笫 4章 非线性电路及其分析方法
4.1 非线性电路的基本概念与非线性元件
4.1.1 非线性电路的基本概念
4.1.2 非线性元件
4.2 非线性电路的分析方法
4.2.1 非线性电路与线性电路分析方法的异同点
4.2.2 非线性电阻电路的近似解析分析
4.3 非线性电路的应用举例
4.3.1 C类谐振功率放大器
4.3.2 D类和 E类功率放大器
4.3.3 倍频器
4.3.4 跨导线性回路与模拟相乘器
4.3.5 时变参量电路与变频器
4.3 非线性电路的应用举例
4.3.1 C类谐振功率放大器
功率放大器一般以其 工作状态来分类：
A类 功放输出信号为输入信号的 线性函数,故又称为线性功率放大器 。
电路接成推挽形式的 AB类 和 B类 功放也可以构成线性功率放大器 。
线性功率放大器 工作时不产生非线性失真（或失真在容许范围之内）。
线性功率放大器 的负载是电阻性的，匹配网络是传输线变压器或其它非谐振电路。
高频调幅信号的放大 一般是工作在 B类。
4.3.1 C类谐振功率放大器 （ 续 1）
C类 功放，由于仅在 信号周期的部分时间呈线性关系,
而其余时间为非线性关系，称为谐振功率放大器。
输出信号中，除含有有用输入信号成分外，还含有输入信号的各次谐波、交叉调制成分，寄生干扰成分。
C类 功放放大器一般只适于放大单频信号（如：载频）
或等幅已调信号（如：调频信号）。
C类 功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振电路。
4.3.1 C类谐振功率放大器 （ 续 2）
功率放大器的主要性能指标有,保证管子安全工作的前提下，
讨论工作频率、输出功率、效率、功率增益和非线性失真等 。
效率,A类 %50m a x
B类 %5.78m a x 实际上是 %65~55
非线性失真：
对于线性功率放大器,非线性失真系数则成为重要的指标,如何降低功率放大器的非线性失真，是设计这类放大器时必须加以研究的问题 。
对于谐振功率放大器,它是利用晶体管的非线性特性和选频电路的滤波特性实现的。
实际上是 %40~35
C类 是与流通角 有关。?
1,工作原理
下图所示是谐振功率放大器的电原理图。
（讲义上册 201）
iv iv
1Tr
2Tr
LR
BBV CCV
C
L
BEv
CEv
Ci
Cv
这个电路的静态工作点是选择在接近截止点，或选择在小于截止点的负偏置区。
这样选择的主要考虑是消除由静态工作点所带来的无用功耗，从而提高放大器的效率。
电路的特点：
返回
信号源 內 阻和负载电阻对并联谐振回路的影响。
Bi
1,工作原理 （ 续 1）
v
BBV
斜率 g
)(tvi
imV
0
thV
0 0
mI
i i
2
t?
t?v
折线分析法示意图返回 1
（讲义上册 203）
其中,为阈电压，
g为 时直线段的斜率,为偏置电压。
thV
thi Vv?
BBV
返回 2
1,工作原理 （ 续 2）
电路的 工作过程 如下：
偏置电压为,以确定静态工作点。 工作点往往处在截止区，静态时无集电极电流。
BBV
当输入信号 加入时,为足够大的数值，使集电极电流出现尖顶余弦脉冲,如 折线图 所示。
tVtv imi 0c o s)(
imV
利用 4.2.2节关于折线分析法的结果，可得出集电极电流的表示式为：
c o s1
c o sc o s 0
tIi
cmC
)c o s1( imcm gVI
im
BBth
V
VV a r c c o s?
集电极电流余弦脉冲可以展开成傅立叶级数：
tItIIti cccc 02010 2c o sc o s)(
1,工作原理 （ 续 3）
放大器的负载阻抗是频率的函数,只有角频率为 的电流分量可以在负载上建立 余弦电压 。 0?
tRItv Lc 0'10 c o s)(
tRItv Lcm 0'0 c o s
)c o s1(
c o ss i n
)(?
将余弦脉冲基波分量分解系数的表示式，即 代入上式，
则可得谐振功率放大器输出电压的表示式
1
谐振功率放大器激励电压是余弦电压，但基极电流和集电极电流只是余弦信号的一部分，称为余弦电流脉冲，而输出电压又是与激励电压同频的余弦电压 。这是谐振功率放大器不同于一般线性功率放大器的特点。
即集电极电压波形与集电极电流波形不同。
电路图
2,工作波形 （讲义上册 204）
输入电压
)(tvi
基极发射极间电压
BEv
BEv
集电极电流
)(tiC
)(tiC)(tiC?输出电压
)(0 tv
集电极发射极间电压
)(tvCE
)(tvCE
imV
BBV
omV
cmI
thV
CCV
mincv
)(tvi
)(0 tv
返回折线图
3,功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系
在谐振功率放大器中,由于其静态工作点选择在集电极电流为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率 。
如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。 这涉及如何合理地利用好晶体管转移特性的非线性。
谐振功放的效率定义为：
S
o
P
P
输出信号功率为,
omCo VIP 12
1?
集电极电流中的基波分量幅度为,)(11cmC II?
可得,
omcmo VIP 12
1
输出电压的幅度是 。
omV
3,功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系（ 续 1）
电源提供的功率是 。它等于电源电压 和 集电极电流中直流分量 的乘积。（ C类功放的静态工作点电流为零）SP CCV
集电极电流中的直流分量 。在集电极电流为余弦脉冲时，
该直流分量可以表示为,)(
00cmC II?
CCcmCCCS VIVIP 00
可得谐振功率放大器的效率表示式为：
CC
om
CCC
omC
V
V
VI
VI
)(
)(
2
1
2
1
0
1
0
1
电压利用系数，
用 表示，可得：
)(
)(
2
1
0
1?
3,功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系（ 续 2）
)(
)(
2
1
0
1?
讨论：
上式表明，为提高谐振功率放大器的效率，可以采取两方面的措施，即：
（ 1） 提高电压利用系数,这要求提高负载电阻的阻值。
（ 2） 选择合适的 值，使 最大。
)(
)(
0
1
从前面图中可以看出,愈小，则 值愈大，也即效率愈高。 )(
)(
0
1
cmI
tvi
波形图
cc
CCC
V
vV m i n
但 愈小，为保持一定的 值，必须增加输入信号的幅度,这势必增加前级的负担。
因此,值的选择需综合考虑。
4,电路举例,CAD4_1
iv
1Tr
2RL2C
1R 1C 3C CCV
3R
ov
3v
图示为一实用 C类放大器的电路图。它采用共发射极电路。
由 和 组成自给偏置电路，它利用基极电流中的直流分量产生偏置电压，代替外加偏置电源的作用。
1R 1C
输入信号电压为 与偏置电压的叠加。 )(tvi
L,组成谐振回路，它的谐振频率等于输入信号频率，
在本例中为 27MHz。
2C
2R
电阻 在实际电路中是没有的，加入它是为测量集电极电流的波形，它的阻值很小，仅为 0.1?。3R
输出信号电压从回路两端取出,为该放大器的负载电阻。
返回
4,电路举例（ 续 ）
所用电路参数如下：晶体管 T
反向饱和电流：
正向电流放大系数：
基区电阻：
集电极电容：（ 电流的波形出现凹陷 ）
AI s 14101
300?f? 1?r?
100bR
2001R FC 61 1005.0 1.03R FC 122 10100
FC 63 1005.0 HL 61035.0 VVCC 18?
输入信号为 的幅度 和负载电阻 为不同值时，输出电压 和集电极电流的波形，在图中的集电极电流是用 两端的电压表示的。
tVtv imi 610272s in)(imV
2R )(0 tv
3R
（讲义上册 238）
FC cb 12102' FC cb 12101'
反向电流放大系数：
FC cb 12105.0'
1?r?
4.3.2 D类和 E类功率放大器
高频功率放大器的主要问题是如何尽可能提高它的输出功率与效率。提高效率能在同样的器件耗散功率条件下，提高输出功率。
A类,B类和 C类放大器是采取减小电流流通角的方法提高放大器的效率。
电流流通角的减小是有一定限度的。因为太小时，效率虽然很高，但因基波幅值下降太多，输出功率反而下降。要想维持不变，就必须加大激励电压，这又可能因激励电压过大，
而引起放大器件的击穿。
D类和 E类放大器是固定为 90?，采用尽量降低放大器件耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。
1,D类功率放大器
D类放大器的晶体管工作于开关状态；导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大；这样，就使集电极功耗大为减小，效率大大提高。根据效率的定义：
o
CCo
o
S
o
P
PPP
P
P
P
1
1?
式中,为晶体管集电极耗散功率。上式说明要提高放大器效率，应尽可能减小晶体管集电极耗散功率 。
CP
CP
而晶体管集电极耗散功率为,?
tdviP CECC 2
1
故减小耗散功率的有效方法是：
⑴ 减小 的积分区间,即减小电流的流通角；
⑵ 减小 与 的乘积。这后一种方法即是各种高效率谐振功率放大器的设计基础。
CP?
Ci CEv
1,D类功率放大器 （ 续 1）
减小 与 的乘积。这种方法是各种高效率谐振功率放大器的设计基础。这一类放大器通常工作于开关状态,C
i CEv
当晶体管导通（ 为最大）时，其管压降 为最小，而当管子截止（ ）时，管压降 为最大。在理想情况下，
可使的乘积 趋于零，即 趋于零，而 趋于 。
Ci CEv
CEv0?Ci
CECvi CP? %100
电压开关型 D类放大器。
1Tr
LR
CCV
CL
iv
A
1Ci
2Ci
1T
2T Lv LR Lv
CL
CCV
S1
2
Av
CC
返回
（ b）
1,D类功率放大器 （ 续 2）
激励信号 是一个重复频率为 的方波，或是幅度足够大的正弦波。该激励信号通过变压器,在两次级线圈产生极性相反的推动电压 和,它们分别使晶体管 和 依次处于饱和或截止状态。
iv 0f
1Tr
1bv 2bv 1T 2T
在激励信号的正半周,饱和,截止，相当于图（ b） 所示等效电路的开关置于位置 1，于是电源电压 通过开关向,,
组成的串联回路充电，并使 点的电压提高到 。
1T 2T
CCV S
L C LR A Av
C E SCCA VVv
在激励信号的负半周，将为 饱和,截止，相当于开关置于 2，储存在 的能量通过 放电，并使 点的电压下降为,。
2T 1T S
L C 2T A
C E SA Vv?
效率可分别表示为：
CC
C E SCC
S
o
V
VV
P
P 2
上图
1,D类功率放大器 （ 续 3）
实际上，在高频工作时，由于晶体管势垒电容、扩散电容以及电路的分布电容的影响，晶体管、的开关转换不可能在瞬间完成。
这样，放大器就偏离了前面要求的,为最大和 为最大,的条件。结果，晶体管的耗散功率将增大，放大器的实际效率将下降。这种现象随着输入信号频率的提高而更趋严重。所以 D类功率放大器的工作频率受器件高频特性的限制 。
0?Ci CCCE Vv?
Ci 0?CEv
2,E类功率放大器
为了克服 D类功率放大器中功率管的开关时间对效率的影响，
为 D类功率放大器设计一特殊的输出电路，保证只有在集电极电压达到最小值时，集电极才有电流流通。这种功率放大器一般称为 E类功率放大器，其工作效率可以接近 。%100
晶体管 D类功率放大器总是由两个晶体管组成的，而 E类功率放大器则是单管工作于开关状态。它的特点是选取适当的负载网络参数，以使它的瞬态响应最佳。
只有当器件的电压（或电流）降为零后，开关才能导通（或断开）。这样，即使开关转换时间与工作周期相比较已相当长，也能避免在开关器件内产生大的电压或电流。这就避免了在开关转换瞬间内的器件功耗，从而克服了 D类功率放大器的缺点。
当由,组成的输出调谐回路设计达到上述要求,E
类功率放大器可以获得很高的效率。 0L 0C
4.3.3 倍频器
倍频器是一种使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的变换电路。
倍频器主要应用于以下几方面：
降低发射机主控振荡频率，以提高频率稳定性。
在频率合成器中，可应用各种倍数的倍频器以产生等于主频率各次谐波的频率源。
在调频和调相系统中用以扩大频偏。
倍频器的工作原理与谐振功率放大器类似，用选频电路选出所需倍数的谐波成分，滤除所有不需要的频率成分，
就可完成倍频过程。
对一个 n次倍频器，为使倍频器有效地工作，总是要使集电极电流中含有的 n次谐波分量足够大，这就要按下式确定流通角。 n
0120
4.3.4 模拟相乘器
相乘器本质上是一个非线性电路。
例如，若相乘器输入端电压分别是：
tVtv xxmx?c o s)(?
tVtv yymy?c o s)(?可得相乘器的输出电压为：
])c o s ()[ c o s (
2
1
c o sc o s)(0
ttVKV
ttVKVtv
yxyxymxm
yxymxm
出现了两个新的频率分量,这就是非线性电路输出输入关系的特征,而在后面讲到的调幅、检波、混频等非线性电路中就是应用了这种非线性的频率变换关系,所以模拟相乘器电路在通信电路系统中得到了广泛的应用。
yx
模拟相乘器电路有用 BJT构成的，也有 CMOS四象限模拟相乘器，此外，还有四个二极管构成的环形相乘器，均能满足输入两信号相乘的功能。 （习题 4-9,4-10）
下面讨论双差分电路构成的模拟相乘器。
模拟相乘器（ 续 1）
1cR 2cR
1R 2R
3R
7T
8T
1T 2T 3T 4T
5T 6T
7Ci
5Ci 6Ci
8Ci
4Ci1Ci
2Ci
3Ci
CCC RRR 21
tvo
tvx
tvy
CCV
T
y
T
x
CEEo V
vth
V
vthRItv
22
EEC Ii?7
若令则有
ER
返回
tvthtv xx '1
模拟相乘器（ 续 2）
相乘器的输出电压为：
T
y
T
x
CEEo V
v
th
V
vthRItv
22
如果,,根据双曲函数的性质，
T
x Vv
2 T
y Vv
2
可近似表示为：
yxyx
T
CEEo vKvvvVRIv 24
1
在 与 的幅度较小时，相乘器具有近似理想相乘的特性，并可在四个象限工作。 yv
为了扩大 的线性范围，可用反双曲正切变换电路。
xv
为了扩大 的线性范围，可用负反馈电路。 (增加 )
yv
xv
ER
模拟乘法器电路也可看作是时变参量电路的一种。
yyxo vKvKvv
' 则 可视为 的时变电压放大倍数。
'K yv
电路图习题八,4-11,4-16,4-17
CAD4-1
CAD4_1 题图 CAD4_1 是 C 类放大器的电路图。它采用共发射极电路,和 组成自给偏置电路，它利用基极电流中的直流分量产生偏置电压,代替外加偏置电源的作用,为输入信号。 为 1,1变压器，所以加到晶体管
Q基极 -发射极之间的电压为 与偏置电压的叠加。 L，
组成谐振回路，它的谐振频率等于输入信号频率，在本例中为 27MHz,输出信号电压从回路两端取出,为该放大器的负载电阻。电阻 在实际电路中是没有的，加入它是为了测量集电极电流的波形，它的阻值很小，仅为 0.1?，
所以加入此电阻不会影响电路的工作状态,为该放大器的直流电源,为高频信号旁路。
1R 1C
)(tvi 1Tr
)(tvi 2C
2R
3R
CCV
1C
CAD4_1 （ 续 ）
所用电路参数如下：晶体管 T
反向饱和电流：
正向电流放大系数：
基区电阻：
集电极电容：（ 电流的波形出现凹陷 ）
AI s 14101
300?f? 1?r?
100bR
2001R FC 61 1005.0 1.03R FC 122 10100
FC 63 1005.0 HL 61035.0 VVCC 18?
FC cb 12102' FC cb 12101'
反向电流放大系数：
FC cb 12105.0'
【 提示 】由于是 1,1变压器，不用的模型，节点②和①之间电压即为。
输入信号为,tVtv imi 610272s in)(
4.1 非线性电路的基本概念与非线性元件
4.1.1 非线性电路的基本概念
4.1.2 非线性元件
4.2 非线性电路的分析方法
4.2.1 非线性电路与线性电路分析方法的异同点
4.2.2 非线性电阻电路的近似解析分析
4.3 非线性电路的应用举例
4.3.1 C类谐振功率放大器
4.3.2 D类和 E类功率放大器
4.3.3 倍频器
4.3.4 跨导线性回路与模拟相乘器
4.3.5 时变参量电路与变频器
4.3 非线性电路的应用举例
4.3.1 C类谐振功率放大器
功率放大器一般以其 工作状态来分类：
A类 功放输出信号为输入信号的 线性函数,故又称为线性功率放大器 。
电路接成推挽形式的 AB类 和 B类 功放也可以构成线性功率放大器 。
线性功率放大器 工作时不产生非线性失真（或失真在容许范围之内）。
线性功率放大器 的负载是电阻性的，匹配网络是传输线变压器或其它非谐振电路。
高频调幅信号的放大 一般是工作在 B类。
4.3.1 C类谐振功率放大器 （ 续 1）
C类 功放，由于仅在 信号周期的部分时间呈线性关系,
而其余时间为非线性关系，称为谐振功率放大器。
输出信号中，除含有有用输入信号成分外，还含有输入信号的各次谐波、交叉调制成分，寄生干扰成分。
C类 功放放大器一般只适于放大单频信号（如：载频）
或等幅已调信号（如：调频信号）。
C类 功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振电路。
4.3.1 C类谐振功率放大器 （ 续 2）
功率放大器的主要性能指标有,保证管子安全工作的前提下，
讨论工作频率、输出功率、效率、功率增益和非线性失真等 。
效率,A类 %50m a x
B类 %5.78m a x 实际上是 %65~55
非线性失真：
对于线性功率放大器,非线性失真系数则成为重要的指标,如何降低功率放大器的非线性失真，是设计这类放大器时必须加以研究的问题 。
对于谐振功率放大器,它是利用晶体管的非线性特性和选频电路的滤波特性实现的。
实际上是 %40~35
C类 是与流通角 有关。?
1,工作原理
下图所示是谐振功率放大器的电原理图。
（讲义上册 201）
iv iv
1Tr
2Tr
LR
BBV CCV
C
L
BEv
CEv
Ci
Cv
这个电路的静态工作点是选择在接近截止点，或选择在小于截止点的负偏置区。
这样选择的主要考虑是消除由静态工作点所带来的无用功耗，从而提高放大器的效率。
电路的特点：
返回
信号源 內 阻和负载电阻对并联谐振回路的影响。
Bi
1,工作原理 （ 续 1）
v
BBV
斜率 g
)(tvi
imV
0
thV
0 0
mI
i i
2
t?
t?v
折线分析法示意图返回 1
（讲义上册 203）
其中,为阈电压，
g为 时直线段的斜率,为偏置电压。
thV
thi Vv?
BBV
返回 2
1,工作原理 （ 续 2）
电路的 工作过程 如下：
偏置电压为,以确定静态工作点。 工作点往往处在截止区，静态时无集电极电流。
BBV
当输入信号 加入时,为足够大的数值，使集电极电流出现尖顶余弦脉冲,如 折线图 所示。
tVtv imi 0c o s)(
imV
利用 4.2.2节关于折线分析法的结果，可得出集电极电流的表示式为：
c o s1
c o sc o s 0
tIi
cmC
)c o s1( imcm gVI
im
BBth
V
VV a r c c o s?
集电极电流余弦脉冲可以展开成傅立叶级数：
tItIIti cccc 02010 2c o sc o s)(
1,工作原理 （ 续 3）
放大器的负载阻抗是频率的函数,只有角频率为 的电流分量可以在负载上建立 余弦电压 。 0?
tRItv Lc 0'10 c o s)(
tRItv Lcm 0'0 c o s
)c o s1(
c o ss i n
)(?
将余弦脉冲基波分量分解系数的表示式，即 代入上式，
则可得谐振功率放大器输出电压的表示式
1
谐振功率放大器激励电压是余弦电压，但基极电流和集电极电流只是余弦信号的一部分，称为余弦电流脉冲，而输出电压又是与激励电压同频的余弦电压 。这是谐振功率放大器不同于一般线性功率放大器的特点。
即集电极电压波形与集电极电流波形不同。
电路图
2,工作波形 （讲义上册 204）
输入电压
)(tvi
基极发射极间电压
BEv
BEv
集电极电流
)(tiC
)(tiC)(tiC?输出电压
)(0 tv
集电极发射极间电压
)(tvCE
)(tvCE
imV
BBV
omV
cmI
thV
CCV
mincv
)(tvi
)(0 tv
返回折线图
3,功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系
在谐振功率放大器中,由于其静态工作点选择在集电极电流为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率 。
如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。 这涉及如何合理地利用好晶体管转移特性的非线性。
谐振功放的效率定义为：
S
o
P
P
输出信号功率为,
omCo VIP 12
1?
集电极电流中的基波分量幅度为,)(11cmC II?
可得,
omcmo VIP 12
1
输出电压的幅度是 。
omV
3,功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系（ 续 1）
电源提供的功率是 。它等于电源电压 和 集电极电流中直流分量 的乘积。（ C类功放的静态工作点电流为零）SP CCV
集电极电流中的直流分量 。在集电极电流为余弦脉冲时，
该直流分量可以表示为,)(
00cmC II?
CCcmCCCS VIVIP 00
可得谐振功率放大器的效率表示式为：
CC
om
CCC
omC
V
V
VI
VI
)(
)(
2
1
2
1
0
1
0
1
电压利用系数，
用 表示，可得：
)(
)(
2
1
0
1?
3,功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系（ 续 2）
)(
)(
2
1
0
1?
讨论：
上式表明，为提高谐振功率放大器的效率，可以采取两方面的措施，即：
（ 1） 提高电压利用系数,这要求提高负载电阻的阻值。
（ 2） 选择合适的 值，使 最大。
)(
)(
0
1
从前面图中可以看出,愈小，则 值愈大，也即效率愈高。 )(
)(
0
1
cmI
tvi
波形图
cc
CCC
V
vV m i n
但 愈小，为保持一定的 值，必须增加输入信号的幅度,这势必增加前级的负担。
因此,值的选择需综合考虑。
4,电路举例,CAD4_1
iv
1Tr
2RL2C
1R 1C 3C CCV
3R
ov
3v
图示为一实用 C类放大器的电路图。它采用共发射极电路。
由 和 组成自给偏置电路，它利用基极电流中的直流分量产生偏置电压，代替外加偏置电源的作用。
1R 1C
输入信号电压为 与偏置电压的叠加。 )(tvi
L,组成谐振回路，它的谐振频率等于输入信号频率，
在本例中为 27MHz。
2C
2R
电阻 在实际电路中是没有的，加入它是为测量集电极电流的波形，它的阻值很小，仅为 0.1?。3R
输出信号电压从回路两端取出,为该放大器的负载电阻。
返回
4,电路举例（ 续 ）
所用电路参数如下：晶体管 T
反向饱和电流：
正向电流放大系数：
基区电阻：
集电极电容：（ 电流的波形出现凹陷 ）
AI s 14101
300?f? 1?r?
100bR
2001R FC 61 1005.0 1.03R FC 122 10100
FC 63 1005.0 HL 61035.0 VVCC 18?
输入信号为 的幅度 和负载电阻 为不同值时，输出电压 和集电极电流的波形，在图中的集电极电流是用 两端的电压表示的。
tVtv imi 610272s in)(imV
2R )(0 tv
3R
（讲义上册 238）
FC cb 12102' FC cb 12101'
反向电流放大系数：
FC cb 12105.0'
1?r?
4.3.2 D类和 E类功率放大器
高频功率放大器的主要问题是如何尽可能提高它的输出功率与效率。提高效率能在同样的器件耗散功率条件下，提高输出功率。
A类,B类和 C类放大器是采取减小电流流通角的方法提高放大器的效率。
电流流通角的减小是有一定限度的。因为太小时，效率虽然很高，但因基波幅值下降太多，输出功率反而下降。要想维持不变，就必须加大激励电压，这又可能因激励电压过大，
而引起放大器件的击穿。
D类和 E类放大器是固定为 90?，采用尽量降低放大器件耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。
1,D类功率放大器
D类放大器的晶体管工作于开关状态；导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大；这样，就使集电极功耗大为减小，效率大大提高。根据效率的定义：
o
CCo
o
S
o
P
PPP
P
P
P
1
1?
式中,为晶体管集电极耗散功率。上式说明要提高放大器效率，应尽可能减小晶体管集电极耗散功率 。
CP
CP
而晶体管集电极耗散功率为,?
tdviP CECC 2
1
故减小耗散功率的有效方法是：
⑴ 减小 的积分区间,即减小电流的流通角；
⑵ 减小 与 的乘积。这后一种方法即是各种高效率谐振功率放大器的设计基础。
CP?
Ci CEv
1,D类功率放大器 （ 续 1）
减小 与 的乘积。这种方法是各种高效率谐振功率放大器的设计基础。这一类放大器通常工作于开关状态,C
i CEv
当晶体管导通（ 为最大）时，其管压降 为最小，而当管子截止（ ）时，管压降 为最大。在理想情况下，
可使的乘积 趋于零，即 趋于零，而 趋于 。
Ci CEv
CEv0?Ci
CECvi CP? %100
电压开关型 D类放大器。
1Tr
LR
CCV
CL
iv
A
1Ci
2Ci
1T
2T Lv LR Lv
CL
CCV
S1
2
Av
CC
返回
（ b）
1,D类功率放大器 （ 续 2）
激励信号 是一个重复频率为 的方波，或是幅度足够大的正弦波。该激励信号通过变压器,在两次级线圈产生极性相反的推动电压 和,它们分别使晶体管 和 依次处于饱和或截止状态。
iv 0f
1Tr
1bv 2bv 1T 2T
在激励信号的正半周,饱和,截止，相当于图（ b） 所示等效电路的开关置于位置 1，于是电源电压 通过开关向,,
组成的串联回路充电，并使 点的电压提高到 。
1T 2T
CCV S
L C LR A Av
C E SCCA VVv
在激励信号的负半周，将为 饱和,截止，相当于开关置于 2，储存在 的能量通过 放电，并使 点的电压下降为,。
2T 1T S
L C 2T A
C E SA Vv?
效率可分别表示为：
CC
C E SCC
S
o
V
VV
P
P 2
上图
1,D类功率放大器 （ 续 3）
实际上，在高频工作时，由于晶体管势垒电容、扩散电容以及电路的分布电容的影响，晶体管、的开关转换不可能在瞬间完成。
这样，放大器就偏离了前面要求的,为最大和 为最大,的条件。结果，晶体管的耗散功率将增大，放大器的实际效率将下降。这种现象随着输入信号频率的提高而更趋严重。所以 D类功率放大器的工作频率受器件高频特性的限制 。
0?Ci CCCE Vv?
Ci 0?CEv
2,E类功率放大器
为了克服 D类功率放大器中功率管的开关时间对效率的影响，
为 D类功率放大器设计一特殊的输出电路，保证只有在集电极电压达到最小值时，集电极才有电流流通。这种功率放大器一般称为 E类功率放大器，其工作效率可以接近 。%100
晶体管 D类功率放大器总是由两个晶体管组成的，而 E类功率放大器则是单管工作于开关状态。它的特点是选取适当的负载网络参数，以使它的瞬态响应最佳。
只有当器件的电压（或电流）降为零后，开关才能导通（或断开）。这样，即使开关转换时间与工作周期相比较已相当长，也能避免在开关器件内产生大的电压或电流。这就避免了在开关转换瞬间内的器件功耗，从而克服了 D类功率放大器的缺点。
当由,组成的输出调谐回路设计达到上述要求,E
类功率放大器可以获得很高的效率。 0L 0C
4.3.3 倍频器
倍频器是一种使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的变换电路。
倍频器主要应用于以下几方面：
降低发射机主控振荡频率，以提高频率稳定性。
在频率合成器中，可应用各种倍数的倍频器以产生等于主频率各次谐波的频率源。
在调频和调相系统中用以扩大频偏。
倍频器的工作原理与谐振功率放大器类似，用选频电路选出所需倍数的谐波成分，滤除所有不需要的频率成分，
就可完成倍频过程。
对一个 n次倍频器，为使倍频器有效地工作，总是要使集电极电流中含有的 n次谐波分量足够大，这就要按下式确定流通角。 n
0120
4.3.4 模拟相乘器
相乘器本质上是一个非线性电路。
例如，若相乘器输入端电压分别是：
tVtv xxmx?c o s)(?
tVtv yymy?c o s)(?可得相乘器的输出电压为：
])c o s ()[ c o s (
2
1
c o sc o s)(0
ttVKV
ttVKVtv
yxyxymxm
yxymxm
出现了两个新的频率分量,这就是非线性电路输出输入关系的特征,而在后面讲到的调幅、检波、混频等非线性电路中就是应用了这种非线性的频率变换关系,所以模拟相乘器电路在通信电路系统中得到了广泛的应用。
yx
模拟相乘器电路有用 BJT构成的，也有 CMOS四象限模拟相乘器，此外，还有四个二极管构成的环形相乘器，均能满足输入两信号相乘的功能。 （习题 4-9,4-10）
下面讨论双差分电路构成的模拟相乘器。
模拟相乘器（ 续 1）
1cR 2cR
1R 2R
3R
7T
8T
1T 2T 3T 4T
5T 6T
7Ci
5Ci 6Ci
8Ci
4Ci1Ci
2Ci
3Ci
CCC RRR 21
tvo
tvx
tvy
CCV
T
y
T
x
CEEo V
vth
V
vthRItv
22
EEC Ii?7
若令则有
ER
返回
tvthtv xx '1
模拟相乘器（ 续 2）
相乘器的输出电压为：
T
y
T
x
CEEo V
v
th
V
vthRItv
22
如果,,根据双曲函数的性质，
T
x Vv
2 T
y Vv
2
可近似表示为：
yxyx
T
CEEo vKvvvVRIv 24
1
在 与 的幅度较小时，相乘器具有近似理想相乘的特性，并可在四个象限工作。 yv
为了扩大 的线性范围，可用反双曲正切变换电路。
xv
为了扩大 的线性范围，可用负反馈电路。 (增加 )
yv
xv
ER
模拟乘法器电路也可看作是时变参量电路的一种。
yyxo vKvKvv
' 则 可视为 的时变电压放大倍数。
'K yv
电路图习题八,4-11,4-16,4-17
CAD4-1
CAD4_1 题图 CAD4_1 是 C 类放大器的电路图。它采用共发射极电路,和 组成自给偏置电路，它利用基极电流中的直流分量产生偏置电压,代替外加偏置电源的作用,为输入信号。 为 1,1变压器，所以加到晶体管
Q基极 -发射极之间的电压为 与偏置电压的叠加。 L，
组成谐振回路，它的谐振频率等于输入信号频率，在本例中为 27MHz,输出信号电压从回路两端取出,为该放大器的负载电阻。电阻 在实际电路中是没有的，加入它是为了测量集电极电流的波形，它的阻值很小，仅为 0.1?，
所以加入此电阻不会影响电路的工作状态,为该放大器的直流电源,为高频信号旁路。
1R 1C
)(tvi 1Tr
)(tvi 2C
2R
3R
CCV
1C
CAD4_1 （ 续 ）
所用电路参数如下：晶体管 T
反向饱和电流：
正向电流放大系数：
基区电阻：
集电极电容：（ 电流的波形出现凹陷 ）
AI s 14101
300?f? 1?r?
100bR
2001R FC 61 1005.0 1.03R FC 122 10100
FC 63 1005.0 HL 61035.0 VVCC 18?
FC cb 12102' FC cb 12101'
反向电流放大系数：
FC cb 12105.0'
【 提示 】由于是 1,1变压器，不用的模型，节点②和①之间电压即为。
输入信号为,tVtv imi 610272s in)(
