第4章 高频功率放大器(2)

1、1. 1. 谐振功率放大器的工作状态分析谐振功率放大器的工作状态分析 高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗R Rp p、激励电压、激励电压vb、供电电压供电电压VCC、VBB等等4 4个参量决定的。个参量决定的。 为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。样的变化。 如果如果VCC、VBB、vb 3 3个参变量不变，则放大器的工作个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大

2、器的电流、输出电决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。载特性。4.2.2 谐振功率放大器的工作状态分析谐振功率放大器的工作状态分析当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为uBE= VBB+Vbmcos t uCE= VCCVcmcos t消去消去cos t可得，可得，cmCECCVuVuBE= VBB+Vbm另一方面，晶体管的折线化方程为另一方面，晶体管的折线化方程为ic = G(uBEVBZ)得出在得出在icuCE坐标平面上的动态特性曲线坐

3、标平面上的动态特性曲线( (负载线或工作路负载线或工作路) )方程：方程：（4.3.19）BZcmCECCbmBBcVVuVVVG)(ibmcmBBcmBZCCbmCEcmbmVVVVVVVuVVG= gd(uCE V0)负载线的斜率为 ，截距为cmbmdVVGgbmcmBBcmBZCCbmoVVVVVVVV 图中示出动态特性曲图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的线的斜率为负值，它的物理意义是：物理意义是： 从负载方面看来，放从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能发生器，可以输出电能至负载。至负载。 用类似的

4、方法，可用类似的方法，可得出在得出在ic uBE坐标平面坐标平面的动态特性曲线的动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形 令 uCE= VCC ， 为图中为图中Q点（点（ ic为负值），为负值），再令再令ic = 0时，为图中的C点。BZBBccVVgibmBZBBcmCCCEUVVVVuicic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm功率放大器的负载特性功率放大器的负载特性 什么是负载特性呢？什么是负载特性呢？ 即即VCC、VBB、vb不不变时，变时， 与负与负

5、载之间的关系。载之间的关系。 在其他条件不变在其他条件不变( (VCC、VBB、vb为一为一定定) )，只变化放大器的，只变化放大器的负载电阻而引起的放负载电阻而引起的放大器输出电压、输出大器输出电压、输出功率、效率的变化特功率、效率的变化特性称为性称为负载特性。负载特性。图图4.2.7 三种工作状态三种工作状态cmcouP、 vc、ic随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是一定的，其最大值为一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻，在负载电阻RP由小至大变化由小至大变化时，负载线的斜率由大变小，如图中时，负载线的斜率由大变小，如图中123。

6、不同的负。不同的负载，放大器的工作状态是不同的载，放大器的工作状态是不同的, ,所得的所得的ic波形、输出交流波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。电压幅值、功率、效率也是不一样的。 2. 2. 谐振功率放大器的三种工作状态谐振功率放大器的三种工作状态 欠压状态欠压状态 B B 点以右的区域。在欠压区至临界点点以右的区域。在欠压区至临界点 的范围内，根据的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电，放大器的交流输出电 压在欠压区内必随负载电阻压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其的增大而增大，其 输出功率、效率的变化也将如此。输出功率、效率的变化也将如此。 临界状态临界状

7、态 负载线负载线和和eb max正好相交于临界正好相交于临界线的拐点。放大器工作线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出在临界线状态时，输出功率大，管子损功率大，管子损 耗小，耗小，放大器的效率也就较大。放大器的效率也就较大。 过压状态过压状态 放大器的负放大器的负载较大，在过压区，随着负载较大，在过压区，随着负载载Rp的加大，的加大，Ic1要下降，因要下降，因此放大器的输出功率和效率此放大器的输出功率和效率也要减小。也要减小。图图4.2.7 三种工作状态三种工作状态icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状

8、态3.过压状态RpVcmVcm3)3)临界工作状态临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点，动态范围刚好碰到饱和临是欠压和过压状态的分界点，动态范围刚好碰到饱和临界线。界线。2)2)过压工作状态过压工作状态： 动态范围进入临界线之左的动态范围进入临界线之左的饱和区，集电极电流出现凹陷，饱和区，集电极电流出现凹陷，交流输出电压较高且变化不大。交流输出电压较高且变化不大。1)1)欠压工作状态欠压工作状态： 动态范围在饱和临界线的右动态范围在饱和临界线的右方，交流输出电压较低且变化方，交流输出电压较低且变化较大。较大。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线根据上述分析，可以画出谐振功率放

9、大器的负载特性曲线负载特性曲线负载特性曲线 欠压状态欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。欠压过压0临界Ic 1Ic0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp欠压过压0临界Ic 1Ic0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率平

10、稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的有所下降，发射机的中间级中间级、集电极调幅级集电极调幅级常采用这种状常采用这种状态。态。负载特性曲线负载特性曲线 临界状态临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。此状态为例。负载特性曲线负载特性曲线 掌握负载特性，对分析掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电集电极调幅

11、电路、基极调幅电路的工作原理路的工作原理，对实际，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和调整谐振功率放大器的工作状态和指标指标是很有帮助的。是很有帮助的。欠压过压0临界Ic 1Ic0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp3. 调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压；改变供电电压VCC；改变偏压；改变偏压VBB；改变激励；改变激励Vb。(1) (1) 改变改变Rp，但，但Vb、VCC、VBB不变不变 当负载电阻当负载电阻Rp由小至大由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过

12、压。在临界变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。状态时输出功率最大。(2) (2) 改变改变VCC，但，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压不变当集电极供电电压VCC由由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。Rp变化时对工作状态的影响：变化时对工作状态的影响： RP由小变大，动态线由小变大，动态线斜率由大变小，即变平坦。斜率由大变小，即变平坦。放大器由欠压区进入过压放大器由欠压区进入过压区。输出电压逐渐变大，区。输出电压逐渐变大，脉冲电流幅度降低，并出脉冲电流幅度降低，并出现凹陷。所以，输出

13、功率现凹陷。所以，输出功率是由小到大后，又由大变是由小到大后，又由大变小，在临界状态时最大。小，在临界状态时最大。欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠压临界过压V VCCCC变化时对工作状态的影响变化时对工作状态的影响在在欠压区欠压区内，输出电流的振幅内，输出电流的振幅基本上不随基本上不随VCC变化而变化，变化而变化，故输出功率基本不变；而在故输出功率基本不变；而在过过压区压区，输出电流波形出现凹陷，输出电流波形出现凹陷，振幅随振幅随VCC的减小而下降，故的减小而下降，故输出电压也随之下降。输出电压也随之下降。VCC变化

14、时对工作状态的影响： VCC由小变大，负载线向右平移，状态由过压进入欠压， 在过压区中输出电压随在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变靠改变VCC来实现来实现调幅调幅过程的。改变过程的。改变VCC时，其工作状态时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。和电流、功率的变化如上图所示。00( a)( b)欠压状态过压状态VCC欠压状态过压状态VCCIc 0Icm1PoP=Pc(3) (3) Vbm变化变化，但，但VCC、(-VBB)、Rp不变或不变或(-(-VBB

15、)变化，但变化，但VCC、Vb、Rp不变不变 这两种情况所这两种情况所引起放大器工作状态的变化是引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是相同的。因为无论是Vbm还是还是VBB的变化，其结果都是引起的变化，其结果都是引起uBE的变化。的变化。由由 uBE= -VBB+Vbmcos t uBEmax= -VBB+Vbm 当当(-(-VBB)或或Vbm由小到大变化时，由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。界转入过压。Vbm变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化(a)过压状态欠压状态VbmIC0OIcm1(b)过压状态欠压状态VbmPoOP=Pcip

16、谐振功率放大器的工作状态调整：谐振功率放大器的工作状态调整：00(a)(b)欠压状态过压状态VCC欠压状态过压状态VCCIc0Icm1PoP=Pc思考题：已知谐振功率放大器工作在过压状态，欲将它调整到临界状态，应改变那些参数？不同的调整方法所得到的输出功率是否相同？1. 1. 导通角导通角 c的调整的调整bBBBZ1cVVVcos由由 若保持若保持Vb不变不变增加偏压增加偏压（ VBB绝对值变小）绝对值变小）；或保持；或保持VBB不变不变增增大激励电压振幅大激励电压振幅Vb；或；或同时增大同时增大VBB和和Vb，这三种情况均可使导通，这三种情况均可使导通角角 c增大，若相反，则可使增大，若相反

17、，则可使 c减小。减小。转移特性icVBZo理想化ic maxicto+cco+ccVbmVbmebvcVBBt 但是采取上述三种方法中的任一个方法，当但是采取上述三种方法中的任一个方法，当 c增大时，增大时，ic脉冲电流的振幅脉冲电流的振幅Im和输出功率和输出功率Po会增大，而当会增大，而当 c减小时，减小时，Im和和Po均将减小。有时希望增大均将减小。有时希望增大 c，但要，但要保持保持Im不变不变，则应，则应在在增加增加VBB （增大偏压增大偏压）的同时，适当）的同时，适当减小激励减小激励Vb。2、谐振功率放大器的计算、谐振功率放大器的计算 谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。以临界状

18、谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。以临界状态为例：态为例：1) 1) 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和和 cbBZBB1cVVVcos导通角导通角 c集电极电流脉冲幅值集电极电流脉冲幅值Icmic max=gcVb(1cosc)2) 2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数电流余弦脉冲的各谐波分量系数 0( c)、 1( c)、 n( c)可查表求得，并求得个分量的实际值。可查表求得，并求得个分量的实际值。3) 3) 谐振功率放大器的功率和效率谐振功率放大器的功率和效率直流功率：直流功率： PDC=Ic0 VCC交流输出功率：交流输出功率

19、：maxcc1CC1cmcmo)(V21IV21Pi集电极效率：集电极效率：)(21ccDCocgPP4) 4) 根据根据p2CCp2cmoR)V(21RV21P可求得最佳负载电阻：可求得最佳负载电阻：o2CCpP2)V(R在临界工作时，在临界工作时， 接近于接近于1 1，作为工作估算，可设定，作为工作估算，可设定 =1。“最佳最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。的效率较高，输出功率较大。 可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角 c c改变改变而变化的。而变化的。 c小

20、，则小，则Rp大。要提高放大器的效率，就要求大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。放大器具有大的最佳负载电阻值。 在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载网络和终端负载( (如天线等如天线等) )相匹配。相匹配。3. 临界状态的计算公式临界状态的计算公式当t=0时，uce=ucemin,uBE=uBEmax因此，icmax=Scrucemaxucemax=icmax/Scr集电极电压利用系数=Ucm/Vcc=(Vcc-ucemin)/VCC=1-(ucemin/Vcc) =1-(icmax/ScrVcc

21、)由于 PO=1/2UcmIc1m=0.5VccIcmaxa1()所以 Icmax=2Po/Vcca1()因此，有 =1/2+（1/4 - 2Po/ Vcc2Scra1() ）1/2 4.4.晶体管功率放大器的高频效应晶体管功率放大器的高频效应一、概述一、概述 用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差，低用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差，低频时误差还是允许的。但随着工作频率的提高，由于晶体频时误差还是允许的。但随着工作频率的提高，由于晶体管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大，管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大，严重时，使放大器无法工作。严重时，使放大器

22、无法工作。 一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶体管的体电阻体管的体电阻( (特别是特别是rbb 的影响的影响) )。饱和压降及引线电感等。饱和压降及引线电感等因素的影响；另一方面，功率放大管基本工作在大信号，因素的影响；另一方面，功率放大管基本工作在大信号，即大注入条件下，必须考虑大注入所引起的基极电流和饱即大注入条件下，必须考虑大注入所引起的基极电流和饱和压降增加的影响。上述的这些影响都会使放大器的和压降增加的影响。上述的这些影响都会使放大器的功率功率增益、最大输出功率及效率的急骤下降。增益、最大输出功率及效率的急骤下降。二、基区

23、渡越时间的影响二、基区渡越时间的影响 在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来表示在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来表示基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可等效成线基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可等效成线性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线性特性。性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线性特性。 高频情况下功放管高频情况下功放管 各电极电流波形各电极电流波形为什么发射极电流出现负脉冲呢？为什么发射极电流出现负脉冲呢？这是由于少数这是由于少数载流子在基区渡越时间所引起（基区内的空间电载流子在基区渡越时间所引起（基区内的空间电荷储存效应）。荷储存效

24、应）。1、当发射结电压由正变负时，基区内的非平衡少数载流子来不及扩散到集电极，又重新推斥回发射极，形成负脉冲。同时频率升高后，增加了通过发射结电容的电流，使基极电阻上的电压降增加，因而结电压下降，也使主脉冲的高度降低.正脉冲的通角与频率无关，负脉冲的通角为。2、集电极电流峰值点落后于发射极电流脉冲峰、集电极电流峰值点落后于发射极电流脉冲峰值点的角度值点的角度0 ，这是由于发射极到集电极的渡，这是由于发射极到集电极的渡越时间引起的。直到渡越结束，集电极电流才下越时间引起的。直到渡越结束，集电极电流才下降到零。降到零。 在工作频率很高，在工作频率很高， 渡越角在渡越角在0=10 20 时。时。(1

25、)(1)发射极电流发射极电流ie 随着工作频率提高，存贮在基区中的载随着工作频率提高，存贮在基区中的载 流子由于输入信号流子由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极，因迅速向负极性变化而返回发射极，因 而而ie出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越高出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越高, ,ie 反向脉冲的宽度就越大，幅值也越高，导通角也越扩展。反向脉冲的宽度就越大，幅值也越高，导通角也越扩展。(2) (2) 集电极电流集电极电流ic 峰值滞后于峰值滞后于Ie 的峰值的峰值二者差一渡越角二者差一渡越角0，ic 导通角也由低频导通角也由低频时的时的 c c增大到增大到 c+20，

26、峰值下降。，峰值下降。高频情况下功放管高频情况下功放管各电极电流波形各电极电流波形t0c0(0=1020)ibicie20(3) (3) 基极电流基极电流ib 由于由于ie出现反向脉冲，出现反向脉冲，根据根据 ib= ie ic，所以，所以ib也出现反向电流也出现反向电流脉冲，渡越角增大，负脉冲也增大，脉冲，渡越角增大，负脉冲也增大，使平均值电流（直流）减小，平均值使平均值电流（直流）减小，平均值甚至变负。同时正脉冲幅度增大，使甚至变负。同时正脉冲幅度增大，使基波电流增大。基波电流增大。 1、ic的导通角加大，将使电压增益下降，使功率管的导通角加大，将使电压增益下降，使功率管的效率大大降低；的效率大大降低； 2 2、基极基波电流基极基波电流Ib1的加大和集电极基波电流下降，的加大和集电极基波电流下降，将使激励功率增加，这会使放大器的功率增益降低，将使激励功率增加，这会使放大器的功率增益降低，这种