高頻電子線路(第二版) 王衛(wèi)東 第二章 2.3課件

1、2.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析 2.3.1 高高頻頻功功率率放放大大器器的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性 2.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析由由于于高高頻頻功功放放工工作作在在大大信信號(hào)號(hào)的的非非線線性性狀狀態(tài)態(tài)，顯顯然然晶晶體體管管的的小小信信號(hào)號(hào)等等效效電電路路的的分分析析方方法法已已不不適適用用，所所以以分分析析方方法法一一般般利利用用晶晶體體管管的的靜靜態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線，但但由由于于晶晶體體管管的的靜靜態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線與與頻頻率率有有關(guān)關(guān)，如如右右圖圖所所示示了了 與與f之之間間的的關(guān)關(guān)系系。而而通通常常所所說(shuō)說(shuō)的的靜靜態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線是

2、是指指低低頻頻區(qū)區(qū)：o0.5ff0.2fTfT f5 .0f 中中頻頻區(qū)區(qū)：Tf2 . 0ff5 . 0 高高 頻頻 區(qū)區(qū) ：TTfff2 .0 故故直直接接進(jìn)進(jìn)行行高高頻頻區(qū)區(qū)或或中中頻頻區(qū)區(qū)的的分分析析和和計(jì)計(jì)算算是是相相當(dāng)當(dāng)困困難難的的。本本節(jié)節(jié)將將從從低低頻頻區(qū)區(qū)的的靜靜態(tài)態(tài)特特性性來(lái)來(lái)解解析析晶晶體體管管的的高高頻頻功功放放的的工工作作原原理理。1、 放放大大區(qū)區(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性方方程程 當(dāng)當(dāng)放放大大器器工工作作在在諧諧振振狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)，其其外外部部電電路路電電壓壓方方程程為為：若若 設(shè)設(shè) ：tUubmb cos 輸輸入入端端：tUUubmBBBE cos 輸輸 出出 端端 ：tUE

3、ucmCce cos 其其 中中 ：tUuCmc cos1 由上兩式消除由上兩式消除tcos 可得：可得：cmceCbmBBBEUuEUUu 又又利利用用晶晶體體管管的的內(nèi)內(nèi)部部特特性性關(guān)關(guān)系系式式（折折線線方方程程） ： BZBEccUugi 可可得得： ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEuUUgUUuEUUgi )(uBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE _2.3.1 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性 ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEu

4、UUgUUuEUUgi )(2.3.1 高高頻頻功功率率放放大大器器的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性 1、 動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性方方程程 Ci與與ceu之之間間關(guān)關(guān)系系的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性方方程程。 式式中中： cmbmcdUUgg表表示示動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線的的斜斜率率， cCmCbmBZBBcmCoUEUUUUEU cos)( 式式中中：bmBZBBcUUU cos; oU動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線在在ceu軸軸上上的的截截距距。 uceic2.3.1 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性 2 動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特征征曲曲線線 的的畫畫法法：畫畫 法法 一一 ：UoA在在靜靜態(tài)態(tài)特特征征曲曲 線線的

5、的ceu軸軸上上取取 B 點(diǎn)點(diǎn)，使使oUOB ，由由 B 點(diǎn)點(diǎn)作作斜斜 率率為為dg的的直直線線 BA， 即即 得得 動(dòng)動(dòng) 態(tài)態(tài) 特特 征征 曲曲 線線 。 BO畫畫 法法 二二 ：（1）作作靜靜態(tài)態(tài)工工作作點(diǎn)點(diǎn) Q：ECQ令令ot90 由由外外部部方方程程可可得得： )(,:BZBBcQcBBBECceUUgIiUuEuQ(2) 作作 A 點(diǎn)點(diǎn) :令令o0t bmBBbbeCmCcceUUuuUEuuAmaxmin:連連 接接 Q 、 A 兩兩 點(diǎn)點(diǎn) 即即 得得 動(dòng)動(dòng) 態(tài)態(tài) 特特 性性 曲曲 線線 。Ucmc ucmingd輸輸 出出 端端 ：tUEucmCce cos 輸輸 入入 端端 ：

6、tUUubmBBBE cos BZBEccUugi ubemax2.3.2 高頻功率放大器的負(fù)載特性高頻功率放大器的負(fù)載特性 高高 頻頻 功功 放放 的的 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) ： 動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)曲曲線線： )(ocedcUugi uceicUo PccccCocbmcdRIUUEUUUgg1111cos而而 可可見見動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線的的斜斜率率和和負(fù)負(fù)載載PR有有關(guān)關(guān)，放放大大器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)將將隨隨負(fù)負(fù)載載的的不不同同而而變變化化。下下面面討討論論當(dāng)當(dāng)CE、BBU、bmU不不變變時(shí)時(shí)，動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線與與負(fù)負(fù)載載PR的的關(guān)關(guān)系系。 gd(1) 欠欠壓壓工工作作狀狀態(tài)態(tài)當(dāng)

7、當(dāng)PR減減小小111cbmcdPccUUggRIU 較較大大，動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特征征曲曲線線與與maxbeu所所對(duì)對(duì)的的靜靜態(tài)態(tài)特特征征曲曲線線的的交交點(diǎn)點(diǎn)位位于于放放大大區(qū)區(qū)。 uBEic-UBBUBZubCCicCCgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcescesceUu min晶晶 體體 管管 的的 工工 作作 范范 圍圍 在在 放放 大大 區(qū)區(qū) 和和 截截 止止 區(qū)區(qū) 。 ci為為尖尖頂頂余余弦弦脈脈沖沖，集集電電極極電電壓壓利利用用不不充充分分。2.過(guò)過(guò)壓壓工工作作狀狀態(tài)態(tài)PR較較大大PccRIU11 較較大大1cbmcdUUgg 較較小小， 動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性曲曲

8、線線與與maxbeu所所對(duì)對(duì)的的靜靜態(tài)態(tài)特特征征曲曲線線的的交交點(diǎn)點(diǎn)位位于于飽飽和和區(qū)區(qū)。 gdubemax特特點(diǎn)點(diǎn)：cesceUu min ，晶晶體體管管的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)范范圍圍延延伸伸到到飽飽和和區(qū)區(qū)。 ci的的 波波 形形 頂頂 部部 為為 下下 凹凹 的的 余余 弦弦 脈脈 沖沖 。ucemin3.臨臨 界界 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線與與臨臨界界飽飽和和線線以以及及maxbeu對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的靜靜態(tài)態(tài)特特性性曲曲線線，三三線線相相交交于于一一點(diǎn)點(diǎn) ubemaxgcr此此時(shí)時(shí)：cesceUu min, ci為為尖尖頂頂余余弦弦脈脈沖沖。 ECQUcesUcmuBEic-UB

9、BUBZubCCicCCgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcesgdubemaxuceminubemaxgcr如如果果設(shè)設(shè)臨臨界界線線的的斜斜率率為為crg則則 有有 :)(maxcmCcrcescrcUEgUgI 又又令令 crCcm EU cr 為為臨臨界界狀狀態(tài)態(tài)的的電電壓壓利利用用系系數(shù)數(shù) crCcrcEgI 1maxCcrccrEgImax1 uCEicgcr例例：如如果果已已知知臨臨界界狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)輸輸出出功功率率為為oP， 而而 crCccmCoEIUIP 1max112121 利利用用上上兩兩式式消消去去maxcI可可得得： 02212 Ccrocr

10、crEgP 可可求求出出: 2124121CcrocrEgP 由由上上可可以以看看出出高高頻頻功功放放工工作作在在臨臨界界狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)，有有較較大大的的基基波波電電流流1CI和和較較大大的的回回路路電電壓壓1CU，故故晶晶體體管管輸輸出出功功率率最最大大，高高頻頻功功放放通通常常選選擇擇這這種種工工作作狀狀態(tài)態(tài)。為為保保證證這這種種工工作作狀狀態(tài)態(tài)所所需需的的集集電電極極負(fù)負(fù)載載電電阻阻PR稱稱為為最最佳佳負(fù)負(fù)載載電電阻阻。 1cmcmPcrIUR Icmaxubemax研研究究的的問(wèn)問(wèn)題題：當(dāng)當(dāng)CE，BBU，bmU不不變變， 而而PR變變化化時(shí)時(shí)，與與 ccoDCCCPPPUII ,101

11、的的關(guān)關(guān)系系。 （1） 欠欠壓壓區(qū)區(qū)：icucePR由由 小小maxci 幾幾 乎乎 不不 變變（ 略略 減減 少少 ）1C0CI ,I幾幾 乎乎不不 變變011CCDPccIEPRIU 幾幾 乎乎 不不 變變 1121CCoIUP CccoccEUII1121 oDCPPP 2.3.2 高頻功率放大器的負(fù)載特性高頻功率放大器的負(fù)載特性PoRp欠壓區(qū)欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)Rp欠壓區(qū)欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)Ic1Ico（2） 過(guò)過(guò)壓壓區(qū)區(qū)： PR進(jìn)進(jìn) 入入 過(guò)過(guò) 壓壓 區(qū)區(qū)余余 弦弦 脈脈 沖沖 頂頂 部部 下下 凹凹 ，PccCCcRIUIIi1110max, 幾幾 乎乎 不不

12、變變 （ 略略 有有 上上升升 ）01011102121CCCCcCCoCCUUIIIUPIEP 變變 化化 緩緩慢慢 ，oDCPPP 變變 化化 緩緩 慢慢 。 c PDPcubemax注注意意：臨臨界界狀狀態(tài)態(tài)輸輸出出功功率率最最大大ocroPP ，效效率率也也較較高高，可可以以說(shuō)說(shuō)是是最最佳佳工工作作狀狀態(tài)態(tài)，常常選選此此狀狀態(tài)態(tài)為為末末級(jí)級(jí)功功放放輸輸出出狀狀態(tài)態(tài)。過(guò)過(guò)壓壓狀狀態(tài)態(tài)，效效率率高高，但但輸輸出出功功率率較較小小。在在欠欠壓壓狀狀態(tài)態(tài)0CI，1CI幾幾乎乎不不變變，功功放放相相當(dāng)當(dāng)于于一一個(gè)個(gè)恒恒流流源源，而而過(guò)過(guò)壓壓狀狀態(tài)態(tài)1CU幾幾乎乎不不變變，相相當(dāng)當(dāng)于于一一個(gè)個(gè)恒恒

13、壓壓源源。 Uc12.3.3 高頻功率放大器的調(diào)制特性高頻功率放大器的調(diào)制特性 當(dāng)當(dāng)bm ,URP不不變變， 而而改改變變 BBCUE與與 oDCCPPII,01之之間間的的關(guān)關(guān)系系。 1. 集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性 當(dāng)當(dāng)bm ,URP，BBU不不變變， 壓壓區(qū)區(qū)減減少少功功放放由由臨臨界界進(jìn)進(jìn)入入過(guò)過(guò)壓壓區(qū)區(qū)增增加加功功放放由由臨臨界界進(jìn)進(jìn)入入欠欠CCEEuceicubemaxQECQECQEC顯顯然然：在在欠欠壓壓區(qū)區(qū)：10,CCII幾幾乎乎不不變變ODPP ,不不變變 注注意意：只只有有工工作作在在過(guò)過(guò)壓壓區(qū)區(qū)才才能能有有效效地地實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)CE對(duì)對(duì)1CI及及oP的的調(diào)調(diào)制制作作用用，故

14、故集集電電極極調(diào)調(diào)幅幅電電路路應(yīng)應(yīng)工工作作在在過(guò)過(guò)壓壓區(qū)區(qū)。 t icEC欠壓區(qū)欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)EC欠壓區(qū)欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoPDPOPC2.3.3 高頻功率放大器的調(diào)制特性高頻功率放大器的調(diào)制特性2. 基基極極調(diào)調(diào)制制特特性性 tUUubmBBBE cos 注注意意：如如果果要要實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)BBU對(duì)對(duì)輸輸出出電電流流1CI的的有有效效調(diào)調(diào)制制，要要求求功功放放應(yīng)應(yīng)工工作作在在欠欠壓壓區(qū)區(qū)。 進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，隨著進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，隨著UBB向正值方向增大，集電極脈沖電流的寬向正值方向增大，集電極脈沖電流的寬度增加，幅度幾乎不變，但凹陷加深，結(jié)果使度增加，幅度幾乎不

15、變，但凹陷加深，結(jié)果使Ico、Icml和相應(yīng)的和相應(yīng)的Ucm增增大得十分緩慢大得十分緩慢 UcmIcoIcml臨界臨界UBB過(guò)壓過(guò)壓欠壓欠壓O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū) 當(dāng)當(dāng)Ubm固定，固定，UBB自負(fù)值向正值方向增自負(fù)值向正值方向增大時(shí)，集電極脈沖電流大時(shí)，集電極脈沖電流ic的導(dǎo)通角的導(dǎo)通角c增大，增大，從從而集電極脈沖電流而集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，的幅度和寬度均增大，狀態(tài)由欠壓區(qū)進(jìn)入過(guò)壓區(qū)。狀態(tài)由欠壓區(qū)進(jìn)入過(guò)壓區(qū)。 1C 2C 3C 2.3.4 高頻功率放大器的放大特性

16、高頻功率放大器的放大特性tUUubmBBBE cos uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)1C 2C 3C UcmIcmlIcoUbm過(guò)壓過(guò)壓臨界臨界欠壓欠壓OO ticOticUbm增大增大OtictOictUbm線性功率線性功率放放 大大 器器tUcmUbmUcm振振 幅幅限幅器限幅器UcmtUbmUcm當(dāng)當(dāng)C , ERP，BBU不不變變， 固定固定UBB、增大、增大Ubm和固定和固定Ubm、增大、增大UBB的情況類似，的情況類似，它們都使基極輸它們都使基極輸入電壓入電壓uBEmax隨之增大，隨之增大，對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的

17、集電極脈沖電流集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，放的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)壓大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)壓 。 當(dāng)諧振功率放大器作為線性功率放大器，為了使輸出信號(hào)振幅當(dāng)諧振功率放大器作為線性功率放大器，為了使輸出信號(hào)振幅Ucm反映反映輸入信號(hào)振幅輸入信號(hào)振幅Ubm的變化，的變化，放大器必須在放大器必須在Ubm變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。 當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時(shí)，當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時(shí)，放大器必須在放大器必須在Ubm變化的范圍內(nèi)變化的范圍內(nèi)工作在過(guò)壓狀態(tài)。工作在過(guò)壓狀態(tài)。2.3.5 高頻功率放大器的調(diào)諧特性高頻功率放大器的調(diào)諧

18、特性 實(shí)際回路在調(diào)諧過(guò)程中，其負(fù)載是一阻抗實(shí)際回路在調(diào)諧過(guò)程中，其負(fù)載是一阻抗Zp，當(dāng)改變回，當(dāng)改變回路的元件數(shù)值，如改變回路的電容路的元件數(shù)值，如改變回路的電容C時(shí)，時(shí)，功放的外部電流功放的外部電流Ico、Icml和相應(yīng)的和相應(yīng)的Ucm等隨等隨C的變化特性稱為調(diào)諧特性。的變化特性稱為調(diào)諧特性。 設(shè)諧振時(shí)功放工作在弱過(guò)壓狀態(tài)，設(shè)諧振時(shí)功放工作在弱過(guò)壓狀態(tài)，當(dāng)回路失諧后，由于阻抗當(dāng)回路失諧后，由于阻抗Zp的模值減的模值減小，根據(jù)負(fù)載特性可知，功放的工作小，根據(jù)負(fù)載特性可知，功放的工作狀態(tài)將向臨界及欠壓狀態(tài)變化，此時(shí)狀態(tài)將向臨界及欠壓狀態(tài)變化，此時(shí)Ico和和Icml要增大，而要增大，而Ucm將下降

19、將下降 。 應(yīng)該指出，回路失諧時(shí)直流輸應(yīng)該指出，回路失諧時(shí)直流輸入功率入功率PD=IcoEC隨隨Ico的增加而增加，的增加而增加，而輸出功率而輸出功率Po=UcmIcmlcos將主要因?qū)⒅饕騝os因子而下降因子而下降，因此失諧后集電，因此失諧后集電極功耗極功耗PC將迅速增加。這表明將迅速增加。這表明高頻高頻功放必須經(jīng)常保持在諧振狀態(tài)功放必須經(jīng)常保持在諧振狀態(tài)。 UcmIcmlIco當(dāng)當(dāng)?shù)偷皖l頻時(shí)時(shí)：信信號(hào)號(hào)周周期期 fT1基基區(qū)區(qū)載載流流子子的的分分布布與與外外加加瞬瞬時(shí)時(shí)電電 壓壓是是一一一一對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的。2.3.6 高頻功放的高頻效應(yīng)高頻功放的高頻效應(yīng) 以以上上對(duì)對(duì)高高頻頻功功放放是是以

20、以靜靜態(tài)態(tài)特特性性為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)的的分分析析，只只能能近近似似說(shuō)說(shuō)明明和和估估計(jì)計(jì)高高頻頻功功放放的的工工作作原原理理，無(wú)無(wú)法法反反映映高高頻頻工工作作時(shí)時(shí)的的其其它它現(xiàn)現(xiàn)象象。實(shí)實(shí)際際的的高高頻頻功功放放電電路路，晶晶體體管管工工作作在在“中中頻頻區(qū)區(qū)”甚甚至至“高高頻頻區(qū)區(qū)” ，通通常常會(huì)會(huì)出出現(xiàn)現(xiàn)：輸輸出出功功率率效效率率c 高高頻頻效效應(yīng)應(yīng)功功率率增增益益PG輸輸入入輸輸出出阻阻抗抗變變?yōu)闉閺?fù)復(fù)阻阻抗抗ubet-UBBUBZ低低 頻頻biciei 高高頻頻一一 少少數(shù)數(shù)載載流流子子的的渡渡越越時(shí)時(shí)間間效效應(yīng)應(yīng)定定義義：少少數(shù)數(shù)載載流流子子在在基基區(qū)區(qū)擴(kuò)擴(kuò)散散而而到到達(dá)達(dá)集集電電極極所所需需要要的的時(shí)時(shí)間間 稱稱為為少少數(shù)數(shù)載載流流子子的的渡渡越越時(shí)時(shí)間間。當(dāng)當(dāng)高高頻頻時(shí)時(shí)：信信號(hào)號(hào)周周期期fT1與與 相相當(dāng)當(dāng)