東華大學(xué)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(fù)載阻抗的條件下得到的三極管集電極電流與電壓和的關(guān)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(fù)載時的靜態(tài)特性曲線。諧振功放的動態(tài)特性：當(dāng)基極加入激勵信號，并且集電極接上負(fù)載阻抗時，三極管集電極電流與電壓和的關(guān)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(dāng)負(fù)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(fù)載線。 可以證明：當(dāng)靜態(tài)特性曲線折線化后，且放大器負(fù)

2、載處于諧振狀態(tài)，即負(fù)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(jié)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(zhuǎn)移特性曲線，輸出特性曲線）理想化為直線；2）其二，功放的負(fù)載回路工作于諧振狀態(tài)（即負(fù)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(yīng)同時滿足晶體管外部電路和內(nèi)部電路關(guān)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(dǎo)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(fù)斜率的物理意義：對負(fù)載而言，放大器相當(dāng)于一個交流電能發(fā)生器，可以提供能量給負(fù)載（正電阻消耗能量，負(fù)電阻提供能量）。推導(dǎo)過程見課本P61（了解即可）.結(jié)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(dāng)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(fù)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(fù)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，通常可以采用截距法和虛擬電流法求出動態(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(biāo)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(fù)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(fù)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(dǎo)通角內(nèi)，晶體管導(dǎo)通，；在導(dǎo)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(gòu)成。3）動

6、態(tài)負(fù)載電阻與導(dǎo)通角的關(guān)系丙類放大電路的動態(tài)負(fù)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(jié)論：丙類功率放大電路的動態(tài)負(fù)載電阻，不僅與回路的諧振電阻有關(guān)，還與導(dǎo)通角有關(guān)。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(fù)載特性什么是負(fù)載特性？當(dāng)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(fù)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(fù)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(dāng)丙類功率放大器的回路諧振電阻變化時，動態(tài)負(fù)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(dāng)、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(zhuǎn)，圖415表示在三種不同負(fù)載電阻時，所對應(yīng)的三條動態(tài)線及相應(yīng)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(dāng)時，結(jié)論：和同

8、時發(fā)生，很小時，晶體管進入飽和區(qū)。當(dāng)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(yīng)的值。1）當(dāng)時，在任何時刻晶體管都工作在放大區(qū)，對應(yīng)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(yīng)于圖416中的，此時和都較小。2）當(dāng)時，這種工作狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，對應(yīng)于圖416中的。3）當(dāng)時，晶體管工作有部分時間進入飽和區(qū)，得到相應(yīng)的動態(tài)線，此時出現(xiàn)凹陷。原因在于：丙類功放的負(fù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)集電極電流是一個有凹陷的余弦脈沖。峰值對應(yīng)于，谷點對應(yīng)于。如果負(fù)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(fù)載特性當(dāng)、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(jié)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(dǎo)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(fù)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?；颈３植蛔儯S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(jié)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(yán)重， 很小，很小，很大?；旧隙枷脑诩娊Y(jié)上，集電極損耗極大，會導(dǎo)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(yán)重失諧導(dǎo)致負(fù)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(yīng)的值稱為諧振功率放大器的匹配負(fù)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(yán)重凹陷，輸出基波減小，諧波

12、增多，設(shè)計中應(yīng)盡量避免。概括：隨著負(fù)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(jié)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(yīng)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(fù)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用