東華大學高頻電子電路通信電子電路課件

1、4.3高頻功率放大器的動態(tài)特性分析4.3.1 高頻功率放大器的動態(tài)特性及方程（課本P60）晶體管的靜態(tài)特性是在集電極未接負載阻抗的條件下得到的三極管集電極電流與電壓和的關系曲線，這是晶體管本身所固有的。本章4.2.2節(jié)中介紹的晶體管的輸入特性曲線、正向傳輸特性曲線和輸出特性曲線都是未接負載時的靜態(tài)特性曲線。諧振功放的動態(tài)特性：當基極加入激勵信號，并且集電極接上負載阻抗時，三極管集電極電流與電壓和的關系曲線稱為諧振功放的動態(tài)特性。諧振功率放大器的動態(tài)特性曲線就是當負載和晶體管（可用和表示）確定后，瞬時工作點在輸入信號作用下移動的軌跡，有時也叫負載線。 可以證明：當靜態(tài)特性曲線折線化后，且放大器負

2、載處于諧振狀態(tài)，即負載為純電阻，則動態(tài)特性曲線也為一條直線。1 放大區(qū)動態(tài)特性工作于丙類放大狀態(tài)的高頻諧振功率放大器，集電極電流為周期性脈沖，屬于非線性電路，因此動態(tài)特性曲線不是一條直線，而是曲線。工程上采用折線法作近似估算，并結合實驗調(diào)整來解決問題。要將實際是一條曲線的諧振功放動態(tài)特性近似為一條直線，其前提條件是：1） 晶體管的靜態(tài)特性曲線（轉移特性曲線，輸出特性曲線）理想化為直線；2）其二，功放的負載回路工作于諧振狀態(tài)（即負載為純電阻）。在此條件下，放大器的外部電路方程 （4.3.1） （4.3.2） 由上二式消去可得 （4.3.3） 動態(tài)特性應同時滿足晶體管外部電路和內(nèi)部電路關系方程，而

3、內(nèi)部電路方程是由晶體管理想化的正向傳輸特性決定的。對于導通段，即將式（4.3.3）代入上式，可得（4.3.4）上式為截距式直線方程，在軸上的截距為 （4.3.5） 斜率 負斜率的物理意義：對負載而言，放大器相當于一個交流電能發(fā)生器，可以提供能量給負載（正電阻消耗能量，負電阻提供能量）。推導過程見課本P61（了解即可）.結論：在理想化晶體管輸出特性的放大區(qū)，動態(tài)特性為一條直線，由式（4.3.4）決定；而當時，。2動態(tài)特性曲線方程諧振功率放大器的動態(tài)特性曲線是在負載和晶體管（可用和表示）確定后，瞬時工作點在輸入信號作用下移動的軌跡，也叫負載線。已知諧振功率放大器晶體管的理想化輸出特性和外部電壓、和

4、的值，通?？梢圆捎媒鼐喾ê吞摂M電流法求出動態(tài)特性曲線及輸出電壓、電流波形。1) 截距法畫圖依據(jù)：式（4.3.4）在輸出特性的軸上取一點B，滿足：過B點作斜率為的直線交于A點圖414，AB線為放大區(qū)的動態(tài)特性曲線；，線段BC為截止區(qū)的動態(tài)特性曲線。雖然，但由于諧振回路的作用，回路電壓不為0。完整的動態(tài)特性曲線為ABBC折線。圖414給出截距法求解動態(tài)特性曲線示意圖。丙類功放的集電極電流為余弦脈沖，但輸出電壓卻為與輸入信號頻率相等的正弦波形2）虛擬電流法思路：在晶體管輸出特性坐標系中確定虛擬靜態(tài)工作點Q和A兩點，連接AQ即得集電極交流負載線，也即動態(tài)特性曲線，如圖415所示。下面將分析如何確定該動

5、態(tài)特性曲線。圖415 虛擬電流法求解動態(tài)特性首先確定虛擬靜態(tài)工作點Q（沒有外部輸入）。在Q點，由式可知 ，由式（4.3.1）可知 ，。該電流為“負值”，晶體管電流是不能反向流動的，因此實際上是不存在的，僅僅是為了確定Q點，我們稱其為虛擬工作點電流。確定動態(tài)特性曲線上的另外一點A。在A點，由式（4.3.2）可知 （4.3.7）由式（4.3.1）可知 （4.3.8）連接AQ可作出動態(tài)特性曲線，與軸交于B點。在導通角內(nèi)，晶體管導通，；在導通角之外，即晶體管截止。晶體管開始截止發(fā)生在B點，B點到Q點一段虛線是為作圖需要而畫，實際上，此時晶體管截止，由動態(tài)線BC表示，因此整條動態(tài)線由ABBC構成。3）動

6、態(tài)負載電阻與導通角的關系丙類放大電路的動態(tài)負載電阻為動態(tài)特性曲線斜率的倒數(shù)。由圖415可知 = （4.3.9） 所以 （4.3.10） 結論：丙類功率放大電路的動態(tài)負載電阻，不僅與回路的諧振電阻有關，還與導通角有關。下面我們將討論高頻功放的外部特性 4.3.2 高頻功率放大器的負載特性什么是負載特性？當放大器集電極電壓，基極偏置電壓及輸入信號幅值保持不變時，回路負載電阻變化，從而引起放大器的集電極電流、回路電壓、輸出功率、效率等發(fā)生變化。高頻功率放大器的這個特性稱為負載特性，它是高頻功率放大器的重要特性之一。 1 丙類功率放大器的三種工作狀態(tài)當丙類功率放大器的回路諧振電阻變化時，動態(tài)負載線的斜

7、率也會隨之改變。而可知，、確定后，就不變了，這時的變化完全由決定。當、和確定后，增加，則動態(tài)線的斜率減小，這時，動態(tài)線上的Q點位置不變，動態(tài)線會以Q點為軸逆時針旋轉，圖415表示在三種不同負載電阻時，所對應的三條動態(tài)線及相應的電流、電壓波形。根據(jù)晶體管在信號的一個周期內(nèi)是否進入飽和區(qū)，將丙類功率放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、臨界和過壓三種狀態(tài)。欠壓狀態(tài)：若在整個信號周期內(nèi)，晶體管工作部不進入飽和區(qū)，也就是說在任何時刻都工作在放大區(qū)，稱功放工作在欠壓狀態(tài)；過壓狀態(tài)：若晶體管工作時有部分時間進入飽和區(qū)，則稱功放工作在過壓狀態(tài)。圖416 變化對動態(tài)特性線的影響功放三種工作狀態(tài)的判別方法：當時，結論：和同

8、時發(fā)生，很小時，晶體管進入飽和區(qū)。當時，。和同時發(fā)生，很大時，晶體管進入截止區(qū)?？筛鶕?jù)的大小判斷晶體管的工作狀態(tài)，還可根據(jù)的大小判斷功放所處的工作狀態(tài)。臨界飽和電壓：是線與臨界飽和線的交點所對應的值。1）當時，在任何時刻晶體管都工作在放大區(qū)，對應于最小值和最大值的點處于放大區(qū)，這種工作狀態(tài)稱為欠壓狀態(tài)，對應于圖416中的，此時和都較小。2）當時，這種工作狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，對應于圖416中的。3）當時，晶體管工作有部分時間進入飽和區(qū)，得到相應的動態(tài)線，此時出現(xiàn)凹陷。原因在于：丙類功放的負載是諧振回路，具有良好的選頻能力，諧振回路兩端的電壓波形是連續(xù)的正弦波形，工作點達到后，還沒達到最大值，也未達

9、到最大值，還未輸出完整的正弦波形， 要繼續(xù)增大、進一步減小，一直達到由與決定的點，完成輸出連續(xù)的正弦波形，此時，晶體管進入飽和區(qū)，如圖416所示。進入飽和區(qū)之后，任何微小的變化會導致迅速下降，工作點沿著臨界飽和線從點，與點具有相同的。實際上，點并不存在，畫出點只是為了找出相對應的，從而確定實際工作點為，這種工作狀態(tài)為過壓狀態(tài)。對應集電極電流是一個有凹陷的余弦脈沖。峰值對應于，谷點對應于。如果負載是電阻，則電流波形不可能出現(xiàn)凹陷。余弦電流脈沖一旦出現(xiàn)凹陷，余弦電流脈沖波形分解系數(shù)求直流分量、基波分量等不再適用。2 丙類功率放大器的負載特性當、一定的條件下，Q點固定不變。隨著增加，A點由移到、，如

10、圖416所示.結論：隨著，丙類功率放大器的工作狀態(tài)由欠壓狀態(tài)臨界狀態(tài)，過壓狀態(tài)。原因：不變，導通角為常數(shù)，因此的絕對值與成反比。課本圖4.16丙類功率放大器的負載特性解釋圖4.16在欠壓區(qū)，A點在上由，處于放大區(qū)。對的影響很小，基本與橫軸平行。所以變化不大，略有下降，如圖416所示。基本保持不變，隨增加近似線性增大。均按線性增加；，所以在欠壓狀態(tài)下，隨線性增加。不變，略有下降，也略有下降。因為基本不變，隨線性增加，所以。以上分析可得出如下結論：課本P651） 在欠壓工作狀態(tài)，輸出功率和都較低，很小時，欠壓嚴重， 很小，很小，很大。基本上都消耗在集電結上，集電極損耗極大，會導致晶體管燒毀。問題：

11、在什么情況下，很??？必須盡量避免諧振回路嚴重失諧導致負載短路。由圖4.16可見，在欠壓區(qū)，電流不隨變化，因此欠壓狀態(tài)的放大器可看作一個恒流源。2） 臨界狀態(tài)時，仍為一余弦脈沖，其幅值較大，和欠壓區(qū)基本相同，但此時很大，很小，因此，放大器在臨界狀態(tài)下輸出功率大，放大器效率也較高。臨界狀態(tài)是丙類功放的最佳狀態(tài)。通常將功率放大器在臨界狀態(tài)時相應的值稱為諧振功率放大器的匹配負載，用表示。工程上這個電阻值可以根據(jù)所需輸出信號功率由下式近似確定 （4.3.11）3）過壓狀態(tài)弱過壓狀態(tài)時，輸出電壓基本不隨變化，過壓狀態(tài)的放大器可視為恒壓源，這時集電極效率最高，深度過壓時，波形出現(xiàn)嚴重凹陷，輸出基波減小，諧波

12、增多，設計中應盡量避免。概括：隨著負載的增大，電路的工作狀態(tài)經(jīng)歷了從欠壓狀態(tài)到臨界狀態(tài)又到過壓狀態(tài)的變化 ；臨界狀態(tài)：效率與輸出功率最佳，是諧振放大器的最佳工作狀態(tài)；欠壓狀態(tài)：效率低，恒流源；過壓狀態(tài)：效率高，損耗小，恒壓源。4.3.3 高頻功率放大器的調(diào)制特性通過改變各極（基極、集電極）的直流電壓，以改變輸出高頻信號的振幅，實現(xiàn)幅度調(diào)制。高頻功率放大電路的調(diào)制特性分為基極調(diào)制特性和集電極調(diào)制特性。1 集電極調(diào)制特性 定義：在、不變的條件下，放大器性能（）隨變化的特性，稱為集電極調(diào)制特性。圖417 高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性結論很重要：由圖417（b）可見，在欠壓區(qū)，改變對影響不大，只有在

13、過壓區(qū)，才能有效的控制，從而實現(xiàn)調(diào)幅。所以集電極調(diào)幅電路應工作在過壓區(qū)。2 基極調(diào)制特性定義：在、不變的條件下，放大器性能（）隨變化的特性，稱為基極調(diào)制特性。為了使晶體管工作在丙類狀態(tài)，基極電源或，增大意味著從負值向小于的正電壓變化。圖418 高頻功率放大器的基極調(diào)制特性如圖418（b）所示。進入過壓工作狀態(tài)后，集電極電流脈寬和高度均增加，但出現(xiàn)凹陷，且隨增加凹陷加深，使減小， 而增加使得增加，這二種趨勢相互中和，使和基本保持不變。結論很重要：由基極調(diào)制特性可看出，在過壓狀態(tài)下，基極電壓改變時，基本保持不變；只有在欠壓狀態(tài)時，隨單調(diào)變化。所以高頻功放只有工作在欠壓區(qū)才能有效地實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)制，也就是說基極調(diào)幅電路應工作在欠壓區(qū)。 4.3.4高頻功率放大器的放大特性（振幅特性）定義：在、不變的條件下，放大器性能（）隨變化的特性，稱為放大特性。改變時，對功放性能的影響與基極調(diào)制特性相似。它們都使隨之增大，對應的集電極脈沖電流的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓工作狀態(tài)臨界工作狀態(tài)，過壓工作狀態(tài)，圖419給出高頻功率放大器放大特性。在欠壓狀態(tài)時，隨近似線性地增大；進入過壓狀態(tài)后，集電極電流出現(xiàn)凹陷，且隨著的增大，脈沖寬度增加，凹陷加深。因此、和隨變化的特性與基極調(diào)制特性類似。 應用