第3章高频谐振放大器高频功放状态分析及高频效应

ic max=gcUb(1–cos)
2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(c)、1(c)… 3) 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：PO=Ic0 EC
交流输出功率： P 11 2EcIc11 2EC1()icmax
集电极效率：
c
P1 P0
1
2
4) 根据
EC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EC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EC的减小而下降，故输出电压也随之下降。 在过压区中输出电压随EC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EC 来实现调幅过程的。改变EC时，其工作状态和电流、功率的 变化如上图所示。
(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。
ib
t
0
c
20
高频情况下功放管 各电极电流波形
高频情况下功放管各电极电流波形
1、ic的导通角加大，将使电压增益下降，使功率管的效率大
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。
特别注意：失谐时直流功率增加，而输出功率因cos φ而减 小，集电极功耗迅速增加，长时间可能损坏管子。调谐时，可 用降低Ec或减小激励的办法避免损坏管子。
谐振功率放大器的工作状态调整：
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？
（2）基极调制特性
在欠压区，电压、 电流随（-Eb）变化明 显，调制特性显著。
4. 高频功放的调谐特性
调谐特性是指当谐振回路失谐时，放大器的电流、电压、
功率及效率随之变化的特性。利用调谐特性，可以指示放大器
是否处于谐振状态。
当回路失谐时，无论实感性 还是容性失谐，阻抗的模制要减 小，且有相角φ，工作状态会发 生变化。 （1）若原来处于弱过压区，当 失谐时，由于阻抗模值变小，根 据负载特性，此时会向临界或欠 压区变化，使Uc减小，Ic1、Ico 增大。Ico变化较为明显。故可依据Ico的变化作为调谐指示。
解：（1） a1(70)0.436
1
2
14SCa12(P 1)EC 2 0.921
(2) ICO=icma0(θ)=0.158 A
po=IC0EC=3.79w
IC1=icma1(θ)=0.273A pC=P0-P1=0.79w
η=P1/P0=79% 或 =ξγ/2=0.921x(a1/a0)/2
=0.921x0.273/0.158x2=0.796%
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。
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）。
四、饱和压降Vces
大信号注入时，功率管的饱和压降将增大，在高频工作时， 集电极体电阻也要提高，致使饱和压降进一步增加。
例如: 当f=30MHz时，实测某管的Vces=1.5V， 当f=200MHz时，Vces则可大到3.5V。
Vces的增加，会使功率放大器的输出功率、效率、功率增 益均减少。
五、发射极引线电感的影响
第 3 章 高频功率放大器
3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态 3.2.3 高频谐振功率放大器的外部特性 3.4 高频谐振功率放大器的实际电路
作业： 3-8、3-9
3.2.2 高频谐振功率放大器的工作动态
1. 谐振功率放大器的动特性
动特性是指当加上激励信号和接上负载时，集电 极电流ic与集电极电压uce的变化关系.它是由晶体管 的输出特性曲线和负载线共同决定。
P=
Icm1
Ic0
Po
Pc
0 过压状态 欠压状态 VCC 0 过压状态 欠压状态 VCC
(a)
(b)
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ic max和
导通角
cos1 Eb E'b
Ub
集电极电流脉冲幅值 ic max
大降低； 2、基极基波电流Ib1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，这种现象将随 工作频率升高而加剧。
三、晶体管基极体电阻rbb的影响
当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值Ib1是迅速 增加的，这表明b–e间呈现的交流阻抗显著减小，因此rbb 的影响便相对增加，要求的激励功率将更大，这会使功率 增益进一步减小。
在更高频率工作时，要考虑管 子各电极引线电感的影响，其中 以发射极的引线电感影响最严重， 因为它能使输出输入电路之间产 生寄生耦合。
P1 12URCp2
1(EC)2
2 Rp
可求得最佳负载电阻：
Rp
( EC )2
2P1
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改变而变 化的。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。
（4.3.19）
gc V V b cm m uC EV bV m C CV V Bb V Z cmm V BV B cm
= gd(uCE– V0)
负载线的斜率为 gd
gc
Ub Uc
，截距为
UoUbECEU 'bb UcEbUc
令 uCE= EC ， icg cE bE 'b 为图中Q点（ ic为负值），
由于 P1=1/2UcIc1=0.5ξECIcmaxa1(θ) 所以 Icmax=2P1/ξEca1(θ) 因此，有 UC1 1 2P1
EC 2 4 SCa1()EC 2
例3-1 某高频功率管工作在临界状态，通角为70，输出功率为 3W，EC=24v,Eb=-0.5v,所用高频功率管的临界饱和线斜率SC =0.33A/V,转移特性曲线斜率SC=0.8A/V,E’b=0.65v,管子能安全 工作。试计算：P0、η、Ub以及负载阻抗的大小。
当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为
uBE= –Eb+Ubcost
uCE= EC–Uccost
消去cost可得，
uBE= –Eb+Ub EC uCE Uc
另一方面，晶体管的折线化方程为 ic = gc(uBE–E’b)
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：icgcEbUb(ECU cuC)EE'b
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。
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。
2. 高频功放的振幅特性
RLCr=UC/IC1=ξEc/0.273=0.921X24/0.273=82欧姆
（3）Ub=icm/(1-cos θ)S=1.19v Eb=E’b-Ubcos θ=0.24v
3.3 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。
振幅特性是指放大器电流、 电压、功率及效率随激励信号 振幅Ub的变化特性。
Ub变化，但EC、(-Eb)、Rp 不变或(-Eb)变化，但EC、Ub、 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Ub还是Eb的变化，
其结果都是引起uBE的变化。
由 uBE= -Eb+Ubcost
当(-Eb)或ub由小到大变化时,放 大器的工作状态由欠压经临界转
电压、电流随负载变化波形
3.2.3 高频功放的外部特性 外部特性指的是放大器的性能
1. 功率放大器的负载特性 什么是负载特性呢？
Hale Waihona Puke Baidu
随外部参数变化的规律（关系）。 包括负载特性、振幅特性、调制 特性、调谐特性。
即EC、Eb、Ub不变时，
P1、c、ucm 与负载之间
的关系。
在其他条件不变(EC、 Eb、Ub为一定)，只变化 放大器的负载电阻而引起
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。
临界状态的计算公式
当ωt=0时， uce=ucemin,uBE=uBEmax 因此，icmax=Scucemax
ucemax=icmax/Scr 集电极电压利用系数
ξ=Uc/Ec=(Ec-ucemin)/EC=1-(ucemin/ Ec) =1-(icmax/ScEc)
在工作频率很高， 渡越角在0=10~20时。
(1)发射极电流ie 随着工作频率提高，存贮在基区中的载 (2) 流子由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极，
因
(3) 而ie出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越 ((二时42)高者的)反,差集向ie一电c脉增渡极冲大越电的到角流宽ci+度c20峰就，值越0i，c 滞导大峰后通，值于角幅下I也值e降的由也。峰低越值频高，导i通e ic 角0也越(扩0=1展0°~。20°)
Uc、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Ubemax，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。
三种工作状态：
① 欠压状态---B点以右的区域。在
再令ic = 0时，为图中的P点。
uCEECUc
EbE'b Ub
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
2. 高频功放的工作状态
欠压区至临界点的范围内，根据
Uc=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ubemax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。
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。
电压、电流随负载变化波形
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。
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。
uBEmax= -Eb+Ub
入过压。
Ub变化时电流、功率的变化
3. 高频功放的调制特性
调制特性是指放大器的偏置直流电压改变时，输出的高频信 号的振幅随之变化的特性。分为基极和集电极调制特性。
（ 1）集电极调制特 性----EC变化时对工作
状态的影响： EC由小变 大，负载线向右平移， 状态由过压进入欠压，