高频调谐功率放大器

1. 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

2. 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。

3. 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。

4. •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。

5. 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。

6. 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：
   



1
110 sincos
n
nn tnbtnaatf 
指数形式的傅里叶级数：
    tjn
n
enFtf 1
1





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。

7. 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：
T
2


8. 周期为T的矩形信号，一个周期内：
 















2
,0
2
,
{


t
tE
tf
 
tjn
n
n
e
n
Sa
T
E
tn
T
n
Sa
T
E
T
E
tf
1
2
cos
2
1
1
1























T


2
1 
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）。
        dtetfTnF
nF
F tj
T





 


  1
1
1
0 11
lim
2
lim

9. 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

10. ub
+
-
当ube= ub -Eb= Ubmcosωt -Eb > Uj时，导通；否则，截止。
Eb Ec

11. 3.2.2 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。

12. ube
ic
•
-Eb
•
Uj
ube
ic
•

Ubm
g


1.导通时间的衡
量：导通角θ
bbmbe EtUu  cos
0cos  cjbbm iUEU 时，当 
3.2.3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。
 jbbmc UEUgI max
bm
bj
U
EU 
cos
ωt

13. 当ube= ub -Eb= Ubmcosωt -Eb > Uj时，导通；否则，截止。

14. ic
ωt
θθ
ic1
ic2 Ico
Icmax
3.2.4 集电极余弦脉冲电流分析
...2coscos 21  tItIIi mcmccoc 
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。

15. •α1> α0
...2coscos 21  tItIIi mcmccoc 
Ic0 =Icmaxα0(θ)
Ic1m=Icmaxα1(θ)
Ic2m=Icmaxα2(θ)

16. iC频谱
3.2.5 槽路电压
ci 经 LC 并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻
Rc（最大值），而对其它谐波失谐阻抗很低。因而回路选出基波电
压 1cu ，而滤除各次谐波电压。
 2 3
LC回
路阻
抗

Rc
故回路输出的基波电压：
tU
tRI
Riu
cm
cmc
ccc


cos
cos1
11



而晶体管集电极的输出电压：
0
ic
ωtθθ
ic1
ic2 ic4
IcoIcmax
Uj
-Eb
Icmax
ube
t
ib
tic
uce uc
EC
Ucm
Ubm
ube
ic
•
-Eb
•Uj
ube

Ubm
g

（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）。
tUEu cmcce cos
Eb Ec

17. LC回
路阻
抗

Rc
iC频谱
 2 30
ic
ωt
θθ
ic1
ic2 ic4
Ico
Icmax
Eb Ec
...2coscos
...
21
210


tItII
iiIi
mcmcco
cccc


18. 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。

19. 3.3 功率和效率
（1）晶体管集电极
输出的交流功率
 0 1 2
0
1
1
cos cos cos2 ...
1
2
T
o cm c c m c m
cm c m
P U t I I t I t dt
T
U I
     


       dttitU
T
dttitu
T
dttp
T
P c
T
cmc
T
c
T
  cos
111
00
1
0
0
 
tRI
tUtu
cmc
cmc


cos
cos
1
1


Ec

20. （2）电源供给的直流
功率
   dttiE
T
dttp
T
P c
T
c
T
s   00
11
 
coc
mcmcco
T
cs
IE
dttItIIE
T
P

  ...2coscos
1
21
0

cocs IEP 
Ec
（3）集
电极损
耗功率
    osc
T
CE
T
c PPdttiu
T
dttp
T
P   00
11

21. （4）
集电
极效
率
c
cm
c
c
c
cm
c
mc
c
cm
s
c
E
U
I
I
E
U
I
I
E
U
P
P

0
1
max0
max1
0
10
2
1
2
1
2
1





Ec
cocs IEP mccmIUP 10
2
1

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。

22. （4）集电
极效率
c
cm
D
c
E
U
P
P

0
10
2
1



Ec
cmcce UEu min
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
 
87.0~78.0
917.09.1~7.1
2
1

c
甲
类
46.0917.01
2
1
c乙
类
72.0917.058.1
2
1
c
α1/α2

23. Ej=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。
%8686.0
124.4
126.7
2
1
2
1
4.422.020)60(
6.45126.7
2
1
6.738.020)60(
0
1
max0
max1
0
1







Cc
cmmc
c
cc
o
Cmc
EI
UI
mAII
mWP
mAII



从分解系数曲线图可读出，
α1(600)=0.38 , α0(600) =0.22
bm
bj
U
EE 
cos
 jbbmc EEUgI max
可求出Eb
-

24.  
tUE
tRIE
tRIE
RiEu
cmc
ccc
cmcc
ccCCE



cos
cos
cos
1max
1
1




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
bbmbe EtUu  cos
EcEb

25. EcEb
ω
-
tUEu cmCce cos
bbmbe EtUu  cos
ic=g(ube-Uj)
 jbccce UEgiEuQ  ;:
  cmccejbbmcc UEuUEUgIitC  ;;0: max
导通点B0,cos:  ccmcce iUEuB 
假设点Q（静态工作点）

26. 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’。
)0,cos(
),( max
cmc
ccmc
UEB
IUEC


  jbc UEgEQ ,

27. 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。
)0,cos(
),( max
cmc
ccmc
UEB
IUEC


  jbc UEgEQ ,

28. ic
ωt
θθ
ic1
ic2 ic4
Ico
Icmax
Eb Ec
...2coscos
...
210
210


tItII
iiIi
mcmcc
cccc

bbmbe EtUu  cos
tUEu cmCce cos
放大区：
ic=g(ube-Uj)
 dttp
T
P
T

0
1
mccmIUP 10
2
1

0ccs IEP  osc PPP 
c
cm
s
c
E
U
P
P

0
10
2
1




29. Eb Ec

30. bbmbe EtUu  cos
tUEu cmCce cos
ic=g(ube-Uj)
Icmax
θ

31. EcEb
ω
-
tUEu cmCce cos
bbmbe EtUu  cos
ic=g(ube-Uj)
 jbccce UEgiEuQ  ;:
  cmccejbbmcc UEuUEUgIitC  ;;0: max
导通
点Bjbbmccmcce UEUiUEuB   cos,0,cos:
假设点Q（静态工作点）

32. 3.4.2 谐振功放的三种工作状态
欠压状态：
Ucemin>Uces
Ucemin<Uces
过压状态：
临界状态：
Ucemin=Uces
)0,cos(
),( max
cmc
ccmc
UEB
IUEC


  jbc UEgEQ ,
以C点位置划分
CC
C

33. 3.4.3 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。
  cc RR  cos11 
))(,( jbc UEgEQ 
bm
bj
U
EE 
cos

34. ube
ic
•
-Eb
•Uj
ube


ic

g
Ubm
•
ubemax
icmax
uce
ic
EC
• Q
ucemin
Uces
•
ubemax
•
ucemin
ubemax
•
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）。

35. P
ic
uce
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
Ic1m
Ico
c
Ps
ubemax
Ucm
Icmax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）
 0
0
1
10
2
1
2
1
PPP
E
U
I
I
IUP sc
c
cm
c
mc
cmccm 
PC
当Rc线性增加时，
Po

36. ic
uce
Rc
欠压区 过压区
临
界
区
Rc
欠压区 过压区
临
界
区
Ic1
Ico
c
Ps
Pc
ubemax
Ucm
）（RIU
IIIR
cmccm
cmccmc
略有上升几乎不变1
01 ,


变化缓慢变化缓慢 osc
c
cm
c
mc
c
mccmoccs
PP，P
E
U
I
I
IUPIEP


0
1
10
2
1
2
1

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。

37. 负载特性（3）小结

38. 例 某 高 频 功 放 工 作 在 临 界 状 态 , 已 知 EC = 18 V，
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。
)0,cos(
),( max
cmc
ccmc
UEB
IUEA


ccc
c
cmc
c
cr
RIE
I
UE
I
g
1max
max
max





39. 2.Ec的影响—集电极调制特性
uce
ic
ubemax
•Q
EC
•
•Q
EC
•Q
EC
•
•
•
•
t
ic
EC欠压区过压区
临
界
区
Ic1m
Ico
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。
bm
bj
U
EU 
cos
  cc RR  cos11  ))(,( jbc UEgEQ 

40. 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。
Ucm
Ico
Ic1m
临界 -Eb过压欠压
O
UBB2
uBE
ic
uBEmax1
uBEmax2UBB3
ub
UBB1
uBEmax3
Uon
ic
t
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。
1C 2C 3C
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
bm
bj
U
EU 
cos
  cc RR  cos11 
))(,( jbc UEgEQ 
bbmbe EtUu  cos
-Eb

41. 4. Ubm的影响—振
幅特性
uBE
ic
uBEmax1
uBEmax2
ub
UBB
uBEmax3
Uon
ic
t
饱和区
放大区
截止区
1C 2C 3C
Ucm
Icml
Ico
Ubm过压临界欠压O
O ωt
ic
O ωt
ic
Ubm增大
O ωt
ic
ωtO
ic
t
Ubm
线性功率
放 大 器
t
Ucm
Ubm
Ucm
振 幅
限幅器
Ucm
t
Ubm
Ucm
固定Eb、增大Ubm和固定Ubm、-Eb增加类似。 bbmbe EtUu  cos

42. 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。

43. 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。

44. 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

45. Ieo
CB
LB
LB
LB
CE
RB
Re
VT
VT
VT
IBO
Eb
+
Eb
-
自给
偏压
方式
（1） 利用基极回路直流产生偏压Eb=IBORB。（2） 零偏置。
（3） 利用射极电流Ieo在Re上产生偏压Eb=IeoRe。
自给偏压在放大高频等幅信号的谐振功率放大
器中，有一个优点：当输入信号振幅发生变化
时，放大器的输出电压振幅仍能保持不变（负
反馈）。

46. 匹配网络是指为了与前级放大器和实际负载相匹
配，而在谐振功率放大器输入和输出端所接入的
耦合电路。
功 率
放大器
输入
匹配
网络
输出
匹配
网络
RL
RS
uS
（1）使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，
以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配
网络的作用。
（2）抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良
好的滤波作用。
3.5.3 输入、输出匹配网络
 72R  201R
 54R
 62R

47. （2）L网络阻抗变换:窄带网络，对某一频率谐振，在
实现阻抗变换的同时，也实现了滤波。
倒
L
型
倒L型网络是由两个异性电抗元件X1，X2组成的。
在谐振频率处增大
负载电阻的等效值
（R1>R2）。
在谐振频率处减小
负载电阻的等效值
（R1<R2）。
用来说明为什么加了电容电感，可以调整电阻。

48.   2
2
1 1 RQRR p 
1
2
1

R
R
Q
 2122
2
2
RRRX
R
X
Q  得由
21
2
11
1 ,,
RR
R
RX
X
R
QXX
p
p
p



即
而
若R2=10 Ω, R1=50 Ω , f=20M，
则Q=2, X2=20 Ω , X1=25 Ω
pF
X
C
H
X
L
318
2510202
1
||
1
16.0
10202
20||
6
1
1
6
2
2








