集电极调制特性

高频电子线路主讲元辉为天线等效电、放大器（4.2谐振功率放大器的原理与应用4.2.1谐振功率放大器（ResonatePowerAmplifier）的工作原理一．谐振功率放大器的工作原理分析图4.2.1(a)(b)分别为发送设备的中间放大级和末级4.2.1Ar路),(c)为相应的原理电路。图4.2.1丙类谐振放大器的电路组成AC高频电子线路主讲元辉FMM乙类状态：放大高频调幅信号。线性放大，推挽放大丙类状态：放大等幅载波及已调波（，P）。；按工作状态分为电路是以谐振系统作匹配网络（负载）。1．电路的基本组成电路中各元件作用：输入信号（又称为激励信号）经变压器耦合到晶体管的输入端得到b；高频电子线路主讲元辉BBVCCV是集电极直流电源电压，是基极偏置电压；为旁路电容，BCCC为电源滤波电容；L、C组成并联谐振回路，作为集电极负载回路（或匹配网络），该回路又称为槽路，负载回路既可以实现选频滤波的功能，又实现阻抗匹配；4.2.1放大后的信号通过变压器耦合到负载LR上(图(a))或通过天线(图（b))向空间辐射。回路的谐振总电阻。图（c）中的为L、CR图4.2.1丙类谐振放大器的电路组成（放大器工作原理动画）高频电子线路主讲元辉()BBBEQBEonVVV当时为甲类状态；当()BBBEQBEonVVV时为乙类状态；当()BBBEQBEonVVV时为丙类状态。()BEonV称为晶体管的导通电压。4.2.1放大器的工作状态由偏置电压BBV的大小决定2．电路特点：①电路工作在丙类状态。C高，流过晶体管的电流为余弦脉冲；②谐振回路做负载。其作用是：阻抗匹配，选出余弦脉冲中的基波分量高频电子线路主讲元辉二．工作原理：，且cosbbmVt若激励电压()BBBEonVV所以电路工作在丙类状态。cosBEBBbBBbmVVVt4.2.1图4.2.1丙类谐振放大器的电路组成电路的工作波形如图4.2.2所示。晶体管的集电极电流为周期性的余弦Ci脉冲。实际上，工作在丙类状态的晶体管各极电流、BiCi、Ei均为周期性余弦脉冲，均可以展开为傅立叶级数。高频电子线路主讲元辉4.2.1（集电极电流电压图解法分析动画）高频电子线路主讲元辉其中0max01()()2CCCIidti1max11cos()()cmCCIitdtimax1cos()()cnmCCnIintdti0CI式中，、1cmI2cmI、、…、cnmI分别为集电极电流的直流分量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。4.2.1012coscos2CCcmcmiIItIt……Ci的傅立叶级数展开式为其中，高频电子线路主讲元辉1()0()、、…、()n为余弦脉冲分解系数，的关系曲线。图4.2.3给出了导通角与各分解系数1()0()、、…、()n由图可清楚地看到各次谐波分量随导通角变化的趋势。谐波次数越高，振幅就越小。因此，在谐振功率放大器中只需研究直流功率与基波功率。见附录二。图4.2.3余弦脉冲分解系数曲线（余弦脉冲分解系数曲线动画）高频电子线路主讲元辉显然，只要知道电流脉冲的最大值maxCi和导通角、就可以计算0CI、1cmI2cmI、…、cnmI。输出，即：1coscosccmcmVtIRt当LC回路谐振于时，在回路两端得到的最大LC1cmcmVIR4.2.1R为回路等效总电阻，//eoLRRR（LR负载等效值）eeoeQRQLC式中高频电子线路主讲元辉结论：丙类谐振功率放大器，流过晶体管的各极电流均为余弦脉冲，但利用谐振回路的选频作用，其输出电压仍能反映输入电压的变化规律，即输出信号基本上是不失真的余弦信号，实现线性放大的功能。图4.2.4谐振功率放大器的各极电压、电流波形4.2.1丙类谐振功率放大器的电流、电压波形如图7.2.4所示。（高频工作时晶体管电压电流波形动画）高频电子线路主讲元辉二．谐振功率放大器的质量指标在保证功放管安全工作的条件下，在允许失真的范围内，高效率地输出足够大的信号功率，因此，高频功率放大器的主要技术指标有：1．电源电压提供的直流输入功率DP0DCCCPVI4.2.1对功率放大器的要求是：2．输出高频交流功率2111122ocmcmcmPIVIRoP高频电子线路主讲元辉3．集电极损耗功率CP根据能量守恒定律，集电极损耗功率应为CDoPPP4．集电极效率C11111()22cmcmocDCCCOVIPgPVI②当器件确定时，onBEV（）一定，bmV增大增大。oP③当1cmI增大的时候（或者C0I减小的时候），C减小；所以bmV增大时，让静态工作点Q降低是提高oP和C的重要途径。Dp一定时，R越大，oP越大。结论：①当高频电子线路主讲元辉4.2.24.2.2谐振功率放大器的近似分析方法一．近似分析方法近似分析方法（又称为准静态分析法），所作的近似如下：近似一：谐振回路具有理想的选频滤波特性，其上只能产生基波电压，而其它分量的电压均可忽略。因而，尽管集电极电流为脉冲波，但是集电极电压却是余弦的。同理，放大器输入端也接有谐振回路，因而，尽管基极电流为脉冲波，但是加到基极上的电压却是余弦波，它们可分别表示为高频电子线路主讲元辉cosBEBBbBBbmVVVt1coscosCECCcCCcmCCcmVVVtVIRt近似二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲线表示，其高频效应可忽略。根据1cmI和设定的cmV，便可确定所需的集电极谐振回路的谐振总电阻R值1cmcmVRI高频电子线路主讲元辉4.2.2时，可先设定四个电量、、、的数值，并将按BBVCCVbmVcmV在上述两个近似条件下，分析谐振功率放大器性能15,30,45,oooBECE间隔给定不同的数值（例如）则和便是确定的数值，如图4.2.5（a）所示。0,t图4.2.5谐振功率放大器的近似分析方法高频电子线路主讲元辉为工作路，负载线)，它是指输入信号的一个周期内，由管子的集电极电流与集电极电压共同决定的动态CiCE点的运动轨迹。根据不同间隔上的BE和CE值，在以BE为参变量的输出特性曲线上找出对应的动态点和由此确定的Ci值。动态线(DynamicLine）：动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线(又称高频电子线路主讲元辉（1）动态线在横轴上的截距是oV，而非CCV，oCCVV这是区别于乙类放大器之处。（2）在输入信号变化一周的过程中，由晶体管的集电极电流与集电极电压CiCE共同决定的动态点沿着A→B→C→D→C→B→A轨迹移动。即动态线是条曲线，管子经历了导通→截止→导通的过程。4.2.2从图示的动态线可以看出以下几点：（谐振功率放大器的近似分析方法动画）高频电子线路主讲元辉（3）集电极电压的最大值maxCECCcmVV。若1CCcmVV，则在选择功放管时，应保证集电极与发射极间4.2.2的击穿电压()2CEBRCCV。（4）丙类放大器是非线性放大器，不适合放大振幅变化的已调信号。如图4.2.6所示。显然，当幅度变化时，电流导通角不同，造成输出电流的基波分量振幅1max1()cmCIi不同（1()与之间是非线性的关系），使输出电压c的幅度1cmcmVIR与输入电压的包络不成正比，产生了失真。高频电子线路主讲元辉图4.2.6调幅波（AM）通过丙类放大器7.2.2高频电子线路主讲元辉二．丙类谐振功率放大器的工作状态图4.2.7谐振功率放大器的工作状态4.2.2高频电子线路主讲元辉集电极电流脉冲的宽度主要取决于BBV和bmV的大小，参见图4.2.2。也就近似一定，几乎不随cmV的大小而变化。集电极电流脉冲的最大值maxCi由maxBE与minCE的交点确定。maxBEBBbmVVminCECCcmVV0t时当一定时，集电极电流脉冲宽度（BBV和bmV）当图4.2.7谐振功率放大器的工作状态高频电子线路主讲元辉临界线：放大管输出特性曲线上由放大区进入饱和区的点称为临界点。CEBE或CcrcEigcrg为临界线的斜率，CcrCEig为临界线方程。4.2.2临界点的连线为临界线，临界线上满足，cb端的PN结导通vBE到达最大值后，就再也不会增加了高频电子线路主讲元辉（1）欠压（Undervoltage）状态的交点交与临界线的右侧，maxBE与minCE交点A确定了集电极电流脉冲的高度。显然，集电极电流波形如图7.2.7（b）中曲线①所示，为尖顶的余弦脉冲。4.2.2所示的动态线①所示。如图4.2.7（a）cmV（较小（或R较小）的情况），称为欠压工作状态。图4.2.7谐振功率放大器的工作状态高频电子线路主讲元辉（2）临界（Critical）状态的交点交在临界线上，maxBE与minCE对应的集电极电流脉冲波形如图4.2.7（b）中曲线②所示，仍然是尖顶的余弦脉冲。4.2.2的动态线②（cmVR较大（或较大）。如图4.2.7（a）所示与maxBEminCE交点A意味着动态线的斜率减小，这时正好落在静态曲线maxBE的临界点上，这时放大器的工作工作状态称为临界状态。图7.2.7谐振功率放大器的工作状态高频电子线路主讲元辉（3）过压（Overvoltage）状态maxBE与minCE的交点交在临界线的左侧，4.2.2如图4.2.7（a）所示的动态线③。cmV继续增大（或R继续增大）的情况，由于仍是maxBE那个静态特性曲线，所以对应maxBE与minCE的动态点A必定进入饱和区，并在E点CEBE（对应的点）转折，这种工作状态称为过压状态。对应的集电极电流脉冲波形如图4.2.7（b）中曲线③所示，是顶部凹陷的电流脉冲，E点对应电流脉冲的maxCi图4.2.7谐振功率放大器的工作状态高频电子线路主讲元辉Ci波形才会电流脉冲出现凹陷是由于集电极负载性质造成的。它的负载是具有选频作用的LC并联谐振回路，其上只能产生基波余弦电压，因而只有沿动态线画出的出现中间凹陷。4.2.2值，A点对应凹陷脉冲的maxCi值。图4.2.7谐振功率放大器的工作状态高频电子线路主讲元辉4.2.3谐振功率放大器的外部特性由谐振功率放大器的原理分析知：1coscosBEBBbmCECCcmVVtVIRt所以，当晶体管确定后，放大器的工作状态及1cmcmVIR，，bmV，DP，c与CCVR，BBV四个参量有关，同时也影响oPCP，也就唯一地确定了。4.2.3，当CCV，R，BBVbmV这四个参量一定时，工作状态高频电子线路主讲元辉一．负载特性⑵对工作状态的影响：同时电路的工作状态经历了从欠压状态到临界状态又到过压状态的变化。bmV⑴定义：不变时，，，CCV变化时对放大器工作RBBV，，状态及DPoPCP，的影响。cCmVR升高的时候，可以得到1cmcmVIR同样升高，图4.2.7负载变化对放大器工作状态的影响高频电子线路主讲元辉⑶对Ci的影响：欠压状态到临界状态：maxci略微减小，却几乎不变，1cmI和0cI也几乎不变。临界状态到过压状态：maxci迅速下降，曲线出现凹陷，1cmI和0cI也迅速下降。如图4.2.8所示。图4.2.8负载变化对电流脉冲的影响4.2.3（Re变化时ic波形波形动画）高频电子线路主讲元辉02112DCCCocmocDCDoPVIPIRPPPPP图4.2.9负载特性结论：在临界状态：oP最大，c较高，最佳状态；发射机末级。弱过压状态：最大，c接近最大，随着oPR，cmV平稳，中间放大级；4.2.3⑷负载特性曲线（对功率、效率的影响）（放大器的负载特性动画）高频电子线路主讲元辉欠压状态：c比较低，oP比较小，且cmV随着R的增大而增大。所以，一般