高频电子线路(第二版) 王卫东 第二章 2.3课件

1、2.3 高频功率放大器的动态分析高频功率放大器的动态分析 2.3.1 高高频频功功率率放放大大器器的的动动态态特特性性 2.3 高频功率放大器的动态分析高频功率放大器的动态分析由由于于高高频频功功放放工工作作在在大大信信号号的的非非线线性性状状态态，显显然然晶晶体体管管的的小小信信号号等等效效电电路路的的分分析析方方法法已已不不适适用用，所所以以分分析析方方法法一一般般利利用用晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线，但但由由于于晶晶体体管管的的静静态态特特性性曲曲线线与与频频率率有有关关，如如右右图图所所示示了了 与与f之之间间的的关关系系。而而通通常常所所说说的的静静态态特特性性曲曲线线是

2、是指指低低频频区区：o0.5ff0.2fTfT f5 .0f 中中频频区区：Tf2 . 0ff5 . 0 高高 频频 区区 ：TTfff2 .0 故故直直接接进进行行高高频频区区或或中中频频区区的的分分析析和和计计算算是是相相当当困困难难的的。本本节节将将从从低低频频区区的的静静态态特特性性来来解解析析晶晶体体管管的的高高频频功功放放的的工工作作原原理理。1、 放放大大区区动动态态特特性性方方程程 当当放放大大器器工工作作在在谐谐振振状状态态时时，其其外外部部电电路路电电压压方方程程为为：若若 设设 ：tUubmb cos 输输入入端端：tUUubmBBBE cos 输输 出出 端端 ：tUE

3、ucmCce cos 其其 中中 ：tUuCmc cos1 由上两式消除由上两式消除tcos 可得：可得：cmceCbmBBBEUuEUUu 又又利利用用晶晶体体管管的的内内部部特特性性关关系系式式（折折线线方方程程） ： BZBEccUugi 可可得得： ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEuUUgUUuEUUgi )(uBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE _2.3.1 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的动态特性 ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEu

4、UUgUUuEUUgi )(2.3.1 高高频频功功率率放放大大器器的的动动态态特特性性 1、 动动态态特特性性方方程程 Ci与与ceu之之间间关关系系的的动动态态特特性性方方程程。 式式中中： cmbmcdUUgg表表示示动动态态特特性性曲曲线线的的斜斜率率， cCmCbmBZBBcmCoUEUUUUEU cos)( 式式中中：bmBZBBcUUU cos; oU动动态态特特性性曲曲线线在在ceu轴轴上上的的截截距距。 uceic2.3.1 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的动态特性 2 动动态态特特征征曲曲线线 的的画画法法：画画 法法 一一 ：UoA在在静静态态特特征征曲曲 线线的

5、的ceu轴轴上上取取 B 点点，使使oUOB ，由由 B 点点作作斜斜 率率为为dg的的直直线线 BA， 即即 得得 动动 态态 特特 征征 曲曲 线线 。 BO画画 法法 二二 ：（1）作作静静态态工工作作点点 Q：ECQ令令ot90 由由外外部部方方程程可可得得： )(,:BZBBcQcBBBECceUUgIiUuEuQ(2) 作作 A 点点 :令令o0t bmBBbbeCmCcceUUuuUEuuAmaxmin:连连 接接 Q 、 A 两两 点点 即即 得得 动动 态态 特特 性性 曲曲 线线 。Ucmc ucmingd输输 出出 端端 ：tUEucmCce cos 输输 入入 端端 ：

6、tUUubmBBBE cos BZBEccUugi ubemax2.3.2 高频功率放大器的负载特性高频功率放大器的负载特性 高高 频频 功功 放放 的的 工工 作作 状状 态态 ： 动动态态曲曲线线： )(ocedcUugi uceicUo PccccCocbmcdRIUUEUUUgg1111cos而而 可可见见动动态态特特性性曲曲线线的的斜斜率率和和负负载载PR有有关关，放放大大器器的的工工作作状状态态将将随随负负载载的的不不同同而而变变化化。下下面面讨讨论论当当CE、BBU、bmU不不变变时时，动动态态特特性性曲曲线线与与负负载载PR的的关关系系。 gd(1) 欠欠压压工工作作状状态态当

7、当PR减减小小111cbmcdPccUUggRIU 较较大大，动动态态特特征征曲曲线线与与maxbeu所所对对的的静静态态特特征征曲曲线线的的交交点点位位于于放放大大区区。 uBEic-UBBUBZubCCicCCgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcescesceUu min晶晶 体体 管管 的的 工工 作作 范范 围围 在在 放放 大大 区区 和和 截截 止止 区区 。 ci为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲，集集电电极极电电压压利利用用不不充充分分。2.过过压压工工作作状状态态PR较较大大PccRIU11 较较大大1cbmcdUUgg 较较小小， 动动态态特特性性曲曲

8、线线与与maxbeu所所对对的的静静态态特特征征曲曲线线的的交交点点位位于于饱饱和和区区。 gdubemax特特点点：cesceUu min ，晶晶体体管管的的动动态态范范围围延延伸伸到到饱饱和和区区。 ci的的 波波 形形 顶顶 部部 为为 下下 凹凹 的的 余余 弦弦 脉脉 冲冲 。ucemin3.临临 界界 工工 作作 状状 态态动动态态特特性性曲曲线线与与临临界界饱饱和和线线以以及及maxbeu对对应应的的静静态态特特性性曲曲线线，三三线线相相交交于于一一点点 ubemaxgcr此此时时：cesceUu min, ci为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲。 ECQUcesUcmuBEic-UB

9、BUBZubCCicCCgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcesgdubemaxuceminubemaxgcr如如果果设设临临界界线线的的斜斜率率为为crg则则 有有 :)(maxcmCcrcescrcUEgUgI 又又令令 crCcm EU cr 为为临临界界状状态态的的电电压压利利用用系系数数 crCcrcEgI 1maxCcrccrEgImax1 uCEicgcr例例：如如果果已已知知临临界界状状态态时时输输出出功功率率为为oP， 而而 crCccmCoEIUIP 1max112121 利利用用上上两两式式消消去去maxcI可可得得： 02212 Ccrocr

10、crEgP 可可求求出出: 2124121CcrocrEgP 由由上上可可以以看看出出高高频频功功放放工工作作在在临临界界状状态态时时，有有较较大大的的基基波波电电流流1CI和和较较大大的的回回路路电电压压1CU，故故晶晶体体管管输输出出功功率率最最大大，高高频频功功放放通通常常选选择择这这种种工工作作状状态态。为为保保证证这这种种工工作作状状态态所所需需的的集集电电极极负负载载电电阻阻PR称称为为最最佳佳负负载载电电阻阻。 1cmcmPcrIUR Icmaxubemax研研究究的的问问题题：当当CE，BBU，bmU不不变变， 而而PR变变化化时时，与与 ccoDCCCPPPUII ,101

11、的的关关系系。 （1） 欠欠压压区区：icucePR由由 小小maxci 几几 乎乎 不不 变变（ 略略 减减 少少 ）1C0CI ,I几几 乎乎不不 变变011CCDPccIEPRIU 几几 乎乎 不不 变变 1121CCoIUP CccoccEUII1121 oDCPPP 2.3.2 高频功率放大器的负载特性高频功率放大器的负载特性PoRp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Rp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1Ico（2） 过过压压区区： PR进进 入入 过过 压压 区区余余 弦弦 脉脉 冲冲 顶顶 部部 下下 凹凹 ，PccCCcRIUIIi1110max, 几几 乎乎 不不

12、变变 （ 略略 有有 上上升升 ）01011102121CCCCcCCoCCUUIIIUPIEP 变变 化化 缓缓慢慢 ，oDCPPP 变变 化化 缓缓 慢慢 。 c PDPcubemax注注意意：临临界界状状态态输输出出功功率率最最大大ocroPP ，效效率率也也较较高高，可可以以说说是是最最佳佳工工作作状状态态，常常选选此此状状态态为为末末级级功功放放输输出出状状态态。过过压压状状态态，效效率率高高，但但输输出出功功率率较较小小。在在欠欠压压状状态态0CI，1CI几几乎乎不不变变，功功放放相相当当于于一一个个恒恒流流源源，而而过过压压状状态态1CU几几乎乎不不变变，相相当当于于一一个个恒恒

13、压压源源。 Uc12.3.3 高频功率放大器的调制特性高频功率放大器的调制特性 当当bm ,URP不不变变， 而而改改变变 BBCUE与与 oDCCPPII,01之之间间的的关关系系。 1. 集电极调制特性集电极调制特性 当当bm ,URP，BBU不不变变， 压压区区减减少少功功放放由由临临界界进进入入过过压压区区增增加加功功放放由由临临界界进进入入欠欠CCEEuceicubemaxQECQECQEC显显然然：在在欠欠压压区区：10,CCII几几乎乎不不变变ODPP ,不不变变 注注意意：只只有有工工作作在在过过压压区区才才能能有有效效地地实实现现CE对对1CI及及oP的的调调制制作作用用，故

14、故集集电电极极调调幅幅电电路路应应工工作作在在过过压压区区。 t icEC欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区EC欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1IcoPDPOPC2.3.3 高频功率放大器的调制特性高频功率放大器的调制特性2. 基基极极调调制制特特性性 tUUubmBBBE cos 注注意意：如如果果要要实实现现BBU对对输输出出电电流流1CI的的有有效效调调制制，要要求求功功放放应应工工作作在在欠欠压压区区。 进入过压状态后，随着进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使度增加，幅度几乎不

15、变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的和相应的Ucm增增大得十分缓慢大得十分缓慢 UcmIcoIcml临界临界UBB过压过压欠压欠压O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区 当当Ubm固定，固定，UBB自负值向正值方向增自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流大时，集电极脉冲电流ic的导通角的导通角c增大，增大，从从而集电极脉冲电流而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。状态由欠压区进入过压区。 1C 2C 3C 2.3.4 高频功率放大器的放大特性

16、高频功率放大器的放大特性tUUubmBBBE cos uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区1C 2C 3C UcmIcmlIcoUbm过压过压临界临界欠压欠压OO ticOticUbm增大增大OtictOictUbm线性功率线性功率放放 大大 器器tUcmUbmUcm振振 幅幅限幅器限幅器UcmtUbmUcm当当C , ERP，BBU不不变变， 固定固定UBB、增大、增大Ubm和固定和固定Ubm、增大、增大UBB的情况类似，的情况类似，它们都使基极输它们都使基极输入电压入电压uBEmax随之增大，随之增大，对对应应的的

17、集电极脉冲电流集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压大器的工作状态由欠压进入过压 。 当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映反映输入信号振幅输入信号振幅Ubm的变化，的变化，放大器必须在放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。变化范围内工作在欠压状态。 当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在放大器必须在Ubm变化的范围内变化的范围内工作在过压状态。工作在过压状态。2.3.5 高频功率放大器的调谐特性高频功率放大器的调谐

18、特性 实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容路的元件数值，如改变回路的电容C时，时，功放的外部电流功放的外部电流Ico、Icml和相应的和相应的Ucm等随等随C的变化特性称为调谐特性。的变化特性称为调谐特性。 设谐振时功放工作在弱过压状态，设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和和Icml要增大，而要增大，而Ucm将下降

19、将下降 。 应该指出，回路失谐时直流输应该指出，回路失谐时直流输入功率入功率PD=IcoEC随随Ico的增加而增加，的增加而增加，而输出功率而输出功率Po=UcmIcmlcos将主要因将主要因cos因子而下降因子而下降，因此失谐后集电，因此失谐后集电极功耗极功耗PC将迅速增加。这表明将迅速增加。这表明高频高频功放必须经常保持在谐振状态功放必须经常保持在谐振状态。 UcmIcmlIco当当低低频频时时：信信号号周周期期 fT1基基区区载载流流子子的的分分布布与与外外加加瞬瞬时时电电 压压是是一一一一对对应应的的。2.3.6 高频功放的高频效应高频功放的高频效应 以以上上对对高高频频功功放放是是以

20、以静静态态特特性性为为基基础础的的分分析析，只只能能近近似似说说明明和和估估计计高高频频功功放放的的工工作作原原理理，无无法法反反映映高高频频工工作作时时的的其其它它现现象象。实实际际的的高高频频功功放放电电路路，晶晶体体管管工工作作在在“中中频频区区”甚甚至至“高高频频区区” ，通通常常会会出出现现：输输出出功功率率效效率率c 高高频频效效应应功功率率增增益益PG输输入入输输出出阻阻抗抗变变为为复复阻阻抗抗ubet-UBBUBZ低低 频频biciei 高高频频一一 少少数数载载流流子子的的渡渡越越时时间间效效应应定定义义：少少数数载载流流子子在在基基区区扩扩散散而而到到达达集集电电极极所所需需要要的的时时间间 称称为为少少数数载载流流子子的的渡渡越越时时间间。当当高高频频时时：信信号号周周期期fT1与与 相相当当