第4章 高频功率放大器(2)课件

第4章高频功率放大器与功率合成技术4.2.2高频功率放大器的状态分析1.谐振功率放大器的工作状态分析2.谐振功率放大器的三种工作状态3.Rp、Vcc、Ubm、UBB变化对工作状态的影响作业：4.4、4.21.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Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4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。如果VCC、VBB、vb3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。4.2.2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uBE=–VBB+Vbmcost

uCE=VCC–Vcmcost消去cost可得，uBE=–VBB+Vbm另一方面，晶体管的折线化方程为ic=G(uBE–VBZ)得出在ic–uCE坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：（4.3.19）=gd(uCE–V0)负载线的斜率为，截距为图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。用类似的方法，可得出在ic–uBE坐标平面的动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形令uCE=VCC，为图中Q点（ic为负值），再令ic=0时，为图中的C点。icic321Im0180°＜90°半导通角wtBACD321负载增大eb=ebmaxVCCQecminVcm1.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

什么是负载特性呢？即VCC、VBB、vb不变时，与负载之间的关系。在其他条件不变(VCC、VBB、vb为一定)，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性。图4.2.7三种工作状态

vc、ic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Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由大变小，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。2.谐振功率放大器的三种工作状态①欠压状态B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。②临界状态负载线和ebmax正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。③过压状态放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。图4.2.7三种工作状态icic321Im0180°＜90°半导通角wtBACD321负载增大eb=ebmaxVCCQecminVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm3)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界线。2)过压工作状态：动态范围进入临界线之左的饱和区，集电极电流出现凹陷，交流输出电压较高且变化不大。1)欠压工作状态：动态范围在饱和临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线负载特性曲线

欠压状态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Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压临界Rp欠压过压0临界Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压临界Rp过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。负载特性曲线

临界状态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。负载特性曲线掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。欠压过压0临界Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压临界Rp3.

Rp、Vcc、Ubm、UBB变化对工作状态的影响调整欠压、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Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。(1)改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变当负载电阻Rp由小至大变化时，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。(2)改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压VCC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。Rp变化时对工作状态的影响：

RP由小变大，动态线斜率由大变小，即变平坦。放大器由欠压区进入过压区。输出电压逐渐变大，脉冲电流幅度降低，并出现凹陷。所以，输出功率是由小到大后，又由大变小，在临界状态时最大。欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠压临界过压VCC变化时对工作状态的影响在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流波形出现凹陷，振幅随VCC的减小而下降，故输出电压也随之下降。VCC变化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VCC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靠改变VCC来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态和电流、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VCCIc0Icm1PoP=Pc(3)Vbm变化，但VCC、(-VBB)、Rp不变或(-VBB)变化，但VCC、Vb、Rp不变这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是Vbm还是VBB的变化，其结果都是引起uBE的变化。由uBE=-VBB+Vbmcost

uBEmax=-VBB+Vbm当(-VBB)或Vbm由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。Vbm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.导通角c的调整由若保持Vb不变增加偏压（VBB绝对值变小）；或保持VBB不变增大激励电压振幅Vb；或同时增大VBB和Vb，这三种情况均可使导通角c增大，若相反，则可使c减小。转移特性icVBZo理想化icmaxicwto+qc–qco+qc–qcVbmVbmebvc–VBBwt但是采取上述三种方法中的任一个方法，当c增大时，ic脉冲电流的振幅Im和输出功率Po会增大，而当c减小时，Im和Po均将减小。有时希望增大c，但要保持Im不变，则应在增加VBB（增大偏压）的同时，适当减小激励Vb。2、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。以临界状态为例：1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量icmax和c导通角c集电极电流脉冲幅值Icm2)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。3)谐振功率放大器的功率和效率直流功率：PDC=Ic0VCC交流输出功率：集电极效率：4)根据可求得最佳负载电阻：在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。“最佳”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。

可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角c改变而变化的。c小，则Rp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。

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(如天线等)相匹配。3.临界状态的计算公式当ωt=0时，uce=ucemin,uBE=uBEmax因此，icmax=Scrucemaxucemax=icmax/Scr集电极电压利用系数ξ=Ucm/Vcc=(Vcc-ucemin)/VCC=1-(ucemin/Vcc)=1-(icmax/ScrVcc)由于PO=1/2UcmIc1m=0.5ξVccIcmaxa1(θ)所以Icmax=2Po/ξVcca1(θ)因此，有ξ=1/2+（1/4-2Po/Vcc2Scra1(θ)）1/2

4.晶体管功率放大器的高频效应一、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，严重时，使放大器无法工作。

一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶体管的体电阻(特别是rbb的影响)。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，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功率增益、最大输出功率及效率的急骤下降。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。

高频情况下功放管

各电极电流波形为什么发射极电流出现负脉冲呢？这是由于少数载流子在基区渡越时间所引起（基区内的空间电荷储存效应）。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值点的角度0

，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，集电极电流才下降到零。在工作频率很高，渡越角在0=10~20时。发射极电流ie

随着工作频率提高，存贮在基区中的载流子由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极，因而ie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。(2)集电极电流ic

峰值滞后于Ie的峰值二者差一渡越角0，ic导通角也由低频时的c增大到c+20，峰值下降。高频情况下功放管各电极电流波形wt0qcwt0(wt0=10°~20°)ibicie2wt0(3)基极电流ib由于ie出现反向脉冲，根据ib=ie–ic，所以ib也出现反向电流脉冲，渡越角增大，负脉冲也增大，使平均值电流（直流）减小，平均值甚至变负。同时正脉冲幅度增大，使基波电流增大。

1、ic的导通角加大，将使电压增益下降，使功率管的效率大大