6高频功率放大器

高频电子线路教案 第六章 高频功率放大器

由于wt＝?c时，电流ic为0， ?c?cos?1??VBB?VBZ?/Vbm? ic?gc??VBB?Vbmcos?t?VBZ?，

?ic?gc?Vbmcos?t?(VBB?VBZ)??gc?Vbmcos?t?Vbmcos?c??gcVbm?cos?t?cos?c?

又?当?t?0时，Icmax?gVbm?1?cos?c?，?gcUbm?Icmax，

1?cos?c尖顶余弦脉冲的数学表达式：ic?Icmaxcos?t?cos?c

1?cos?c若对ic分解为付里叶级数为：ic?Ico?Icm1cos?t?Icm1cos?2t???Icmncos?nt?? 其中各系数分别为：

Ico1?2?Icmaxsin?c??ccos?c???icd(?t)???1?cos?c)?Icmax?0??c?

?1Icm1?2?Icmn1?2??c1?c?sin?ccos?cicos?td(?t)?I(?)?Icmax?1??c? cmax???cc?1?cos?c?c?2sinn?ccos?c??ccosn?csin?c?icosn?td(?t)?i?)??Icmax?n??c? cmax?2???ccnn?1?1?cos?c??????式中：(1)

?0??c?，?1??c?，…，?n??c?称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可以根据?c的数值查表求出各分解系数的值。(2) Ico，Icm1，Icm2，…，Icmn为直流及基波和各次谐波振幅。

Icmax ic ic1 ic2 ic3 Ico ωt

θc θc 图4

6.3.3 高频功率放大器的动态特性和负载特性

高频功率故大器的工作状态取决于负载阻抗Rp和电压VCC、VBB、Vbm四个参数，如果电压维持不便，那么工作状态只取决于Rp，此时各种电流、输出电压、功率与效率等随Rp变化而变化的曲线，就叫负载特性(曲线)。所谓动态特性是和静态特性相对应而言的。我们知道，晶体管的静态特性是在集

电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。

图6.3.4 尖脉冲分解系数

在考虑了负载的反作用后，所获得的vB、vC与ic的关系曲线就叫做动态特性(曲线)。最常用的

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是当vB、vC同时变化时，表示ic—vc关系的动态特性曲线(有时也叫负载线或工作路)。由于晶体管特性曲线实际上不是直线，因此，实际的动态特性曲线或工作路也不是直线。以下将证明，当晶体管静态特性曲线理想化为折线．而且放大器工作于负载回路谐振状态(即负载为纯电院性)时，动态特性曲线也是一条直线。 输入端：VB??VBB?Vbmcos?t，输出端：VC?VCC?Vcmcos?t

VC?vC,另外，iC?gc?vB?VBZ? Vcm消去coswt，可得; VB??VBB?Vbm可得：ic－vc坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：

???Vbm??VC?vCVBB?VBZ?????iC?gc??V?V?V??gv?V?V()??gd?vC?VO? bmBZ?c?CCcm?BB???VcmVbm???Vcm???VO动态特性曲线在vC轴上的截距，且VO?VCC?Vcm(VBB?VBZ)?VCC?VCmcos?c，

Vbm式中：cos?c??VBB?VBZ?/Vbm;

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，办即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。

图6.3.5 ic-vc坐标平面上的动态特性曲线的作法与相应的ic波形

动态特性直线的作法是：在vc轴上取B点，使OB＝Vo。从B作斜率为gd的直线BA。则BA为欠压状态的动态特性。作出动态线后，由它和静态特性曲线的相应交点，即可求出对应各种不同wt值的ic值，给出相应的ic脉冲波形。

现在继续讨论ic—vc平面上的动态特性曲线问题。这里所说的动态特性曲线实际上也就是低颖放大器中的负载线。有些书中也叫它为工作路。它的斜率与负载阻抗有关。负载阻抗越大，亦即在它上面产生的交流输出电压Vcm越大,负载线的斜率。因此，放大器的工作状态随着负载的不同而变

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化。图7示出对应于各种不同负载阻抗值Rp的动态特性以及相应的集电极电流脉冲的波形。

图6.3.6 不同负载阻抗值Rp的动态特性以及相应的集电极电力脉冲波形

（1） 动态特性曲线l代表Rp较小因而Vcm也较小的情形，称为欠压工作状态。它与vB＝vBmax静态性曲线的交点A1决定了集电极电流脉冲的高度。显然这时电流波形为尖顶余弦脉冲，如图所示。 （2） 随着Rp的增加，动态线斜率逐渐减小，输出电压Vcm也逐渐增加。直到它与临界线OP、静态特性曲线vB＝vBmax相交于A2点时，放大器工作于临界状态。此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲。 （3） 负载阻抗Rp继续增加，输出电压进一步增大，即进入过压工作状态。动态线3就是这种情形。动态特性曲线穿过临界点后，电流将沿临界线下降，因此集电极电流脉冲成为凹顶状。动态线3与临界线的交点A4决定脉冲的高度。由动态特性曲线与静态特性曲线vB＝vBmax延长线的交点A3作垂线，交临界线于A5。A5的纵坐标即为电流脉冲下凹处的高度。

由此可见，当VCC、VBB和Vbm等维持不变时，变动Rp会引起电流脉冲的变化，同时也就引起Vcm、Po与?等的变化。各个电流、电压、功率与效率等随Rp而变化的曲线就是负载特性曲线。负载特性曲线是高额功率放大器的重要特性之一。我们可以借助于动态特性与由此而产生的集电极电流脉冲波形的变化，来定性说明负载特性。

图6.3. 7 负载特性曲线

三种工作状态的忧缺点综合如下：

临界状态优点是输出功率最大，?c也较高，可以说是最佳作状态。该状态主要用于发射机末级。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较乎稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。它常用于需要维持输出电压比较平稳的场合。例如发射机的中间放大级。

欠压状态的输出功率与效率都比较低，且集电极耗散功率大．输出电压又不够稳定，因此一般较少采用。在某些场合，如基极调幅，就是利用改变VBB使电路工作于欠压状态，这将在下面讨论。 6.3.5 工作状态的计算举例

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例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DAl做成的谐振功率放大器，设己知VCC＝24v，Po＝2w，工作频率＝1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参效为：fT?70MHz，Ap?13dB，Icmax=750mA，VCE（sat）?1.5V，PCM=1W。

解 1)由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压vcmin＝VCE（sat）＝1.5V。于是Vcm＝Vcc一vcmin＝24—1.5＝22.5V 2)由式(6.2—l0)得：Rp=Vcm2/2Po=22.5*22.5/2/2=126.5?

Icm1=Vcm/Rp=22.5/126.5=0.178A 3）选取?c=70度，这a0（70）=0.253，a1（70）=0.436

4）iCmax=Icm1/ a1（70）=0.178/0.436=0.408A<0.75A，没有超过安全电流范围。 5）Ico= iCmax *a0（70）=0.408*0.253=0.103A 6）P==VCC*Ico=24*0.103=2.472W

7）Pc= P=-Po=2.472-2=0.472W<1W（PCM） 8）?c=Po/ P==2/2.742=0.81

9）由功率增益：Ap=10lg（Po/Pi）=13dB，可得：Pi=Po/lg-1（1.3）=2/20W=0.1W 以上估算的结果可作为调试依据。

在结束本节时，必须再一次着重指出，折线近似计算法对于电子管高频放大器来说，是一个比较成熟的工程计算方法。这种方法比较简便，具有相当可靠的准确度。但对于晶体管来说，折线法只适用于工作频率低的场合。频率进入中频与高额区，便会由于晶体管的内部物理过程，使实际数值与计算数值有很大的不同。实际输出电流要小得多，而且有额外相移。因此，在晶体管电路中使用折线法时，必须注意这一点。下面我们就来讨论晶体管在高频运用时的一些特点。 6.4 高频功率放大器的高频特性

晶体管在高频大信号工作时，它的内部物理过程相当复杂。当频率升高时，晶体管的输出电流实际值减小，而且有额外的相移。产生上述现象的原因主要是少数载流子在基极扩散的渡越时间和结的势垒电容的影肩。通常在f?0.5f? (即进入中频区后)时，就要考虑上述因素的影响。

图6.4.1 在低频和高频工作时的发射圾电流脉冲波形

左边是低频大信号丙类工作时的发射极电流脉冲波形，它的通角为?c，脉冲为尖顶余弦状(欠压或临界时)。随着工作频率升高到一定程度后．发射极电流出现了负脉冲，如右图所示，这负脉冲的高度I?。与宽度2?都随频率的升高而增加。这脉冲波形可用示波器来观察。严格计算这正、负脉冲各分量是困难的。但在工程计算允许的10％一15％误差范围内，正、负脉冲都可以认为是余弦脉冲。

为什么发射极电流会出现负脉冲呢?这是由于少数载流子在基区渡越时间所引起的，或者说是由于在基区内的空间电荷储存效应所引起的。当发射极电压对于基极变成反向偏置(截止)时，在基区内

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