增大，输出电压的利用系、饱和压降增大，输出电压的利用系数减小，功率放大器的输出功率数减小，功率放大器的输出功率 和效益和效益减小。减小。小结1、高频功率放大器的主要功用是产生高频大功率，典型应用是无线、高频功率放大器的主要功用是产生高频大功率，典型应用是无线电发射机的输出级，主要要求是高效率输出大功率。电发射机的输出级，主要要求是高效率输出大功率。2、输出大功率时，特别注意极限参数的限制。、输出大功率时，特别注意极限参数的限制。3、为了提高效率，高频功率放大通常选择丙类。为了提高效率，高频功率放大通常选择丙类。4、高频功率放大器通常是放大窄频带信号，有时甚至是单一频率高频功率放大器通常是放大窄频带信号，有时甚至是单一频率的信号。为了获得最大的信号功率，必须选择调谐回路和其他的的信号。为了获得最大的信号功率，必须选择调谐回路和其他的选择性回路作负载。选择性回路作负载。5、高频功放工作在高频和大信号的非线性状态，这时的器件的高频功放工作在高频和大信号的非线性状态，这时的器件的物理特性非常复杂，折线分析的方法会带来相当大的误差，最物理特性非常复杂，折线分析的方法会带来相当大的误差，最佳的工作状态要通过实践的调试来获得。佳的工作状态要通过实践的调试来获得。五、谐振功率放大电路的馈电线路定义：馈电线路： 直流的供电电路，分为集电极直流直流的供电电路，分为集电极直流供电电路和基极直流供电电路供电电路和基极直流供电电路。考虑到滤波匹配网络元件的安装方便，集电极直考虑到滤波匹配网络元件的安装方便，集电极直流供电对匹配网络的影响等实际因数，在谐振功流供电对匹配网络的影响等实际因数，在谐振功率放大器中，集电极的直流的馈电线路有两种不率放大器中，集电极的直流的馈电线路有两种不同的连接方式，串馈和并馈。同的连接方式，串馈和并馈。串（并）联馈电：串（并）联馈电：集电极的直流电源、滤波匹配集电极的直流电源、滤波匹配网络和功率管三者在电路的连接形式上表现为串网络和功率管三者在电路的连接形式上表现为串（并）联的一种连接方式（并）联的一种连接方式。集电极馈电集电极馈电：集电极串联馈电LC为高频扼流圈，它与为高频扼流圈，它与CC构成电源的构成电源的滤波电容。在信号频率上滤波电容。在信号频率上LC的感抗很的感抗很大，接近开路，大，接近开路，CC的容抗很小，接近的容抗很小，接近短路，目的是避免信号电流流过直流短路，目的是避免信号电流流过直流电源产生级间反馈，造成工作不稳定。电源产生级间反馈，造成工作不稳定。优点：优点：LC和和CC都在高频的低电位上，都在高频的低电位上，它们的分布参数不影响高频电路的它们的分布参数不影响高频电路的工作。工作。缺点：缺点：匹配网络位于直流的高电位上，元件的安装和调试不匹配网络位于直流的高电位上，元件的安装和调试不方便，特别是在调试时，人体的感应对谐振回路的影响较大，方便，特别是在调试时，人体的感应对谐振回路的影响较大，不便于调试。不便于调试。集电极并联馈电LC为高频扼流圈，它与为高频扼流圈，它与CC2构成电源构成电源的滤波电容。在信号频率上的滤波电容。在信号频率上LC的感抗的感抗很大，接近开路，很大，接近开路，CC1的容抗很小对的容抗很小对信号频率相当于短路起耦合作用、信号频率相当于短路起耦合作用、CC2的容抗很小，接近短路，目的是的容抗很小，接近短路，目的是避免信号电流流过直流电源产生级间避免信号电流流过直流电源产生级间反馈，造成工作不稳定。反馈，造成工作不稳定。优点：优点：匹配网络位于直流的低电位上，元件匹配网络位于直流的低电位上，元件的安装和调试方便。的安装和调试方便。缺点：缺点：LC和和CC1都在高频的高电位上，它们的分布参数影响都在高频的高电位上，它们的分布参数影响高频电路的工作。高频电路的工作。基极馈电线路基极馈电线路也分为串馈与并馈两种。与集电极不同的是基极馈电线路也分为串馈与并馈两种。与集电极不同的是基极的负偏压可以是外加的，也可以是基极直流或者是发基极的负偏压可以是外加的，也可以是基极直流或者是发射极的直流产生的。后者称为自给偏压式。射极的直流产生的。后者称为自给偏压式。自给偏压式串馈自给偏压式串馈分压式串馈分压式串馈自给偏压式并馈自给偏压式并馈自给偏压式串馈自给偏压式串馈自给偏压式并馈自给偏压式并馈六、匹配网络介于功率放大管和负载或者输入端与功率放大管之间的四介于功率放大管和负载或者输入端与功率放大管之间的四端网络叫做匹配网络。端网络叫做匹配网络。主要的任务主要的任务：1、将外加的负载转换为放大器所需要的最佳负载。、将外加的负载转换为放大器所需要的最佳负载。2、充分滤除不需要的高次谐波成份，保证负载所需的功率、充分滤除不需要的高次谐波成份，保证负载所需的功率3、将功率管给出的信号功率高效地传递给负载。、将功率管给出的信号功率高效地传递给负载。1 1、阻抗变换电路、阻抗变换电路串、并阻抗的转换电路等效：两端的阻抗相等（1）并联转化为串联的数学公式（2）串联转化为并联的数学公式转换后将大电阻变小，电抗的性质不变。转换后将小电阻变大，电抗的性质不变（3）品质因数串联：并联：可对上面数学公式改写2、L 型滤波网络LI型，将并联连接转化为串联连接，转换后的回路的阻抗减小。也就是说，如果要将一个大阻抗的负载转换为一个小阻抗的负载，使用LI型匹配网络LII型，将串联连接转化为并联连接后的回路的阻抗增大。即：将一个小阻抗的负载转换为一个大阻抗的负载，使用LII型匹配网络。LI型LII型3、T型和型匹配网络n在实际的应用中L型匹配网络往往不能满足实际的应用需要，T型和型匹配网络应运而生了。T型和型滤波网络可以用两个L型网络来看待。如图所示，负载由LII型的将负载转换为一个的高阻抗，再LI型将高阻抗转换为低阻抗。转换之后，使负载达到临界阻抗的要求，电路具有一定的频率选择功能。型滤波网路的分析方法与T型的分析方法一致。这里不作详细的说明。实例： 如图所示的电路，已知初、次级都谐振于如图所示的电路，已知初、次级都谐振于1MHz，RA为天线的辐射电阻，其为天线的辐射电阻，其值为值为37，已知回路需要的，已知回路需要的临临界阻抗界阻抗为为126.5 ,回路的接入系数为回路的接入系数为0.2，Q0100，QL10，试求，试求M、L1、C1为多少时，可以实现负载与三极管的最佳匹配？为多少时，可以实现负载与三极管的最佳匹配？解：次级回路谐振时的耦合阻抗七、谐振功率放大器的实际线路50M，70W的功率增益为11dB的谐振功率放大器。 基极采用T和L型两级混合网络集电极采用L和T两级混合网络150M，3W，功率增益为10dB的谐振功率放大器。基极并联型自给偏压式馈电，输入为T型滤波网络。集电极串联馈电，三级型滤波网络。实用功率放大器实例：八、倍频器输出信号的频率是输入信号频率整数倍的电路叫做倍频电路输出信号的频率是输入信号频率整数倍的电路叫做倍频电路采用倍频器有如下的优点：采用倍频器有如下的优点：1、发射机的主频可以降低，有利于稳频。、发射机的主频可以降低，有利于稳频。2、石英晶体振荡器的频率不易做的很高，一般、石英晶体振荡器的频率不易做的很高，一般20M以下，以下，超过这个频率，一般采用倍频。超过这个频率，一般采用倍频。3、倍频器的输入和输出频率不同，减小了寄生耦合，有利于稳定频率。、倍频器的输入和输出频率不同，减小了寄生耦合，有利于稳定频率。4、调频和调相通过倍频可以获得较大的频偏。、调频和调相通过倍频可以获得较大的频偏。工作原理与电路特点与谐振功率放大器原理相同，只是集电极的谐振回与谐振功率放大器原理相同，只是集电极的谐振回路谐振在谐波的频率上。路谐振在谐波的频率上。1、为了提高输出信号的幅度，丙类倍频器在、为了提高输出信号的幅度，丙类倍频器在2倍频倍频时，导通角设置为时，导通角设置为60为易，为易，3倍频的导通角设置倍频的导通角设置为为40 为易。为易。2、丙类倍频器的倍频次数不能太高。、丙类倍频器的倍频次数不能太高。3、不能对调幅信号进行倍频。、不能对调幅信号进行倍频。电路特点电路特点：九、丁类和戊类谐振功率放大器九、丁类和戊类谐振功率放大器 （一）丁类电路原理（一）丁类电路原理减小导通角可以提高放大器的效益，但是导通角太小时，减小导通角可以提高放大器的效益，但是导通角太小时，效率虽然很高，但是因为输出的基波的电流太小，输出效率虽然很高，但是因为输出的基波的电流太小，输出的功率反而下降。的功率反而下降。 固定导通角，减小管子的耗散功率的方法。具体的固定导通角，减小管子的耗散功率的方法。具体的是丁类功率放大器将导通角固定为是丁类功率放大器将导通角固定为9，在导通时，管子进，在导通时，管子进入饱和导通，器件的内阻接近于入饱和导通，器件的内阻接近于0，截止时，电流为零。，截止时，电流为零。器件的内阻接近于无穷大。器件的内阻接近于无穷大。1、输入信号的正半周时、输入信号的正半周时T1饱和饱和导通，导通，T2截止，截止，T1为谐振回路提为谐振回路提供正向电流。供正向电流。2、输入信号的负半周时、输入信号的负半周时T2饱和饱和导通，导通，T1截止，截止，T2为谐振回路提为谐振回路提供负向电流。供负向电流。3、串联回路谐振在、串联回路谐振在上，上，Q足够足够大，则大，则i为为的余弦波，上下两管的余弦波，上下两管均为半个周期导通，虽电流很大，均为半个周期导通，虽电流很大，但管压降很小。则但管压降很小。则Pc很小，很小，c就就很大。很大。工作原理工作原理与乙类功率放大器的不同点：1、集电极回路的中点不是地电位。2、中点输出的电压波形是方波3、输出负载中含有谐振回路4、使用的是两个相同的管型。电流开关型丁类功率放大器两管在两管在LC回路谐振时，在它的回路谐振时，在它的两端的电压的波形与其电流基两端的电压的波形与其电流基波分量的电流同向，故两管的波分量的电流同向，故两管的集电极与发射极瞬时电压的波集电极与发射极瞬时电压的波形为：形为： 两管轮流导通，电源通过扼流圈两管轮流导通，电源通过扼流圈提供一个恒定的电流，每管的电提供一个恒定的电流，每管的电流波形是矩形脉冲。流波形是矩形脉冲。波形分析在开关转换的瞬间，在开关转换的瞬间，回路电压等于回路电压等于0，中，中间抽头点的电压等间抽头点的电压等于晶体管的饱和压于晶体管的饱和压降；当晶体管导通降；当晶体管导通时，集电极电流的时，集电极电流的基波分量最大，变基波分量最大，变压器中点压器中点A的电压等的电压等于最大值。于最大值。在这个中心点的在这个中心点的电压的平均值等电压的平均值等于电源电压。于电源电压。集电极回路电压的交流峰值为：集电极回路电压的交流峰值为：vA其均方根值为：其均方根值为：集电极方波基频电流分量的振幅为集电极方波基频电流分量的振幅为：继而可以求出输出功率和效率继而可以求出输出功率和效率（二）戊类放大器（二）戊类放大器实际，由于分布电容和结电容影响，晶体管工作状态（导通和截止）转实际，由于分布电容和结电容影响，晶体管工作状态（导通和截止）转变需经历一段过渡时间，致使管子动态管耗增大，从而限制了丁类变需经历一段过渡时间，致使管子动态管耗增大，从而限制了丁类c c的提高。的提高。为克服这一点，在开关工作基础上，采用特殊设计的集电极回路，可保为克服这一点，在开关工作基础上，采用特殊设计的集电极回路，可保证证Vce为最小值的一段时间内才有电流，从而使为最小值的一段时间内才有电流，从而使c c。 晶体管丁类功率放大器总是由两个晶体管组成，而戊类功率放晶体管丁类功率放大器总是由两个晶体管组成，而戊类功率放大器则是单管工作于开关状态，它是通过选择适当的负载网络参数，大器则是单管工作于开关状态，它是通过选择适当的负载网络参数，使它的瞬态响应最佳的。也就是说，在开关导通或断开的瞬间，只使它的瞬态响应最佳的。也就是说，在开关导通或断开的瞬间，只有当器件的电压或电流降为有当器件的电压或电流降为0时，才能导通或者断开。这样即使开时，才能导通或者断开。这样即使开关的转换时间与工作周期相比已经相当长，也可以避免开关器件产关的转换时间与工作周期相比已经相当长，也可以避免开关器件产生大的电压和电流，减小器件的功耗，克服丁类功率放大器的缺点。生大的电压和电流，减小器件的功耗，克服丁类功率放大器的缺点。戊类功率放大器的原理戊类功率放大器的原理1、电路与等效电路jXA、假设扼流线圈的阻抗足够大，流过的电流、假设扼流线圈的阻抗足够大，流过的电流为恒值。为恒值。B、串联谐振回路的、串联谐振回路的Q足够大，输出电压为正足够大，输出电压为正弦信号弦信号C、三极管相当于一个开关，通（或断）时的电、三极管相当于一个开关，通（或断）时的电压（或电流）为压（或电流）为0，但在通断的极短时间除外，但在通断的极短时间除外D、电容、电容C与电压无关。与电压无关。假设：开关接通时，集电极电压为开关接通时，集电极电压为0，通过电容的电流也，通过电容的电流也为为0，集电极电流：，集电极电流：ICC i0断开时集电极电流为断开时集电极电流为0，电容，电容C上的电流上的电流 ICCi0戊类功率放大器的分析为了使效益最高，需要集电极电压波形的斜率等于为了使效益最高，需要集电极电压波形的斜率等于0。同时要求此时的集电极电流等于同时要求此时的集电极电流等于0。可以获得一个最佳。可以获得一个最佳的工作条件。的工作条件。由电容由电容C的充放电可得集电极电压波形。的充放电可得集电极电压波形。参看: Class E_A New Class of High Efficiency Tuned Single_ended Switching Power Amplifiers IEEE J. of SSC , Vol. SC -10 No.3.1975(6):168176