第二章 谐振功率放大器第一节 概述高频信号在发射之前，要经过高增益放大，由不到1V的信号放大到7~8KV。这需要高频功率放大器。
高功放与低功放相比较，各有以下特点：
类型
工作频率
中心频率
带宽
相对带宽
输出功率
效率
负载
工作状态
用途
低功放
20~20KHz
10KHz
20KHz
2
大
高
非谐振
乙类
接收机
高功放
535~1605K
1000KHz
9KHz
1%
大
高
谐振
丙类
发射机
说明：这里高功放以调幅广播功放为例。
由比较可以看出：低功放属于宽带放大器，高功放属于窄带放大器。
高功放采用丙类工作状态的目的是：提高集电极效率。同时出现了波形失真，需要加谐振负载。
第二节 谐振功放的工作原理
一、原理电路 （模拟P163 图8-5、高频P82图2-1）
图中：给晶体管的基极提供负偏压，保证放大器工作于丙类状态。
对照电路，说明图中各元件的作用。
二、工作原理当输入信号为正弦波电压时，集电极电流ic为余弦脉冲，经LC的选频作用。RL两端的电压仍为正弦波电压。
集电极效率：
谐振功率放大器也是一个能量转换器，在控制信号vbe的作用下将直流能量转换成交流能量并送给下一级电路或负载。能量的转换率就是集电极效率，用ηc表示。
表达式
ηc=P0/ Pd = P0/ (P0+Pc) （甲类：20% ；丙类：75%）
式中,P0 放大器输出的交流信号功率
Pd 电源提供的直流功率
Pc 晶体管集电极耗散的功率输入信号一定，要加大放大器输出的交流信号功率P0，必须提高集电极效率ηc。
集电极效率的提高：
通过降低集电极耗散功率Pc，可以提高集电极效率。
怎样降低晶体管的耗散功率Pc以提高集电极效率ηc？（为什么丙类放大器的集电极效率较高？）
耗散功率Pc为集电极电流与集电极电压乘积在一个周期内的平均值。这里，集电极电流为余弦脉冲，且在一个周期内只出现一次，且都是在集电极电压最低时出现，则集电极耗的功率最小。（如模拟P164图8-7、高频P86图2-3所示）
实质上是通过减小晶体管的导通角2θc来提高效率的。为兼顾放大器的输出功率和效率θc取70o左右。（θc为通角、2θc为通导角）
θc增大，P0增大，ηc减小。
三、常见的高效率的谐振功率放大器丙类谐振功放 ηc：75~85%
丁类谐振功放 ηc：90%
戊类谐振功放 ηc：95%
说明：
甲类放大器2θc=3600 ；乙类放大器2θc=1800 ； 丙类放大器2θc<1800。而丙、丁、戊类功率放大器的导通角相同。
1．丙类功放：
集电极电流脉冲在集电极电压最小时出现，但集电极电压为正弦波电压，瞬时最小值的范围较小。若想提高输出功率，必须加大脉冲电流的宽度，从而使集电极效率降低。
2．丁类功放：
用一个方波来代替集电极电压的余弦波，使脉冲电流确保在电压最小时出现，进一步提高了效率。
方波是由基波和三次谐波在具有一定条件下迭加而来的。
电路：在丙类放大器的交流负载的串臂上串联一个并联谐振回路。
缺点：调整困难。
3．戊类功放：未推广使用
第三节 谐振功放电路的特性分析
一、谐振功放的功率：
1．集电极电流的分解集电极电流为余弦脉冲，经傅氏分解后得到一系列的正弦分量：
ic=Ic0+ Ic1mcosωt+ Ic2mcos2ωt+…+ Icnmcosnωt
Ic0= icmax,
Ic1m= icmaxα1(θc)，α为谐波分解系数。
2．直流电源Vcc所提供的直流功率
Pd=Vcc·Ic0
3．放大器输出的交流功率：
回路对基波谐振，只有基波电流才能在回路上建立起电压，从而产生交流功率输出。
P0=0.5Ucm Ic1m=Uc Ic1=0.5 Ic1m2Re
4．集电极耗散功率：
Pc= Pd－P0
5．集电极效率：
ηc= P0/ Pd=0.5Ucm / (Vcc·Ic0)= 0.5ξg1(θc)
其中：ξ= Ucm/ Vcc 集电极电压利用系数
g1(θc)= Ic1m / Ic0=α1(θc)/ α0(θc) 基波波形系数余弦脉冲谐波分解系数及基波波形系数曲线（如模拟P169图8-9、高频P92图2-6所示）
由图中可以看出：
结论：①P0随θc的增大而增大
P0= 0.5 Ic1m2Re θc增大，α1(θc)增大，Ic1m增大，P0增大。
②ηc随θc的增大而减小
ηc=0.5ξg1(θc) θc增大，ξ增大，g1(θc)减小，ηc减小。
增大输出功率P0与提高集电极效率ηc在θc的选取上是矛盾的，兼顾二者，θc=60o~80o之间。
θc大小的改变是通过调整VBB与Vbm的大小来实现的。
（其中VBB为基极偏压，Vbm为基极激励电压振幅。）
调整规律如下：
VBB增大、Vbm减小，θc增大，P0增大，ηc增大。
VBB减小、Vbm增大，θc减小，P0减小，ηc减小。
二、谐振功放的工作状态分析工作状态（三种）：欠压、临界、过压。
三种状态的主要区别在于放大管导通期间所经历的工作区域不同：
①欠压：导通期间均处于放大区；
②临界：导通期间可进入临界饱和线；
③过压：导通期间可进入饱和区（不是“全进入” ）。
放大器特性（三种）：负载特性，调制特性，放大特性。
丙类谐振功放，工作状态不同，其输出功率P0、工作效率ηc及集电极耗散功率Pc亦不相同。放大器所处的工作状态又与集电极直流供电电压Vcc、基极偏置电压VBB、输入激励电压振幅Vbm及负载电阻Re等因素有关，即放大器有三种特性：负载特性，调制特性，放大特性。
为了对放大器工作状态进行分析，首先研究一下放大器的动态线，即交流负载线。
1．谐振功放的动态线定义：所谓动态线是指放大管在输入信号的激励下，集电极电流ic与vce的移动轨迹。
（见模拟P171图8-11、高频P89图2-4所示）
动态线如图中红线所示，是在ic～vce曲线的基础上描点得到的。
说明：①集电极调谐负载的端电压vc并非与集电极电流ic成正比，而与ic的基波成分ic1成正比。
vc=Re·ic1=Vcmcosωt
②改变Re的大小，可以改变Vcm的大小，从而改变放大器的工作状态。
2．负载特性：
①定义：谐振功放的负载特性是指在基极偏压VBB、输入激励电压振幅Vbm及集电极直流供电电压Vcc维持不变的情况下，放大器的性能随负载电阻Re变化的特性。
②Re对ic的影响负载谐振回路端电压：Vcm=Re·Ic1m
若Ic1m不变，则Vcm随Re的增大而增大。
当VBB、Vbm、Vcc不变时，Re由小变大，则Vcm也会增大，放大器工作状态变化如下：
欠压 临界 过压。
同时，集电极电流也发生变化，如下图所示（见高频P96图2-9所示）
过程分析：
a．在欠压临界状态时，icmax随Re的增大而略有减小。
原因：vCEmin=Vcc－Vcm=Vcc－ Re·Ic1m
Re增大，vCEmin减小，icmax略有减小，这是由输出特性决定的。
（见模拟P173图8-2、高频P91图2-5所示）
b．在过压状态时，ic随Re增大而出现凹陷，Re越大，凹陷越深。
原因：由于Ic0=icmaxα0（θc）、Ic1m= icmaxα1（θc）。 在θc不变时，Ic0、Ic1m只与icmax有关，都随Re增大而减小。
（见高频P97图2-10所示）
结论：在欠压区有恒流特性；在过压区有恒压特性原因：Ic1m,Ic0：在欠压区内，随Re的增大而略有减小；在过压区内，随Re的增大而迅速减小。
③Re对P0、Pd、Pc、ηc的影响（见高频P98图2-11所示）
P0=0.5 Vcm Ic1m=0.5 Ic1m2 Re
Pd= Vcc Ic0
Pc= Pd- P0
ηc= P0/ Pd
调节Re使放大器工作于临界状态时：P0最大，ηc较高。
故临界状态是谐振功放的最佳工作状态，电阻称为最佳负载电阻，记为Reopt。
在功放的实际调试过程中，要尽量使放大器处于临界状态，宁可偏过压，也不要偏欠压。因为在欠压区ηc较低，Pc会因Re的减小而迅速增大，易损坏管子。
例题：在谐振功放的负载特性中，临界状态所对应的P0与ηc分别 B 。
A．P0最大、ηc最高 B．P0最大、ηc较高
C．P0较大、ηc最高 D．P0较大、ηc较高
3．调制特性定义：调制特性是指在Vbm及Re不变的情况下，放大器的性能随Vcc或VBB而变化的特性。
分类：
①集电极调制特性：VBB、Vbm及Re不变，放大器性能随Vcc变化的特性。
②基极调制特性：Vcc、Vbm及Re不变，放大器性能随VBB变化的特性。
⑴集电极调制特性当VBB及Vbm确定后，VBEmax= VBB+Vbm不变。
VCEmin= Vcc-Vcm 所对应的动态点应在VBEmax的那条输出特性曲线上。
（见高频P99图2-12所示）其中，Vcc、Vcc’及Vcc”分别代表三种不同的集电极电源电压，（Vcc>Vcc’>Vcc”），分别对应着三条不同的曲线：
①欠压 ②临界 ③过压可见：VBB、Vbm及Re不变，减小Vcc，工作状态变化趋势为：
欠压 临界 过压
ic的变化：icmax由大到小，并逐渐出现凹陷，如图所示（见高频P100图2-13(a)所示）。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化：如图所示（见高频P100图2-13(b)所示）
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m= icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
当θc不变（VBB、Vbm不变）时，Ic0、Ic1m只随icmax变化。
结论：谐振功放工作在过压状态，Ic1m～Vcc、Vcm～Vcc特性是集电极调幅电路的基本工作依据。
⑵基极调制特性由VBEmax=VBB+Vbm可知，随VBB的变化对应着多条输出特性曲线。
又因Vcc、Re不变，故动态线只有一条，但动态点不同，如图所示（见高频P101图2-14所示），三个不同的动态点代表三种不同的工作状态：
A 欠压 A’ 临界 A” 过压可见Vcc、Vbm及Re不变，增大VBB，工作状态变化趋势：
欠压 临界 过压
ic的变化：ic由小到大，并逐渐出现凹陷，如图所示（见高频P102图2-15(a)所示）。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化：如图所示（见高频P102图2-15(b)所示）。
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m=icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
VBB增大，θc增大，在欠压区，α0(θc)、α1(θc)增大，icmax增大。Ic0、Ic1m随VBB的增大而增大，Vcm增大。
在过压区，icmax亦由小变大，但中间出现凹陷，故Ic0、Ic1m增大不明显。
（见高频P102图2-15所示）
结论：放大器工作在欠压状态，Ic1m～VBB、Vcm～VBB特性是基极调幅电路的基本工作依据。
4．放大特性定义：放大特性是指VBB、Vcc及Re一定时，放大器性能随Vbm的变化，对应着多条输出特性曲线。
类似于基极调制特性，VBEmax= VBB+Vbm，随Vbm的变化，对应着多条输出特性曲线。
Vcc及Re不变，只有一条动态线，但有不同的动态点。（参见上节图：三个不同的动态点代表三种不同的工作状态。）
ic、Ic0、Ic1m及Vcm随Vbm的变化规律如图所示（见高频P102图2-15所示）。
由图可见，激励电压Vbm由小变大时，工作状态变化趋势：欠压 临界 过压在欠压区：Vbm对Vcm、Ic1m的影响较大。
在过压区：Vbm对Vcm、Ic1m的影响极微。
高功放与低功放相比较，各有以下特点：
类型
工作频率
中心频率
带宽
相对带宽
输出功率
效率
负载
工作状态
用途
低功放
20~20KHz
10KHz
20KHz
2
大
高
非谐振
乙类
接收机
高功放
535~1605K
1000KHz
9KHz
1%
大
高
谐振
丙类
发射机
说明：这里高功放以调幅广播功放为例。
由比较可以看出：低功放属于宽带放大器，高功放属于窄带放大器。
高功放采用丙类工作状态的目的是：提高集电极效率。同时出现了波形失真，需要加谐振负载。
第二节 谐振功放的工作原理
一、原理电路 （模拟P163 图8-5、高频P82图2-1）
图中：给晶体管的基极提供负偏压，保证放大器工作于丙类状态。
对照电路，说明图中各元件的作用。
二、工作原理当输入信号为正弦波电压时，集电极电流ic为余弦脉冲，经LC的选频作用。RL两端的电压仍为正弦波电压。
集电极效率：
谐振功率放大器也是一个能量转换器，在控制信号vbe的作用下将直流能量转换成交流能量并送给下一级电路或负载。能量的转换率就是集电极效率，用ηc表示。
表达式
ηc=P0/ Pd = P0/ (P0+Pc) （甲类：20% ；丙类：75%）
式中,P0 放大器输出的交流信号功率
Pd 电源提供的直流功率
Pc 晶体管集电极耗散的功率输入信号一定，要加大放大器输出的交流信号功率P0，必须提高集电极效率ηc。
集电极效率的提高：
通过降低集电极耗散功率Pc，可以提高集电极效率。
怎样降低晶体管的耗散功率Pc以提高集电极效率ηc？（为什么丙类放大器的集电极效率较高？）
耗散功率Pc为集电极电流与集电极电压乘积在一个周期内的平均值。这里，集电极电流为余弦脉冲，且在一个周期内只出现一次，且都是在集电极电压最低时出现，则集电极耗的功率最小。（如模拟P164图8-7、高频P86图2-3所示）
实质上是通过减小晶体管的导通角2θc来提高效率的。为兼顾放大器的输出功率和效率θc取70o左右。（θc为通角、2θc为通导角）
θc增大，P0增大，ηc减小。
三、常见的高效率的谐振功率放大器丙类谐振功放 ηc：75~85%
丁类谐振功放 ηc：90%
戊类谐振功放 ηc：95%
说明：
甲类放大器2θc=3600 ；乙类放大器2θc=1800 ； 丙类放大器2θc<1800。而丙、丁、戊类功率放大器的导通角相同。
1．丙类功放：
集电极电流脉冲在集电极电压最小时出现，但集电极电压为正弦波电压，瞬时最小值的范围较小。若想提高输出功率，必须加大脉冲电流的宽度，从而使集电极效率降低。
2．丁类功放：
用一个方波来代替集电极电压的余弦波，使脉冲电流确保在电压最小时出现，进一步提高了效率。
方波是由基波和三次谐波在具有一定条件下迭加而来的。
电路：在丙类放大器的交流负载的串臂上串联一个并联谐振回路。
缺点：调整困难。
3．戊类功放：未推广使用
第三节 谐振功放电路的特性分析
一、谐振功放的功率：
1．集电极电流的分解集电极电流为余弦脉冲，经傅氏分解后得到一系列的正弦分量：
ic=Ic0+ Ic1mcosωt+ Ic2mcos2ωt+…+ Icnmcosnωt
Ic0= icmax,
Ic1m= icmaxα1(θc)，α为谐波分解系数。
2．直流电源Vcc所提供的直流功率
Pd=Vcc·Ic0
3．放大器输出的交流功率：
回路对基波谐振，只有基波电流才能在回路上建立起电压，从而产生交流功率输出。
P0=0.5Ucm Ic1m=Uc Ic1=0.5 Ic1m2Re
4．集电极耗散功率：
Pc= Pd－P0
5．集电极效率：
ηc= P0/ Pd=0.5Ucm / (Vcc·Ic0)= 0.5ξg1(θc)
其中：ξ= Ucm/ Vcc 集电极电压利用系数
g1(θc)= Ic1m / Ic0=α1(θc)/ α0(θc) 基波波形系数余弦脉冲谐波分解系数及基波波形系数曲线（如模拟P169图8-9、高频P92图2-6所示）
由图中可以看出：
结论：①P0随θc的增大而增大
P0= 0.5 Ic1m2Re θc增大，α1(θc)增大，Ic1m增大，P0增大。
②ηc随θc的增大而减小
ηc=0.5ξg1(θc) θc增大，ξ增大，g1(θc)减小，ηc减小。
增大输出功率P0与提高集电极效率ηc在θc的选取上是矛盾的，兼顾二者，θc=60o~80o之间。
θc大小的改变是通过调整VBB与Vbm的大小来实现的。
（其中VBB为基极偏压，Vbm为基极激励电压振幅。）
调整规律如下：
VBB增大、Vbm减小，θc增大，P0增大，ηc增大。
VBB减小、Vbm增大，θc减小，P0减小，ηc减小。
二、谐振功放的工作状态分析工作状态（三种）：欠压、临界、过压。
三种状态的主要区别在于放大管导通期间所经历的工作区域不同：
①欠压：导通期间均处于放大区；
②临界：导通期间可进入临界饱和线；
③过压：导通期间可进入饱和区（不是“全进入” ）。
放大器特性（三种）：负载特性，调制特性，放大特性。
丙类谐振功放，工作状态不同，其输出功率P0、工作效率ηc及集电极耗散功率Pc亦不相同。放大器所处的工作状态又与集电极直流供电电压Vcc、基极偏置电压VBB、输入激励电压振幅Vbm及负载电阻Re等因素有关，即放大器有三种特性：负载特性，调制特性，放大特性。
为了对放大器工作状态进行分析，首先研究一下放大器的动态线，即交流负载线。
1．谐振功放的动态线定义：所谓动态线是指放大管在输入信号的激励下，集电极电流ic与vce的移动轨迹。
（见模拟P171图8-11、高频P89图2-4所示）
动态线如图中红线所示，是在ic～vce曲线的基础上描点得到的。
说明：①集电极调谐负载的端电压vc并非与集电极电流ic成正比，而与ic的基波成分ic1成正比。
vc=Re·ic1=Vcmcosωt
②改变Re的大小，可以改变Vcm的大小，从而改变放大器的工作状态。
2．负载特性：
①定义：谐振功放的负载特性是指在基极偏压VBB、输入激励电压振幅Vbm及集电极直流供电电压Vcc维持不变的情况下，放大器的性能随负载电阻Re变化的特性。
②Re对ic的影响负载谐振回路端电压：Vcm=Re·Ic1m
若Ic1m不变，则Vcm随Re的增大而增大。
当VBB、Vbm、Vcc不变时，Re由小变大，则Vcm也会增大，放大器工作状态变化如下：
欠压 临界 过压。
同时，集电极电流也发生变化，如下图所示（见高频P96图2-9所示）
过程分析：
a．在欠压临界状态时，icmax随Re的增大而略有减小。
原因：vCEmin=Vcc－Vcm=Vcc－ Re·Ic1m
Re增大，vCEmin减小，icmax略有减小，这是由输出特性决定的。
（见模拟P173图8-2、高频P91图2-5所示）
b．在过压状态时，ic随Re增大而出现凹陷，Re越大，凹陷越深。
原因：由于Ic0=icmaxα0（θc）、Ic1m= icmaxα1（θc）。 在θc不变时，Ic0、Ic1m只与icmax有关，都随Re增大而减小。
（见高频P97图2-10所示）
结论：在欠压区有恒流特性；在过压区有恒压特性原因：Ic1m,Ic0：在欠压区内，随Re的增大而略有减小；在过压区内，随Re的增大而迅速减小。
③Re对P0、Pd、Pc、ηc的影响（见高频P98图2-11所示）
P0=0.5 Vcm Ic1m=0.5 Ic1m2 Re
Pd= Vcc Ic0
Pc= Pd- P0
ηc= P0/ Pd
调节Re使放大器工作于临界状态时：P0最大，ηc较高。
故临界状态是谐振功放的最佳工作状态，电阻称为最佳负载电阻，记为Reopt。
在功放的实际调试过程中，要尽量使放大器处于临界状态，宁可偏过压，也不要偏欠压。因为在欠压区ηc较低，Pc会因Re的减小而迅速增大，易损坏管子。
例题：在谐振功放的负载特性中，临界状态所对应的P0与ηc分别 B 。
A．P0最大、ηc最高 B．P0最大、ηc较高
C．P0较大、ηc最高 D．P0较大、ηc较高
3．调制特性定义：调制特性是指在Vbm及Re不变的情况下，放大器的性能随Vcc或VBB而变化的特性。
分类：
①集电极调制特性：VBB、Vbm及Re不变，放大器性能随Vcc变化的特性。
②基极调制特性：Vcc、Vbm及Re不变，放大器性能随VBB变化的特性。
⑴集电极调制特性当VBB及Vbm确定后，VBEmax= VBB+Vbm不变。
VCEmin= Vcc-Vcm 所对应的动态点应在VBEmax的那条输出特性曲线上。
（见高频P99图2-12所示）其中，Vcc、Vcc’及Vcc”分别代表三种不同的集电极电源电压，（Vcc>Vcc’>Vcc”），分别对应着三条不同的曲线：
①欠压 ②临界 ③过压可见：VBB、Vbm及Re不变，减小Vcc，工作状态变化趋势为：
欠压 临界 过压
ic的变化：icmax由大到小，并逐渐出现凹陷，如图所示（见高频P100图2-13(a)所示）。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化：如图所示（见高频P100图2-13(b)所示）
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m= icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
当θc不变（VBB、Vbm不变）时，Ic0、Ic1m只随icmax变化。
结论：谐振功放工作在过压状态，Ic1m～Vcc、Vcm～Vcc特性是集电极调幅电路的基本工作依据。
⑵基极调制特性由VBEmax=VBB+Vbm可知，随VBB的变化对应着多条输出特性曲线。
又因Vcc、Re不变，故动态线只有一条，但动态点不同，如图所示（见高频P101图2-14所示），三个不同的动态点代表三种不同的工作状态：
A 欠压 A’ 临界 A” 过压可见Vcc、Vbm及Re不变，增大VBB，工作状态变化趋势：
欠压 临界 过压
ic的变化：ic由小到大，并逐渐出现凹陷，如图所示（见高频P102图2-15(a)所示）。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化：如图所示（见高频P102图2-15(b)所示）。
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m=icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
VBB增大，θc增大，在欠压区，α0(θc)、α1(θc)增大，icmax增大。Ic0、Ic1m随VBB的增大而增大，Vcm增大。
在过压区，icmax亦由小变大，但中间出现凹陷，故Ic0、Ic1m增大不明显。
（见高频P102图2-15所示）
结论：放大器工作在欠压状态，Ic1m～VBB、Vcm～VBB特性是基极调幅电路的基本工作依据。
4．放大特性定义：放大特性是指VBB、Vcc及Re一定时，放大器性能随Vbm的变化，对应着多条输出特性曲线。
类似于基极调制特性，VBEmax= VBB+Vbm，随Vbm的变化，对应着多条输出特性曲线。
Vcc及Re不变，只有一条动态线，但有不同的动态点。（参见上节图：三个不同的动态点代表三种不同的工作状态。）
ic、Ic0、Ic1m及Vcm随Vbm的变化规律如图所示（见高频P102图2-15所示）。
由图可见，激励电压Vbm由小变大时，工作状态变化趋势：欠压 临界 过压在欠压区：Vbm对Vcm、Ic1m的影响较大。
在过压区：Vbm对Vcm、Ic1m的影响极微。
