《第3章高频谐振放大器(4)高频功放状态分析及高频效应讲义教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章高频谐振放大器(4)高频功放状态分析及高频效应讲义教材（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 3 章 高频功率放大器,3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态 3.2.3 高频谐振功率放大器的外部特性 3.4 高频谐振功率放大器的实际电路,作业： 3-8、3-9,1. 谐振功率放大器的动特性,动特性是指当加上激励信号和接上负载时，集电极电流ic与集电极电压uce的变化关系.它是由晶体管的输出特性曲线和负载线共同决定。,3.2.2 高频谐振功率放大器的工作动态,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为,uBE= Eb+Ubcost,uCE= ECUccost,消去cost可得，,uBE= Eb+Ub,另一方面，晶体管的折线化方程为,ic = gc(uBEEb),得出在icuCE
2、坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：,（4.3.19）,= gd(uCE V0),负载线的斜率为 ，截距为,Uc、ic随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是一 定的，其最大值为Ubemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负 载线的斜率由大变小，如图中123。不同的负载，放大器 的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功 率、效率也是不一样的。,三种工作状态：, 欠压状态-B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Uc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。,2. 高频功放的工作状态, 临界状态
3、-负载线和ubemax正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。, 过压状态 放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。,电压、电流随负载变化波形,1. 功率放大器的负载特性,什么是负载特性呢？ 即EC、Eb、Ub不变时， 与负载之间的关系。 在其他条件不变(EC、Eb、Ub为一定)，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、效率的变化特性称为负载特性。,电压、电流随负载变化波形,3.2.3 高频功放的外部特性,外部特性指的是放大器的性能随外部参数变化的规律（关系）。
4、包括负载特性、振幅特性、调制 特性、调谐特性。,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。,负载特性曲线,欠压状态的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。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,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，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。,负载特性曲线,掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调
5、整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。,2. 高频功放的振幅特性,振幅特性是指放大器电流、 电压、功率及效率随激励信号 振幅Ub的变化特性。,Ub变化，但EC、(-Eb)、Rp不变或(-Eb)变化，但EC、Ub、Rp不变，这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是Ub还是Eb的变化，其结果都是引起uBE的变化。,由 uBE= -Eb+Ubcost uBEmax= -Eb+Ub,当(-Eb)或ub由小到大变化时,放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。,Ub变化时电流、功率的变化,3. 高频功放的调制特性,调制特性是指放大器的偏置直流电压改变时，输出的高频信 号的振幅随之变化
6、的特性。分为基极和集电极调制特性。,（ 1）集电极调制特性-EC变化时对工作状态的影响： EC由小变大，负载线向右平移，状态由过压进入欠压，,EC变化时对工作状态的影响,在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随EC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流波形出现凹陷，振幅随EC的减小而下降，故输出电压也随之下降。,在过压区中输出电压随EC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变EC来实现调幅过程的。改变EC时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。,（2）基极调制特性,在欠压区，电压、电流随（-Eb）变化明显，调制特性显著。,4. 高频功放的调谐特
7、性,调谐特性是指当谐振回路失谐时，放大器的电流、电压、 功率及效率随之变化的特性。利用调谐特性，可以指示放大器 是否处于谐振状态。,当回路失谐时，无论实感性 还是容性失谐，阻抗的模制要减 小，且有相角，工作状态会发 生变化。 （1）若原来处于弱过压区，当 失谐时，由于阻抗模值变小，根 据负载特性，此时会向临界或欠 压区变化，使Uc减小，Ic1、Ico 增大。Ico变化较为明显。故可依据Ico的变化作为调谐指示。 特别注意：失谐时直流功率增加，而输出功率因cos 而减 小，集电极功耗迅速增加，长时间可能损坏管子。调谐时，可 用降低Ec或减小激励的办法避免损坏管子。,谐振功率放大器的工作状态调整：
8、,思考题：已知谐振功率放大器工作在过压状态，欲将它调整到临界状态，应改变那些参数？不同的调整方法所得到的输出功率是否相同？,谐振功率放大器的计算,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。以临界状态为例：,1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和,导通角,集电极电流脉冲幅值 ic max,电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(c)、1(c) n(c)可查表求得，并求得个分量的实际值。,3) 谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,PO=Ic0 EC,交流输出功率：,集电极效率：,4) 根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。,“最佳”的含义在于采用这
9、一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。,可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角改变而变 化的。小，则Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。,在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载(如天线等)相匹配。,临界状态的计算公式,当t=0时，uce=ucemin,uBE=uBEmax,因此，icmax=Scucemax,ucemax=icmax/Scr,集电极电压利用系数,=Uc/Ec=(Ec-ucemin)/EC=1-(ucemin/ Ec) =1-(icmax/ScEc),由于 P1=1/2UcIc1=0.5ECIcmaxa1(),
10、所以 Icmax=2P1/Eca1(),因此，有,例3-1 某高频功率管工作在临界状态，通角为70，输出功率为 3W，EC=24v,Eb=-0.5v,所用高频功率管的临界饱和线斜率SC =0.33A/V,转移特性曲线斜率SC=0.8A/V,Eb=0.65v,管子能安全 工作。试计算：P0、Ub以及负载阻抗的大小。,解：（1）,(2) ICO=icma0()=0.158 A po=IC0EC=3.79w IC1=icma1()=0.273A pC=P0-P1=0.79w =P1/P0=79% 或 =/2=0.921x(a1/a0)/2 =0.921x0.273/0.158x2=0.796% RL
11、Cr=UC/IC1=Ec/0.273=0.921X24/0.273=82欧姆,（3）Ub=icm/(1-cos )S=1.19v Eb=Eb-Ubcos =0.24v,3.3 晶体管功率放大器的高频效应,一、概述,用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差，低频时误差还是允许的。但随着工作频率的提高，由于晶体管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大，严重时，使放大器无法工作。,一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶体管的体电阻(特别是rbb的影响)。饱和压降及引线电感等因素的影响；另一方面，功率放大管基本工作在大信号，即大注入条件下，必须考虑大注入所引起的基极电流和饱和压降
12、增加的影响。上述的这些影响都会使放大器的功率增益、最大输出功率及效率的急骤下降。,二、基区渡越时间的影响,在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来表示基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可等效成线性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线性特性。,高频情况下功放管 各电极电流波形,为什么发射极电流出现负脉冲呢？这是由于少数载流子在基区渡越时间所引起（基区内的空间电荷储存效应）。 1、当发射结电压由正变负时，基区内的非平衡少数载流子来不及扩散到集电极，又重新推斥回发射极，形成负脉冲。同时频率升高后，增加了通过发射结电容的电流，使基极电阻上的电压降增加，因而结电压下降，也使主脉冲的高
13、度降低. 正脉冲的通角与频率无关，负脉冲的通角为。 2、集电极电流峰值点落后于发射极电流脉冲峰值点的角度0 ，这是由于发射极到集电极的渡越时间引起的。直到渡越结束，集电极电流才下降到零。,在工作频率很高， 渡越角在0=1020时。,发射极电流ie 随着工作频率提高，存贮在基区中的载 流子由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极，因 而ie出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越高,ie 反向脉冲的宽度就越大，幅值也越高，导通角也越扩展。,(2) 集电极电流ic 峰值滞后于Ie 的峰值二者差一渡越角0，ic 导通角也由低频时的 c增大到c+20，峰值下降。,高频情况下功放管 各电极电流波形
14、,(3) 基极电流ib 由于ie出现反向脉冲，根据 ib= ie ic，所以ib也出现反向电流脉冲，渡越角增大，负脉冲也增大，使平均值电流（直流）减小，平均值甚至变负。同时正脉冲幅度增大，使基波电流增大。,1、ic的导通角加大，将使电压增益下降，使功率管的效率大大降低； 2、基极基波电流Ib1的加大和集电极基波电流下降，将使激励功率增加，这会使放大器的功率增益降低，这种现象将随工作频率升高而加剧。,高频情况下功放管各电极电流波形,三、晶体管基极体电阻rbb的影响,当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值Ib1是迅速增加的，这表明be间呈现的交流阻抗显著减小，因此rbb的影响便相对增加，要求的激
15、励功率将更大，这会使功率增益进一步减小。,四、饱和压降Vces,大信号注入时，功率管的饱和压降将增大，在高频工作时，集电极体电阻也要提高，致使饱和压降进一步增加。,例如: 当f=30MHz时，实测某管的Vces=1.5V， 当f=200MHz时，Vces则可大到3.5V。,Vces的增加，会使功率放大器的输出功率、效率、功率增益均减少。,五、发射极引线电感的影响,在更高频率工作时，要考虑管子各电极引线电感的影响，其中以发射极的引线电感影响最严重，因为它能使输出输入电路之间产生寄生耦合。,一般长度为10mm的引线，其电感约为103H，在工作频率为300MHz时，感抗值约为1.9，若通过1A高频电
16、流，则会在此感抗上产生约1.9V的负反馈电压。这种负反馈当然会使输出功率及功率增益下降，并使激励增加。,1. 集电极馈电电路,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,3.4.1 直流馈电电路,3.4 高频功率放大器的实际电路,管外电路由二部分组成：直流馈电电路和滤波匹配网络,串馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹 配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈 电电路。C、L为低通滤波电路，A点为高频 地电位，既阻止电源VCC中的高频成分影响放 大器的工作，又避免高频信号在LC负载回路 以外不必要的损耗。C、L的选取原则为 1/ C 回路阻抗R1/(50100) L1/ C (50100),(2) 并馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图L为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，C2为隔直流通高频电容，LC、C1、C2的选取原则与串馈电路基本相同。,(3) 串、并馈直流供电电路的优缺点 在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电
