谐振功放特性分析

EXIT,EXIT,3.2 谐振功率放大器的特性分析,高频电子线路,3.2 谐振功率放大器的特性分析,主要要求：,理解谐振功放过压、欠压、临界工作状态的特点,掌握丙类谐振功放的负载特性。,了解,V,CC,、,V,BB,、,u,im,对谐振功放工作状态的影响,了解谐振功放的应用,3.2.1,谐振功放的工作状态与负载特性,放大器工作状态的分类：,按晶体管导通时间长短分,甲类,（始终导通）,乙类,（半周导通）,甲乙类,（大半周导通）,丙类,（小半周导通）,丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分,欠压,（不进入饱和区）,过压,（进入饱和区）,临界,（达到临界饱和）,根据高频谐振功率放大器的工作是否进入饱和区，可将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种。若晶体管在任何时刻都工作在放大状态，称为放大器工作在,欠压状态（欠压区）,；若晶体管工作时有部分时间进入,饱和区,，称放大器工作在,过压状态,。若刚刚进入饱和区的边缘，称放大器工作在,临界状态,。,高频功放的工作状态取决于负载R,P,电压V,CC,、V,BB,、u,im,四个参数。为了讨论不同工作状态对电压、电流和效率的影响，需要对谐振功率放大器的动态特性进行分析。,放大区,饱和区,动态特性曲线,当晶体管在激励信号下并接入负载阻抗时，在输出特性图中，表示集电极电流,i,C,与输出电压,u,C,E,之间的关系曲线称为集电极,动态特性曲线,。,具体来说，当回路总等效参数R,P,和电压,V,BB,、,u,im,、V,CC,确定以后，基极电压,u,BE,和集电极电压,u,CE,变化时，谐振功率放大器工作点变化的轨迹，称为谐振功率放大器,动态线,。动态线上的每一点都反映了基极电压,u,BE,、集电极电压,u,CE,与集电极电流,i,C,之间的关系(瞬时值关系)。,晶体管的转移特性和输出特性是在晶体管无载情况下而言的，对晶体管输入回路来说，,输入转移特性,的关系是,i,C,=,f,(,u,BE,)，晶体管的,输出特性,曲线为,i,C,=,f,(,u,C,E,)，这称为晶体管的,内部特性,。,晶体管的,外部特性,是在有载的情况下，晶体管输入、输出都变化时，,i,C,u,BE,，,i,C,u,C,E,特性。,谐振功率放大器的,动态特性,是晶体管内部特性和外部特性结合起来的特性，是实际放大器的工作特性。,动态线的绘制,i,c,=,f,(,u,ce,),放大区动态特性由三个方程求得。,假定输入信号是单频正弦波, 输出回路调谐在输入信号的相同频率上。,建立由负载谐振电阻,R,（,R,p,）和,V,CC,、,V,BB,、,u,i,m,所表示的输出动态负载曲线。,(3.2.2),(3.2.1),(3.2.3),退出,谐振功率放大器基本电路图,-,+,u,c,动态线表达式,(欠压区）,(输入)转移特征方程,退出,u,BEmax,=,V,BB,+ u,im,q,-,q,0,-,q,+,q,u,BE,u,BE,on,0,V,BB,w,t,i,C,u,BE,i,C,u,im,转移特性,i,C,=,g,c,(,u,BE,u,BEon,),u,CE,0,B,A,i,C,交流负载线,g,d,w,t,O,上式表明，在回路参数,(,即偏置、激励、电源电压等,),确定后，,i,C,=,f,(,u,CE,),是一条直线，只要找到两个点，就可把动态线绘出。,令,u,CE,=,V,CC,时，,i,C,=,gc,(,V,BB,-,u,BE,on,),，,为图中,Q,点；令,i,C,= 0,，,wt=,，,u,CE,=,V,CC,-,u,cm,cos,得,B,点。连接,Q,、,B,点，并延长与,u,BEmax,=,V,BB,+,u,im,的输出特性曲线相交于,A,点，则直线,AB,便是谐振功率放大器的,动态线,，也可称作,谐振功率放大器的交流负载线,。动态负载电阻可用动态线斜率的倒数求得。,退出,0,-,q,+,q,u,BE,V,on,0,i,C,w,t,u,CE,u,CE,0,q,D,B,Q,i,C,A,i,C,交流负载线,g,d,(3.2.19),U,cm,U,CEmin,(,V,CC, g,c,(,V,BB,-,u,BE,on,),q,(,V,CC,-,u,cm,cos, 0,),w,t,O,u,BEmax,=,V,BB,+ u,im,处在放大区的动态线,AB,与输出特性曲线的每一个交点，都是放大器在输入信号作用下的动态工作点，利用这些点可以求出不同,t,值,(,导通角范围内,),的集电极电流,i,C,值，从而可以画出,i,C,的脉冲波形，在这个区工作点沿直线,AB,移动。,当放大器工作在过压状态时，,i,C,只受,u,CE,控制，不再随,U,BE,变化，这时,i,C,沿饱和线,OA,移动，所以进入过压区的动态线是与输出特性曲线的,临界饱和线,相重合的一段线。,0,-,q,+,q,u,BE,V,on,/,V,BZ,0,i,C,w,t,u,CE,u,CE,0,q,D,B,Q,i,C,A,i,C,u,BEmax,=,V,BB,+,u,im,U,cm,U,CEmin,q,w,t,O,转移特性,i,C,=,gc,(,u,BE,u,BEon,),交流负载线g,d,临界饱和线,i,C,=,g,dr,u,CE,退出,i,C,=0,，,表示晶体管处于截止状态，其特性范围为图中,BD,段。,所以，丙类放大器集电极的动态特性是由直线,OA,、,AB,、,BD,段,(,折线,),组成。这三条线体现为完整的,集电极,电流动态特性,。,q,-,q,0,-,q,+,q,u,BE,V,on,0,V,BB,w,t,i,C,u,BE,w,t,u,CE,u,CE,0,q,D,B,Q,i,C,u,im,A,i,C,交流负载线,g,d,转移特性,i,C,=,gc,(,u,BE,u,BE,on,),u,BEmax,=-,V,BB,+,u,im,U,cm,U,cm,(1-cos,c,),u,CEmin,q,w,t,O,退出,例：如图,1）在电源电压为,V,CC,(图中C点)，动态特性曲线为什么不是从,v,C,=,V,CC,的C点画起，而是从Q点画起？,2）当,c,为多少时，才从C点画起？,3）电流脉冲是从B点才开始发生的，在BQ这段区间并没有电流，为何此时有电压降BC存在？物理意义是什么？,u,CE,0,B,Q,A,i,C,u,BEmax,C,临,界,线,V,CC,解：,1)由于放大器工作在丙类，c90，因此从Q点画起；,2)当c=90时，才从C点画起；,3)BC这段电压是由谐振回路的滤波作用，所产生的基波电压(,Ucm,cos,c,)。因此BC段虽然没有电流，但仍然有电压降。它的物理意义是谐振回路的储能作用。,退出,谐振功率放大器的三种工作状态：欠压、临界、过压状态，对应的动态线分别是A,1,Q、A,2,Q、A,3,Q,一、高频功放的工作状态,i,C,输出特性临界线,0,-,q,+,q,i,C,0,-,q,+,q,i,C,0,-,q,+,q,i,C,w,t,u,CE,u,CE,0,q,c,V,CC,Q,A,2,过压区,欠压区,A,1,A,3,A,4,U,cm,1,R,增大，交流负载线斜率小,临界点,B,u,CEmin,=,V,CC,U,cm,u,CEmin,u,CE,=,V,CC,u,cm,coswt,t,i,C,O,欠压区,t,i,C,O,过压区,t,i,C,O,临界,i,C,凹陷的原因：,谐振回路作负载,。饱和时，,u,BE,对,i,C,的影响很小，但回路选出的,u,c,值继续增大，使,u,CE,继续减小，使,i,C,迅速减小，从而出现凹陷。,U,c,m,越大，,u,CEmin,越小，凹陷越深，脉冲高度越小。,二、负载特性,V,CC,、,V,BB,、,U,im,不变时，放大器的输出电流、电压、功率和效率等随谐振回路的谐振电阻,R,P,变化的特性称为放大器的负载特性。,0,-,q,+,q,i,C,w,t,u,CE,u,CE,0,q,c,V,CC,Q,A,2,i,C,A,1,A,3,A,4,0,-,q,+,q,i,C,0,-,q,+,q,i,C,U,cm,R,P,大，交流负载线斜率,小,临界线,V,BB,和,V,CC,固定意味着Q点固定，u,im,固定意味着,固定； 而动态线斜率随负载电阻而变化。,退出,过压区,欠压区,临界点,B,t,i,C,O,R,P,R,P,，使,U,cm,，,u,CEmin,，,放大器从欠压区经临界状态过渡到过压区。,1.i,C,与,R,P,曲线,在欠压区,R,P,变化，,i,c变化不大，略减小；进入过,压区后，随着,R,P,增大，,i,c出现下凹，,ic,急剧下降。,2. U,cm与,R,P,曲线,欠压区内由图可知,R,P,变化对,i,c影响很小；随,R,P,增,大,U,cm上升；但进入过压区，,R,P,增加,U,cm变化很,小。,谐振功放的负载特性,R,P,O,I,C0,I,c1m,U,cm,欠压,临界,过压,电压、电流变化曲线,R,P,P,O,欠压,临界,过压,P,o,P,omax,P,D,P,C,c,功率、效率变化曲线,P,C,在回路阻抗很小时很大！,因此，回路失谐大时易损坏,功率管，须加以注意。,t,i,C,O,R,P,谐振功放的负载特性,R,P,O,I,C0,I,c1m,U,cm,欠压,临界,过压,电压、电流变化曲线,R,P,P,O,欠压,临界,过压,P,o,P,omax,P,D,P,C,c,功率、效率变化曲线,R,eopt,在欠压和临界状态，由于I,c0,、I,c1m,不变(恒流)，随,R,p,增大，P,D,保持不变，P,O,线性增大；进入过压状态， U,cm,不变(恒压)，由于I,c0,、I,c1m,随,R,p,增大而减少，则随着,R,p,增大， P,D,减少，P,o,减少。由此看出，,临界状态输出功率最大,。,临界时,P,o,最大，,c 较大，,P,C,较小，功放性能最佳。故此时的RP称为谐振功放的,匹配负载，Reopt,。,匹配负载,而集电极效率,c在欠压和临界状态，随,R,p增大而逐,渐增大，在弱过压区由于Po下降较PD下降缓慢，,c,还略增；进入强过压区，I,c1m,下降较大，,c就会下降。,由此看出，,在弱过压区效率最高,。,负载变化在欠压、过压、临界三种工作状态的特点,欠压:,近似恒流, U,cm,变化, P,o,较小,c,低, P,C,较大；,过压:,近似恒压, I,c1m,变化, P,o,较小,c,可达最高-,中间放大级；,临界：,P,o,最大,c,较高(最佳工作状态)-,发射机末级,在过压工作状态中，当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅U,cm,变化较小,多用于需要维持输出电压比较平稳的场合。,在临界工作状态,输出功率最大,且集电极效率也高,常用于发射机的功率输出级.以便获得最大的输出功率,在欠压工作状态的大部分范围内，输出功率P,o,和集电极效率,c,都较低，集电极损耗功率大，而且当谐振电阻R,变化时，输出信号电压振幅将产生较大变化。因此，除了特殊场合以外，很少采用这种工作状态。特别值得一提的是，当R,L,=0，即负载短路时，集电极损耗功率P,C,达最大值，有可能使功率晶体管烧坏。因此, 在调整谐振功率放大器的过程中, 必须防止负载短路,3.2.2,V,CC,对谐振功放工作状态的影响,t,i,C,O,V,CC,R,P,、,V,BB,、,U,im,不变，,V,CC,时，使,u,CEmin,，使放大器从过压区经临界状态过渡到欠压区。,u,CE,V,CC,-,u,c,coswt,u,CEmin,V,CC,U,cm,u,ce,0,i,c,V,CC,增大,在过压区，Ic0、Ic1m、Ucm 随着 VCC增大而,增大；在欠压区， Ic0、Ic1m、Ucm基本保持不变。,在过压区，输出电压振幅Ucm与V,CC,近似呈线,性关系：用一输入信号（调制信号）代替VCC ，可,完成振幅调制集电极调幅。,把Ucm随VCC变化的,特性称为,集电级调制特性,。,谐振功放用作集电极调制电路时，必须工作于过压区。,实际上，固定V,BB,、增大U,bm,，和固定U,bm,、增大V,BB,，二者的作用类似，都是影响基射极间的最大电压,U,BEmax,（以及导通角）的变化。,当V,BB,由小增大，u,BE,输出特征曲线就自下向上平移，放大器的工作状态由欠压区进入过压区，,i,C,脉冲由尖顶状向凹顶状过渡。,改变U,im,，而R,、V,CC,、V,BB,不变，情况和上面的类似。,欠压,临界,过压,u,ce,0,i,c,V,BB,增大,3.2.3,U,im和,V,BB 对谐振功放工作状态的影响,1.,U,im,对放大器工作状态的影响,R,P,、,V,BB,、,V,CC,不变，,U,im,时，使导通角增大，,u,BEmax,，,i,C,脉冲的宽带和高度均增大，,u,CEmin,，使放大器从欠压区经临界状态过渡到过压区，并出现凹陷。,U,im,继续增大，则,i,C,脉冲高度略增大，凹陷也加深。,u,BE,V,BB,+,u,i,u,BEmax,V,BB,+,U,im,t,i,C,O,U,im,t,i,C,O,U,im,U,im,I U,O,欠压,临界,过压,I,C0,I,c1m,U,cm,把,R,P,、,V,BB,、,V,CC,不变时，,U,cm,随,U,im,变化的特性称为,放大特性,或振幅特性。,谐振功放用作线性放大器时应工作于欠压区，,若工作于过压区，输出电压振幅Ucm近似呈现恒压特性，则成为限幅器。,2.,V,BB,对放大器工作状态的影响,t,i,C,O,V,BB,V,BB,I U,O,欠压,临界,过压,U,cm,I,c1m,I,C0,2.,V,BB,对放大器工作状态的影响,t,i,C,O,V,BB,V,BB,I U,O,欠压,临界,过压,U,cm,I,c1m,I,C0,把,R,P,、,V,CC,、,U,im,不变时，,U,cm,随,V,BB,变化的特性称为基极调制特性。,谐振功放用作基极调制电路时，必须工作于欠压区。,思考讨论题,3.2.1,谐振功放原工作于临界状态，若集电极回路稍有失谐，,放大器的,I,C0,、,I,C1m,、,P,C,将如何变化？有何危险？,答案：,回路阻抗减小，使放大器工作于欠压区，,I,C0,和,I,C1m,增大；,P,C,增大；失谐大时可能烧坏晶体管。,R,P,O,I,C0,I,c1m,U,cm,欠压,临界,过压,R,P,P,O,欠压,临界,过压,P,o,P,omax,P,D,P,C,c,3.2.2,某谐振功放，当增大,V,CC,时，发现输出功率增大，则,为什么？若发现输出功率增大不明显，则又为什么？,答案：,P,o,增大明显，则表明,谐振功放,原来工作于过压区；否则,表明,谐振功放,原来工作于欠压区。,3.2.3,某谐振功放工作在过压状态，现欲将它调整到临界状,态，应改变哪些参数？不同的调整方法所得到的输出,功率是否相同？,答案：,减小,R,P,，或减小,V,BB,，减小,U,im,，或增大,V,CC,；,或综合调节。,不同的调整方法所得到的输出功率不相同。,O,I,C0,I,c1m,U,cm,欠压,临界,过压,V,BB,I U,O,欠压,临界,过压,U,cm,I,c1m,I,C0,解：,可以四种调整方法。,3.2.4,已知一谐振功放工作在欠压状态，如果要将它调整到临界状态，需要改变哪些参数？不同的调整方法所得到的输出功率是否相同？为什么？,欠压,过压,0,临,R,p,(1) 增大负载值R，则放大区动态线斜率减小，Q点不变，集电极电压升高，输出功率增大。,界,过压,欠压,临,(2) 减小,V,CC,，负载不变，则动态线平行左移，,U,cm,略减小，输出功率减小。,u,CE,0,D,B,Q,A,i,C,交流负载线g,d,(,V,CC, gc,(,V,BB,-,V,on,),(,V,CC,-,U,cm,cos, 0,),O,u,BEmax,=,V,BB,+ u,im,(3) 增大,V,BB,，负载不变， Q点上移，则动态线平行上移，,U,cm,增大，输出功率也增大。,(4) 增大,U,bm,，负载不变，Q点不变，则动态线向上延长，,U,cm,增大，输出功率也增大。,欠压,过压,0,临,U,bm,U,bm,、 V,BB,对工作状态的影响,欠压,过压,0,临,V,BB,u,CE,0,D,B,Q,A,i,C,交流负载线g,d,(,V,CC, gc,(,V,BB,-,V,on,),(,V,CC,-,U,cm,cos, 0,),O,u,BEmax,=,V,BB,+ u,im,解：,例3：若一谐振功放原来工作在临界状态，后来发现该功放输出功率下降，效率反而提高，但电源电压V,CC,、输出电压振幅U,cm,及U,BEmax,不变，问这是什么原因造成的？此时功放工作在什么状态？,总结,谐振功放用作功放时，通常工作于临界状态；,用作基极调幅电路时，必须工作于欠压区；,用作集电极调幅电路时，必须工作于过压区；,另外，工作于欠压区时，可用作线性放大电路，工作于过压区时，可用作限幅电路,。,u,c,随,u,i,变化,u,c,随,Vcc、V,BB,变化,