东华大学高频电子电路通信电子电路课件4-2 - 图文

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

uiu电流C与电压BE和CE的关系曲线

iC＝f(uBE,uCE)，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

uiu极管集电极电流C与电压BE和CE的关

i＝f(u,u)CBECE系曲线称为谐振功放的动

态特性。

谐振功率放大器的动态特性曲线就是

gUC当负载和晶体管（可用和BZ表示）

确定后，瞬时工作点Q(iC,uCE)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R负载为纯电阻?，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??90i，集电极电流C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

特性的放大区，动态特性为一条直线，

u?UiC由式BEBZ时，（4.3.4）决定；而当

iC?0。

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g和U表示）确定

CBZQ(i,u)后，瞬时工作点CCE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

VVVVbm输出特性和外部电压、、和cm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

CCBB形。 1) 截距法

画图依据：式（4.3.4）

在输出特性的uCE轴上取一点B，满足：

?????t??(导通角)?i?C?0???u?UVbmVCC?UBZVcm?VBBVcmCE0?V

bmB点作斜率为

ggVbmd??cVcmuBEmax?VBB?Vbm于A点

的直线交

过iCiCAuBEmaxiCmaxB02θ0ωtU0VCCCuCEuCE

图4—14

uBE?UBZ，AB线为放大区的动态特性曲BC为截止区的动态特性

线；

uBE?UBZ，线段

曲线。

i?0C虽然，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

i—uCE坐标思路：在晶体管输出特性C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。

iCiCiCAuBEmax斜率-gdgicmaxVBB0uBEθ0VbmωtωtuBE02θωt0DαVCCBQuCECuCEuCEmin0θVcm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，

?t??2，

u?V?u?V?Vcos?tCECCcCCcm由式可知

uCE?VCC?uc?VCC?Vcmcos

?2?VCC，

由式（4.3.1）可知

uBE?VBB?ub?VBB?Vbmcos?2?VBB，

iC?gc(uBE?UBZ)?gc(VBB?UBZ)?IQ。

该电流为“负值”，晶体管电流是不能

I反向流动的，因此Q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，?t?0， 由式（4.3.2）

uCE?VCC?uc?VCC?Vcmcos?t可知

uCE?uCEmin?VCC?uc?VCC?Vcmcos0?VCC?Vcm （4.3.7）

由式（4.3.1）可知

uBE?uBEmax?VBB?ub?VBB?Vbmcos0?VBB?Vbm （4.3.8）

u连接AQ可作出动态特性曲线，与CE轴

交于B点。

i?02?C在导通角内，晶体管导通，；

i?02?在导通角之外，C，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

R丙类放大电路的动态负载电阻d为动

gd态特性曲线斜率的倒数。由图4—15可知

icmax?1???icmaxADtg????BDVcm?Vcmcos?Vcm(1?cos?)?1???

Ic1m1=Vcm(1?cos?)?1???

11?=R??1???(1?cos?)Rd （4.3.9）

R?R??(1?cos?)???1所以 d （4.3.10）

结论：丙类功率放大电路的动态负载电

RRd阻，不仅与回路的谐振电阻?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VCC，基极偏置电

V压BB及输入信号幅值Vbm保持不变时，

回路负载电阻R?变化，从而引起放大器VII的集电极电流co、c1m、回路电压cm、

?P输出功率o、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

R当丙类功率放大器的回路谐振电阻?变化时，

11=动态负载线的斜率RdR??1???(1?cos?)也会

随之改变。

UBZ-VBB??arccos而UbmV可知，BB、Vbm确定后，

RR?就不变了，这时d的变化完全由?决

定。

RVVV当CC、BB和bm确定后，?增加，则动

态线的斜率减小，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。

1Rd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—16 R?变化对动态特性线的影响

功放三种工作状态的判别方法： uBE?VBB?Vbmcos?t uCE?VCC?Vcmcos?t

u?u?V?V?t?0BEmaxBBbm 当时，BEuCE?uCEmin?VCC?Vcm

uuBEmaxCEmin结论：和同时发生，

uCE很小时，晶体管进入饱和区。

u?u?V?V?t??当时，BEBEminBBbm

uCE?uCEmax?VCC?Vcm。

uBEmin和uCEmax同时发生，uCE很大时，晶

体管进入截止区。

u可根据CE的大小判断晶体管的工作状

u态，还可根据CEmin的大小判断功放所处

的工作状态。

uuCEsat临界饱和电压：是BEmax线与临界

uAO饱和线2的交点所对应的CE值。

u?uCEminCEsat时，在任何时刻晶体管1）当u都工作在放大区，对应于CE最小值和

uBE最大值的A1点处于放大区，这种工

作状态称为欠压状态，对应于图4—16

RAQ中的1，此时?和Vcm都较小。

2）当uCEmin?uCEsat时，这种工作状态称为

临界状态，对应于图4—16AQ2中的。

u?u3）当CEminCEsat时，晶体管工作有部

分时间进入饱和区，得到相应的动态线

A3Q，此时iC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Au3到后，BE还没达到最大值，Vcm也未达到最大值，还未输出完整的正弦波形，

uBE要继续增大、uCE进一步减小，一直

AuuCEmin达到由与BEmax决定的5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

iuCE之后，任何微小的变化会导致C迅

速下降，工作点沿着临界饱和线从A3?A4点，A4与A5点具有相同的uCEmin。

AA5实际上，点并不存在，画出5点只是

为了找出相对应的uCEmin，从而确定实际

A工作点为4，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A3，谷点对应于A4。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

gVVV当、、、c、U一定的条件下，

CCBBbm

BZRA?Q点固定不变。随着增加，A点由1AA2移到、3，如图4—16所示.

R?结论：随着?，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：

cos??(UBZ?VBB)Ubm不变，导通角?为

g常数，因此d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

VcmIC1mICO0欠压临界过压RΣηCPDPCP00欠压临界过压RΣ

解释图4.16

R??在欠压区，，A

A?Au12，点在BEmax上由

处于放大区。

uCE对iC的影响很小，uBEmax基本与横轴

i平行。所以Cmax变化不大，略有下降，

如图4—16

I，IC1mCO基本保持不所示。

变，

Vcm?IC1mR?随R?增加近似线性增大。

R?、Vcm均按线性增加；

Po?Vcm2(2R?P)，所以在欠压状态下，o随

R?线性增加。

VCC不变，R??，ICO略有下降，PD?VCCICO也

略有下降。

PRR??P?Po因为D基本不变，?，o随?线

性增加，

R????C?PC?PD?Po，所以

R???P?C。

以上分析可得出如下结论：课本P65

PDPo?P1） 在欠压工作状态，输出功率o和?CRV?都较低，很小时，欠压严重， cm很

PuPoCE小，很小，很大。D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。

R问题：在什么情况下，?很小？

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