东华大学高频电子电路通信电子电路课件4-2

4.3高频功率放大器的动态特性分析4.3.1高频功率放大器的动态特性及方程（课本P60）晶体管的静态特性是在集电极未接负载阻抗的条件下得到的三极管集电极电流Ci与电压BEu和CEu的关系曲线(,)CBECEifuu＝，这是晶体管本身所固有的。本章4.2.2节中介绍的晶体管的输入特性曲线、正向传输特性曲线和输出特性曲线都是未接负载时的静态特性曲线。谐振功放的动态特性：当基极加入激励信号，并且集电极接上负载阻抗时，三极管集电极电流Ci与电压BEu和CEu的关系曲线(,)CBECEifuu＝称为谐振功放的动态特性。谐振功率放大器的动态特性曲线就是当负载和晶体管（可用Cg和BZU表示）确定后，瞬时工作点(,)CCEQiu在输入信号作用下移动的轨迹，有时也叫负载线。可以证明：当静态特性曲线折线化后，且放大器负载处于谐振状态，即负载为纯电阻R，则动态特性曲线也为一条直线。1放大区动态特性工作于丙类放大状态的高频谐振功率放大器90，集电极电流Ci为周期性脉冲，属于非线性电路，因此动态特性曲线不是一条直线，而是曲线。工程上采用折线法作近似估算，并结合实验调整来解决问题。要将实际是一条曲线的谐振功放动态特性近似为一条直线，其前提条件是：1）晶体管的静态特性曲线（转移特性曲线，输出特性曲线）理想化为直线；2）其二，功放的负载回路工作于谐振状态（即负载为纯电阻）。在此条件下，放大器的外部电路方程cosBEBBbBBbmuVuVVt（4.3.1）cosCECCcCCcmuVuVVt（4.3.2）由上二式消去cost可得bmBEBBCCCEcm()VuVVuV（4.3.3）动态特性应同时满足晶体管外部电路和内部电路关系方程，而内部电路方程是由晶体管理想化的正向传输特性决定的。对于导通段，即()CcBEBZiguU将式（4.3.3）代入上式，可得0()CdCEiguU（4.3.4）上式为截距式直线方程，在CEu轴上的截距为0bmCCBZcmBBcmbmVVUVVVUV（4.3.5）斜率bmccmdVggV负斜率的物理意义：对负载而言，放大器相当于一个交流电能发生器，可以提供能量给负载（正电阻消耗能量，负电阻提供能量）。推导过程见课本P61（了解即可）.结论：在BEBZuU理想化晶体管输出特性的放大区，动态特性为一条直线，Ci由式（4.3.4）决定；而当BEBZuU时，0Ci。2动态特性曲线方程谐振功率放大器的动态特性曲线是在负载和晶体管（可用Cg和BZU表示）确定后，瞬时工作点(,)CCEQiu在输入信号作用下移动的轨迹，也叫负载线。已知谐振功率放大器晶体管的理想化输出特性和外部电压CCV、BBV、bmV和cmV的值，通常可以采用截距法和虚拟电流法求出动态特性曲线及输出电压、电流波形。1)截距法画图依据：式（4.3.4）在输出特性的CEu轴上取一点B，满足：0()0CbmCCBZcmBBcmCEbmtiVVUVVVuUV导通角过B点作斜率为bmccmdVggV的直线交maxBEBBbmuVV于A点ωtuCEuBEmaxU0iCBCAiC02θiCmax0VCCuCE图4—14BEBZuU，AB线为放大区的动态特性曲线；BEBZuU，线段BC为截止区的动态特性曲线。虽然0Ci，但由于谐振回路的作用，回路电压不为0。完整的动态特性曲线为AB—BC折线。图4—14给出截距法求解动态特性曲线示意图。丙类功放的集电极电流为余弦脉冲，但输出电压却为与输入信号频率相等的正弦波形2）虚拟电流法思路：在晶体管输出特性CCEiu—坐标系中确定虚拟静态工作点Q和A两点，连接AQ即得集电极交流负载线，也即动态特性曲线，如图4—15所示。下面将分析如何确定该动态特性曲线。斜率-gduCEiCDBCαA0uBEmax0θuCEVcmωtVCCQ2θ0ωtuBEuBEVbm00VBBiCiCgicmaxωtθuCEmin图4—15虚拟电流法求解动态特性首先确定虚拟静态工作点Q（没有外部输入）。在Q点，2t，由式cosCECCcCCcmuVuVVt可知cos2CECCcCCcmCCuVuVVV，由式（4.3.1）可知cos2BEBBbBBbmBBuVuVVV，()()CcBEBZcBBBZQiguUgVUI。该电流为“负值”，晶体管电流是不能反向流动的，因此QI实际上是不存在的，仅仅是为了确定Q点，我们称其为虚拟工作点电流。确定动态特性曲线上的另外一点A。在A点，0t，由式（4.3.2）cosCECCcCCcmuVuVVt可知mincos0CECECCcCCcmCCcmuuVuVVVV（4.3.7）由式（4.3.1）可知maxcos0BEBEBBbBBbmBBbmuuVuVVVV（4.3.8）连接AQ可作出动态特性曲线，与CEu轴交于B点。在导通角2内，晶体管导通，0Ci；在导通角2之外，0Ci，即晶体管截止。晶体管开始截止发生在B点，B点到Q点一段虚线是为作图需要而画，实际上，此时晶体管截止，由动态线BC表示，因此整条动态线由AB—BC构成。3）动态负载电阻与导通角的关系丙类放大电路的动态负载电阻dR为动态特性曲线斜率dg的倒数。由图4—15可知cmax1max1cos(1cos)ccmcmcmiiADtgBDVVV=111(1cos)cmcmIV=111(1cos)dRR（4.3.9）所以1(1cos)dRR（4.3.10）结论：丙类功率放大电路的动态负载电阻dR，不仅与回路的谐振电阻R有关，还与导通角有关。下面我们将讨论高频功放的外部特性第4章高频功率放大电路27外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。负载电阻Rp激励电压Ubm偏置电压EbEc1．高频功放的负载特性负载特性:只改变负载电阻Rp,高频功放电流、电压、功率及效率η变化的特性。4.3.2高频功率放大器的负载特性什么是负载特性？当放大器集电极电压CCV，基极偏置电压BBV及输入信号幅值bmV保持不变时，回路负载电阻R变化，从而引起放大器的集电极电流coI、1cmI、回路电压cmV、输出功率oP、效率c等发生变化。高频功率放大器的这个特性称为负载特性，它是高频功率放大器的重要特性之一。1丙类功率放大器的三种工作状态当丙类功率放大器的回路谐振电阻R变化时，动态负载线的斜率111=(1cos)dRR也会随之改变。而-arccosBZbmUVBBU可知，BBV、bmV确定后，就不变了，这时dR的变化完全由R决定。当CCV、BBV和bmV确定后，R增加，则动态线的斜率1dR减小，这时，动态线上的Q点位置不变，动态线会以Q点为轴逆时针旋转，图4—15表示在三种不同负载电阻时，所对应的三条动态线及相应的电流、电压波形。根据晶体管在信号的一个周期内是否进入饱和区，将丙类功率放大器的工作状态分为欠压、临界和过压三种状态。欠压状态：若在整个信号周期内，晶体管工作部不进入饱和区，也就是说在任何时刻都工作在放大区，称功放工作在欠压状态；过压状态：若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，则称功放工作在过压状态。图4—16R变化对动态特性线的影响功放三种工作状态的判别方法：cosBEBBbmuVVtcosCECCcmuVVt当0t时，maxBEBEBBbmuuVVminCECECCcmuuVV结论：maxBEu和minCEu同时发生，CEu很小时，晶体管进入饱和区。当t时，minBEBEBBbmuuVVmaxCECECCcmuuVV。minBEu和maxCEu同时发生，CEu很大时，晶体管进入截止区。可根据CEu的大小判断晶体管的工作状态，还可根据minCEu的大小判断功放所处的工作状态。临界饱和电压CEsatu：是maxBEu线与临界饱和线2AO的交点所对应的CEu值。1）当minCECEsatuu时，在任何时刻晶体管都工作在放大区，对应于CEu最小值和BEu最大值的1A点处于放大区，这种工作状态称为欠压状态，对应于图4—16中的1AQ，此时R和cmV都较小。2）当minCECEsatuu时，这种工作状态称为临界状态，对应于图4—16中的2AQ。3）当minCECEsatuu时，晶体管工作有部分时间进入饱和区，得到相应的动态线3AQ，此时Ci出现凹陷。原因在于：丙类功放的负载是谐振回路，具有良好的选频能力，谐振回路两端的电压波形是连续的正弦波形，工作点达到3A后，BEu还没达到最大值，cmV也未达到最大值，还未输出完整的正弦波形，BEu要继续增大、CEu进一步减小，一直达到由minCEu与maxBEu决定的5A点，完成输出连续的正弦波形，此时，晶体管进入饱和区，如图4—16所示。进入饱和区之后，CEu任何微小的变化会导致Ci迅速下降，工作点沿着临界饱和线从34AA点，4A与5A点具有相同的minCEu。实际上，5A点并不存在，画出5A点只是为了找出相对应的minCEu，从而确定实际工作点为4A，这种工作状态为过压状态。对应集电极电流是一个有凹陷的余弦脉冲。峰值对应于3A，谷点对应于4A。如果负载是电阻，则电流波形不可能出现凹陷。余弦电流脉冲一旦出现凹陷，余弦电流脉冲波形分解系数求直流分量、基波分量等不再适用。2丙类功率放大器的负载特性当CCV、BBV、bmV、cg、BZU一定的条件下，Q点固定不变。随着R增加，A点由1A移到2A、3A，如图4—16所示.结论：随着R，丙类功率放大器的工作状态由欠压状态临界状态，过压状态。原因：()cosBZBBbmUVU不变，导通角为常数，因此dg的绝对值与R成反比。课本图4.16丙类功率放大器的负载特性VcmIC1mICORΣ0欠压临界过压PCηCRΣ0欠压临界过压P0PD解释图4.16在欠压区，R，A点在maxBEu上由12AA，处于放大区。CEu对Ci的影响很小，maxBEu基本与横轴平行。所以maxCi变化不大，略有下降，如图4—16所示。1CmCOII，基本保持不变，1cmCmVIR随R增加近似线性增大。cmRV、均按线性增加；2(2)cmoVPR，所以在欠压状态下，oP随R线性增加。CCV不变，R，COI略有下降，DCCCOPVI也略有下降。因为DP基本不变，oRP，oP随R线性增加，CDoPPP，所以CRP。oCDPRP以上分析可得出如下结论：课本P651）在欠压工作状态，输出功率oP和C都较低，R很小时，欠压严重，cmV很小，oP很小，CEu很大。DP基本上都消耗在集电结上，集电极损耗极大，会导致晶体管烧毁。问题：在什么情况下，R很小？必须尽量避免谐振回路严重失谐导致负载短路。由图4.16可见，在欠压区，电流1CmI不随R变化，因此欠压状态的放大器可看作一个恒流源。2）临界状态时，Ci仍为一余弦脉冲，其幅值maxCi较大，和欠压区基本相同，但此时cmV很大，CEu很小，因此，放大器在临界状态下输出功率大，放大器效率也较高。临界状态是丙类功放的最佳状态。通常将功率放大器在临界状态时相应R的值称为谐振功率放大器的匹配负载，用optR表示。工程上这个电阻值可以根据所需输出信号功率oP由下式近似确定22()1122cmCCCEsatoptooVVVRPP（4.3.11）3）过压状态弱过压状态时，输出电压cmV基本不随R变化，过压状态的放大器可视为恒压源，这时集电极效率最高，深度过压时，Ci波形出现严重凹陷，输出基波减小，谐波增多，设计中应尽量避免。概括：随着负载的增大，电路的工作状态经历了从欠压状态到临界状态又到过压状态的变化；临界状态：效率与输出功率最佳，是谐振放大器的最佳工作状态；欠压状态：效率低，恒流源；过压状态：效率