2.2_谐振功率放大器的性能特点

1．使用条件——两假设
① 谐振回路滤波特性理想，即尽管集电极、基极电流 为脉冲波，但两回路只产生基波(余弦)电压，其他分量的 电压均可忽略。有
vBE VBB Vbm cost vCE VCC Vcm cost
② （忽略管子高频效应）功率管特性用输入和输出静 态特性曲线表示，其参变量采用 vBE(而不是通常的 iB) 。
2.2.2
欠压、临界和过压状态
1．当 VBB、Vbm、VCC 不变， Vcm 由小变大，动态点左移
① 欠压状态 Vcm 的取值，使所对应的动态点均处在放大区。
② 临界状态
Vcm 增大，使 t = 0 所对应 的动态点 A 处在临界点， iCmax 略微减小。 ③ 过压状态 Vcm 继续增大，使 A(t = 0) 动态点处在饱和区， iC 迅速减小， 电流脉冲出现凹陷， Vcm 增大， 凹陷加深。 谐振功放的工作状态
1) 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和c 导通角c
VBB VBZ c cos Vb
1
集电极电流脉冲幅值Icm
ic max=gcVbm(1–cosc)
2) 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，并求得各分量的实际值。
4) 求交流电压振幅：
对应功率、效率。 1 1 1 I V I V 0.872 0.9 24 9.4W CC Po= 2 c1 cm 2 c1 2
图 2–2–7
集电极调幅电路
令 VCC(t) = VCC0 + v(t) 作为放大器的等效集电极电源 电压。若要求 Vcm(t) 按 VCC(t) 的规律变换，根据集电极调 制特性，放大器必须在 VCC(t) 的变化范围内工作在过压状 态。
2．基极调制特性 (1)含义 Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。
图 2–2–10 (b)
振幅限幅器的作用
图 2–2–6
基极调制特性
图 2–2–5
集电极调制特性
图 2–2–9
放大特性
• 例：谐振功率放大器原工作在欠压状态。现为了提高 输出功率，将放大器调整到临界工作状态。试问，可 分别改变哪些量来实现？
例 谐振功率放大器输出功率Po已测出，在电路参数不 变时，为提高Po采用提高Vbm的办法。但效果不明显， 试分析原因，并指出为了达到Po明显提高的目的，可 采用什么措施?
例 谐振功率放大器输出功率Po已测出，在电路参数不变 时，为提高Po采用提高Vbm的办法。但效果不明显，试分 析原因，并指出为了达到Po明显提高的目的，可采用什 么措施?
i p Icm1 IC0 P= Po Pc O 欠压状态 过压状态 Vbm (a)
VC Ic1 Ic0 Po Pc 0 欠压 临 界 过压 Rp 0 欠压 临 界 过压 Rp P=
2 1 Vcm 1 (VCC )2 Po 2 Rp 2 Rp
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，输出功率最大。 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。
例:某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶 体管的参数为：fT≥150MHz，功率增益Ap≥13dB，管子允许通过 的最大电流IcM=3A，最大集电极功耗为Pcmax=5W。管子的 VBZ=0.6V，放大器的负偏置VBB=1.4V，c=70，VCC=24V， = 0.9，试计算放大器的各参数。
2． iC 的平均分量 IC0 与基波分量 Ic1m
1 I C0 iCdt 2 1 I c1m iC costdt
iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大。如果出 现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小。 由此可求功率性能
PD VCC I C0 PC PD Po
3) 谐振功率放大器的功率和效率
直流功率： PD=Ic0 VCC 交流输出功率： 1 1 Po Vcm I cm1 VCC 1 (c )ic max 2 2
集电极效率：
Po 1 c g c ( c ) PD 2
4) 根据
(VCC )2 Rp 可求得最佳负载电阻： 2 Po
图 2–2–5 集电极调制特性
② 过压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲的高度降 低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。
(3) 集电极调幅原理电路
图中： vb ( t ) Vbm cos c t —— 载波 v Vm cos t —— 调制信号 vo (t ) Vcm (t )cos c t 为谐振回路上的输出电压。 与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压。
(3) 图解积分求得分量 IC0 和 Ic1m 谐振电阻
Re Vcm / I c1m
PD VCC I C0 Po Vcm I C1m / 2 PC PD Po C Po / PD
(4) 计算功率性能
四变量 VBB、Vbm、VCC、Vcm 不同，iC 的波形和数值就 不同，由此求得的 Re 及相应的功率性能就不同。应了解四 变量的影响。
(2)调制特性
基极调制特性与调制电路
当 Vbm 一定，VBB ，iC宽 度、高度 ， IC0 Ic1m 、 Vcm ， VCEmin ，放大器欠压 过压。
过压后，随 VBB，iC 宽度、 高度 ，凹陷加深，IC0 和 Ic1m、 Vcm 均增加缓慢，可认为近似 不变。
第2章
谐振功率放大器
2.2 谐振功率放大器的性能特点
2.2.1 近似分析方法 2.2.2 欠压、临界和过压状态 2.2.3 四个电压量对性能影响的定性讨论
2.2.1 近似分析方法
非谐振功放 集电极负载 求功率性能 要 点 纯电阻 图解法 求负载线 丙类谐振功放
谐振回路，含电抗元件
准静态分析法 求动态线
2．分析步骤
① 求动态点，画波形； ② 连动态线，画 iC 波形； ③ 图解积分求分量； ④ 计算功率性能。
图 2–2–1 谐振功率放大器的近似分析方法(b)
(1)求动态点，画波形
设定 VBB 、 Vbm 、 VCC 、 Vcm ， 将 t 按等间隔(t = 0º ， 15º ， 30º ， ) 给定数值，由 vBE VBB Vbm cost vCE VCC Vcm cost 便可确定 vBE 和 vCE (图 a)。
3．讨论
(3)匹配负载 Reopt Re = Reopt 时，管子工作在临界状态， Po 最大， C 较 大，PC 较小，放大器性能接近最佳。此时的 Re 称为谐振功 放的匹配负载。
Reopt
2 ( V V ) 1V 1 CC CE(sat) 2 Po 2 Po 2 cm
二、调制特性
例:某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的 参数为： fT≥150MHz，功率增益Ap≥13dB，管子允许通过的最大电流 IcM=3A，最大集电极功耗为Pcmax=5W。管子的VBZ=0.6V，放大器的负 偏置VBB=1.4V，c=70，VCC=24V，= 0.9，试计算放大器的各参 数。
图 2–2–6
基极调制特性
(3)基极调幅原理电路
图 2–2–8
基极调幅电路
VBB (t ) VBB0 v ( t ) —— 基极偏置电压
使 Vcm 按 VBB(t) 的规律变化，放大器工作在欠压状态。
三、放大特性
1．含义 当 VBB、VCC 和 Re 一定， 放大器性能随 Vbm 变化的特性。 2．特性 固定 VBB，增大 Vbm 与上 述固定 Vbm 增大 VBB 的情况类 似，它们都使 iC 的宽度和高 度增大，放大器由欠压进入过 压，图 2–2–9(a)。
ic 1A
1) 根据图可求得转移特性的斜率gc
gc
VBB VBZ 2) 根据 cos c Vbm
VBZ 2.6V vBE
1A 0.5A / V (2.6 0.6)V
c=70，cos70=0.342，
求得Vbm
Vbm
1.4 0.6 5.8V 0.342
3) 根据ic
谐振功放的放大特性
图 2–2–9 放大特性
(1)谐振功放作为线性功放 为了使输出信号振幅 Vcm 反 映输入信号 Vbm 的变化，放大器 必须在 Vbm 变化范围内工作在欠 压状态。
图 2–2–10 (a)
线性功率放大器的作用
(2) 谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter) 作用：将 Vbm 在较大范围内的变化转换为振幅恒定的 输出信号。 特点：根据放大特性，放大器必须在 Vbm 的变化范围 内工作在过压状态，或 Vbm 的最小值应大于临界状态对应 的 Vbm 限幅门限电压。
Po Vcm I C1m / 2
C Po / PD
2.2.3 四个电压量对性能影响的定性讨论
一、负载特性
1．定义 指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特 性。 2．特性 Re 的增加势必将引起 Vcm 增大(Vcm = ReIcm) Re Vcm vCEmin 功放欠压 过压 iC 波 形出现凹陷。 据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。
P= Icm1 Ic0 Po Pc
O
欠压状态 过压状态 Vbm (b)
c
0
过压状态
欠压状态 VCC (a)
0
Baidu Nhomakorabea过压状态
欠压状态 VCC (b)
负载特性曲线
采用提高Vbm提高Po效果 不明显说明放大器工作在 过压工作状态，为了达到 Po明显提高的目的可以减 小Rp或增加Vcc。
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：
谐振功放的负载特性
3． Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线
图 2-2-4 负载特性
Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2=I2c1mRe/2 PD = VCCIC0 ， PC = PD－Po C = Po/ PD
3．讨论 (1) 欠压区 Re ，iC 脉冲高度略有减小，相应的 IC0、Ic1m 也略有减 2 小，因而 Vcm(= ReIc1m)和 Po( I c1m Re )近似线性增大，而 PD(= VCCIC0)略有减小，C 增大，PC 减小。 (2)过压区 Re ，电流脉冲高度减小，凹陷加深，相应的 IC0、Ic1m 减小，结果使 Vcm 略有增加，Po、PD 减小，且 Po 比 PD 减 小的慢，从而 C 略有增加，PC 略有减小。 (3)匹配负载 Reopt Re = Reopt 时，管子工作在临界状态， Po 最大， C 较 大，PC 较小，放大器性能接近最佳。此时的 Re 称为谐振功 放的匹配负载。
max=gcVbm(1–cosc)求得ic max、Ic1、Ic0
i c max
Ic1=ic max1(70)=20.436=0.872A Ic0=i c max0(70)=20.253=0.506A
1 5.8 (1 0.342) 2A I C max 2
(安全工作)
两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。 1．集电极调制特性 (1)含义 VBB、Vbm 和 Re一定，放大器性能随 VCC 变化的特性。 (2)调制特性
集电极调制特性与调幅电路
① 欠压状态：随 VCC 减 小，集电极电流脉冲高度略 有减小，因而 IC0 和 Ic1m 也将 略有减小，Vcm(= ReIc1m)也略 有减小。
图 2–2–1
谐振功率放大器的近似分析方法(a)
(2)连动态线，画 iC 波形：
不到 VCC，因为 导通角小于
根据 vBE 和 vCE 值，在输出特 性曲线上 ( 以 vBE 为参变量 )找对应 的动态点，画动 态线(动态点的连 线) ，由此可确定 iC 的波形。
图 2–2–1
谐振功率放大器的近似分析方法(b)