高频功率放大器的动态特性及外部特性

ucemin
ubemax
动态特性曲线与临界饱和线以及 Vcmax 对应的静态特性曲线， 1 BE v be max 所对的静态特征曲线的交点位于饱 动态特性曲线与 vbe max 三线相交于一点 和区。 所对的静态特征曲线的交点位于放大区。 i c 为尖顶余弦脉冲。 vce min u min ≈ uCES 此时：vcevmin 晶 体ces 的 ，晶体管的动态范围延伸到饱和区。 特点： > CEces < v 管 , 工 作 范 围 在 放 大 区 和 截 止 区 。 iic 为尖顶余弦脉冲，集电极电压利用不充分。 。 c 的 波 形 顶 部 为 下 凹 的 余 弦 脉 冲
u
例：如果已知临界状态时输出功率为 P ioc ， gcr
ic
利用上两式消去 Ic max 可得： ξcr • • −θ θ
-VBB
−θC
1 1 gC •• • 而 Po = I C 1U cm 1 = I c max α 1 (θ ) ⋅ E C ξ cr 2 2
2
•
ic
icmax
vbemax
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iC 与 uCE 之间关系的动态特性方程。
一 高频功率放大器的动态特性
2 动态特征曲线的画法： 画法一：
ic
A
在静态特征曲线的 uCE轴上取 B 点， 使 OB= Uo ，由 B 点作斜率为 gd 的 直线 BA，即得动态特征曲线。 画 法 二 ： （ 1 ）作静态工作点 Q ：
•
gd
Ec
O Uo
UBZ
uBE
一、高频功率放大器的动态特性
1、 动 态 特 性 方 程 ⎛ ⎞ EC − uCE − U BZ ⎟ iC = gc ⎜ − U BB + U bm ⎜ ⎟ U cm1 ⎝ ⎠ ⎛ U bm ⎞⎛ U BB + U BZ ⎞ ) ⎟ = g d (uCE − U O ) = − gc ⎜ ⎜ U ⎟⎜ uCE − EC + U cm1 ( U ⎟⎜ ⎟ bm ⎝ cm1 ⎠⎝ ⎠
⎛ U bm ⎞ 式中： g d = − g c ⎜ U ⎟ 表示动态特性曲线的斜率， ⎟ ⎜ ⎝ cm 1 ⎠ U + U BZ U O = EC − U cm1 ( BB ) = EC − U Cm1 cos θ c U bm UBB +UBZ 式中： cosθc = U ; uO 动态特性曲线在 u CE 轴上的截距。 bm
cmin
B
•
uCE
•
Q
ω t = 90 o 由 外 部 方 程 可 得 ： 令
BB bm ⎧u CE = E C , u BE = −U BB 输入端： be Q:⎨ u i C = g c (ucm1 − U BZ ) iC = I Q = g c ( −U BB − U BZ ) BE ⎩ θc (2 ) 作 A 点 :
β
中 频 区 ： 0.5 f β < f < 0.2 f T 高 频 区 ： 0.2 fT < f < fT
βo
故直接进行高频区或中频区的分析 和计算是相当困难的。本节将从低频区 的静态特性来解析晶体管的高频功放的 工作原理。
0.5fβ
fβ
0.2fT fT
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一 、 高频功率放大器的动态特性 1 、 动态特性方程 当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
Rp Rp 欠压区 过压区 ⎧ I C 1 欠压区 , V 过压区 ,IC0 C 1 ⎪ 注意： 的关系。 而RP 变化时，与 ⎨ P = , P o , P c ⎪η ⎩ c P =P
当 V CC ， V BB ， V bm 不 变 ，
vce
c 2 .高 频 功 放 的 振 幅 特 性
二 i高频功放的外部特性
注意： 只有工作在过压区才能有效地实现 E C 对 I C 1 及 Po 的调 制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。
二 高频功放的外部特性
(2) 改变 U BB 对工作状态的影响 Q u BE = −U BB + U bm cos ω t
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当 U BB ↓→ uBE max = (− U BB + U bm ) ↑→ 静态曲线上移 → 进入过压区。
的变化
ubemax
ic
①临界状态输出功率最大 o ocr ，效率 也较高，可以说是最佳工作状态，常选此 （ 1 ） 过压区： （ 2） 欠 压 区 ： 状态为末级功放输出状态。过压状态，效 R R ↑↑ 进 ↑→ 过 压 区 → 余 弦 脉 →I 顶 部 下 凹 ， 入 ic max 几乎不变（略减少） 冲 , I 几 P 率高，但输出功率较小。 C0 C1 P 由小 i c max ↓↓→ I C 0 , I C 1 ↓↓→ V c 1 = I c 1 R P 几 乎 不 变 （ 略 有 上 升 ） 乎 不 变 → Vc 1 = I c 1 RP ↑→ P= = VCC IC 0 几 乎 不 变 ②在欠压状态 I C 0 ， IC11 几乎不变，功放相当于一个恒流源，而 1 I C1 VC1 P = = V CC I C 0 ↓↓→ Po = V C 1 I C 1 ↓→ V c = ⋅ η 1 I c1 c1 1 几乎不变，相当于一个恒压源。 0 V C 0 变 化 缓 慢 ， 2 ↑ 2 I C → P = P= − P 过压状态 UCV C 1 I C 1 ↑ → η c = 1 → Po = c o 2 。 Vcc I co 2 P c = P = − P o 变化缓慢
c max cr ces cr
Vbm
2 Po 1 1 + − 2 2 Vb 4 g cr α 1 (θ ) ⋅ E C
VBE
C
C
vcescr
g α1(源自文库 ) ⋅ EC
=0
Q
vce
•
I CCC max
cm1
•
又 U cm 1 = ξ cr EC I
令
ξ cr 为临界状态的电压利用系数
Vcc
c max
= g cr E C (1 − ξ cr )
当 U BB ↑→ ubemax = (− U BB + Ubm ) ↓→静态曲线下移 → 进入欠压区。
ic
ubemax2 -UBB BB BB -U -U ubemax3 ic
，
gC R P 不变
临 界 区 PO ic ic • • • • Vcc • •
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vbemax4 ubemax v 3 bemax1 vbemax2
讨论： Ic1 -V
C
临 当 V界 CC 区
设功放原始工作在临界状态： 欠压区 过压区 欠压区 过压区
I ,•I ,V C 1 P ⎧• VBE = −θ ⎪ ⎨ PC Vbm 与 θ P = , P o , P c 的关系。 Vb ⎪η ⎩ c Vbm Ubm Ubm
C C C
• • •• • gd
gd
Vo
Ec
uce
• Q•
vce
可见动态特性曲线的斜率和负载 R P 有关，放大器的工作状态将 ucemin 随负载的不同而变化。下面讨论当 VCC 、 V BB 、 V bm 不变时，动态 特性曲线与负载 R P 的关系。 2. 欠压工作状态 (1) .过压工作状态 态 3 临界工作状 V RP 较大 → Vc 1 = I c 1 RP 较大 → g d = g c bmbm 较小， V 当 RP 减小 → Vc 1 = I c 1 R P ↓→ g d = g c V c 较大，动态特征曲线与 1
又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程） ： i C = g c (u BE − U BZ ) 可得： ⎛ ⎞ E −u ⎜ −UBB +Ubm C CE −UBZ ⎟ iC = gc ⎜ ⎟ Ucm1 ⎝ ⎠
+ ube
_
ic
gC
⎛ Ubm ⎞⎛ UBB +UBZ ⎞ ) ⎟ = gd (uCE −UO ) = −gc ⎜ ⎟ ⎜ U ⎟⎜uCE − EC +Ucm1( U ⎟⎜ bm ⎠ ⎝ cm1 ⎠⎝
BB C 1 -V C 0 Ico BZ
C
vce
ω t
当 V bm ↓→ 静态曲线下移I vbemax = −VBB + Vbm ) ↓→进入欠压状态。 注意：在过压区 Ubm 对 ( C 1 影响小（无调制作用） ，而只有在欠
V 当 V bmUbm 对 I C 1 才能有效地调制， bm ) ↑→ 进入过压状态， 压区 ↑→ 静态曲线上移 (vbe max = −Vbb + 故对基级调幅放大器应工作
一 高频功率放大器的动态特性 ic
gC ⎧
ic
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gcr
ubemax vbemax
动态曲线：
C
V bm ⎪ gd = − gc V c1 ic = gd ( BBce − Vo ) ⎪ -U v ⎪ −θ • -UBZ • Vo −θ ⎨uBE = V CC θ− V c 1 cos θ c uces ⎪而 V = I R θ ub ⎪ c1 c1 P Ubm ⎪ ⎩
2.3..3高频功率放大器的近似分析
一、 高频功率放大器的动态特性
1. 动态特性方程 2. 动态特征曲线的画法 3. 高频功放的工作状态
二 高频功放的外部特性
1．高频功放的负载特性 2. 高频功放的振幅特性 3. 高频功放的调制特性
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2.3..3高频功率放大器的近似分析
由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信 号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体 管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有 关，如右图所示了 β 与 f 之间的关系。而通常所说的静态特性 曲线是指低频区： f < 0.5 f β
C
V E (1) 改变 V CC 对工作状态的影响 过压区 欠压区 cc 过压区 欠压区 c
vce
ω t
•Q •Q •Q
当 RP , U bm ， U BB 不变，
⎧ E C 增加功放由临界进入欠 压区 ⎨ ⎩ E C 减少功放由临界进入过 压区
显然：在欠压区： IC0 , IC1 几乎不变 →
P = , P 1 不变
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= U bm cosωt = −U BB + Ubm cosωt 输出端： uCE = EC −Ucm1 cosωt 其中： uc1 = UCm1 cosωt
若设： ub 输入端： uBE
由上两式消除 cos ω t 可得：
E C − u CE U cm 1 u BE = −U BB + U bm
•
o gd 2P 2 Vcc
-VBZ
−ξcr +•
θC 可求出:
ξ cr =
vbemax 由上可以看出高频功放工作在临界状态时，有较大的基波电流 vcemin I C 1 和较大的回路电压VC 1 ，故晶体管输出功率最大，高频功放通常选 择这种工作状态。为保证这种工作状态所需的集电极负载电阻 RP 称 vcemin 如果设临界线的斜率为 g cr U cm 1 ic gcr 为最佳负载电阻。 R = (V −V ) ubemax 则 有 :i = g v Pcr g =
二 高频功放的外部特性
区 当 RP , Vbm 不变， I
c1
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ic • • • Ec Ec Ec • • ubemax
临 3.高临界 频 功 放 的 调 制 特 性 ： 界 区 P=
ic
⎧VCC Ico ⎧ I C 1 , I C 0 PO 而改变 ⎨V 与 ⎨ P , P 之间的关系。 ⎩ BB ⎩ = o P
icmax uCE
Q
uces
Ucm1
•
∴ ξ
cr
I c max = 1− g cr E C
二 高频功放的外部特性
临 临 ⎧ RP 界 ⎪ 界 研究的问题： 当 ⎨V bm 变化时 区 区 ηc ⎪V P Vc！ ⎩ CC = Ic1 I1．高频功放的负载特性 co Pc Po
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⎧V C 1 , I C 1 , I CO ⎪ 功放特性 ⎨ Po , P= , Pc ⎪η ⎩ c
•Q
于欠压状态。 (1) 欠压状态QIc max = gcUbm(1− cosθc )
1 I I P C ∴ 当 Ubm ↓→ cmax↓→ c0, Ic1 ↓→ = = E IC1 → P = U C1 I C1 ↓ 1 2
(2) 过压状态：
U bm ↑→ I c max 下凹部分增大，故 I c 0 , I c 1 增加缓慢（几乎不变）
u uce== UCC −Ucm1 cosωtt 输出端： u −U + U cosω
令 ω t = 0
o
⎧uCE = U c min = EC − U Cm1 A: ⎨ ⎩uBE = U b max = −U BB + U bm
连接 Q、 A 两点 即得动态特性曲线 。
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i i c 3 高 频 功 c放 的 工 作 状i态 ： cmax •