晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法

1、封面,返回,引言,本页完,引言,折线近似分析法，首先是要将电子器件的特性曲线,理想化，每一条特性曲线用一条或几条直线（组成折线）,来代替。这样，就可以用简单的数学解析式来代表电子,器件的特性曲线。因而实际上只要知道解析式中的电子,器件参数，就能进行计算，并不需要整套的特性曲线。,这种计算比较简单，而且易于进行概括性的理论分析。,它的缺点是准确度较低。但对于晶体管来说，目前还只,能进行定性估算，因此只讨论折线近似就行了。,返回,本,节,学,习,要,点,和,要,求,1,、学会谐振功率放大器的折线近似分析法,2,、掌握集电极余弦电流傅立叶分解后各量意义,返回,3,、学会计算谐振功率放大器的工作状态,

2、一、晶体管特性曲线的理想化及解析式,1,、晶体管折线化的输出特性曲线,继续,本页,完,i,C,=,tan,v,C,临界线,v,B1,O,i,C,v,C,v,B2,v,B3,v,B4,实际输出特性,临界线,v,B1,O,i,C,v,C,v,B2,v,B3,v,B4,折线输出特性,tan,临界线方程,欠压工作状态区,：集电极最,大点电流进入临界线右边。,临界工作状态区：,集电极最,大点电流正好落在临界线上。,过压工作状态区,：集电极最,大点电流进入临界线左边。,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,一、晶体管特性曲线的理想化及解析式,继续,本页,完,2

3、,、晶体管折线化的转移特,性曲线。,tan,O,i,C,v,B,V,BZ,起始电压,tan,=,g,c,=,|,i,C,v,B,v,c,=,常数,g,c,称为,跨导,，是表征管,子放大能力的特理量，一般约,为几十,几百,mS,。,求折线上某一点,i,C,值的方法：,i,C,v,B,i,C,= g,c,(,v,B,-,V,BZ,),上式适用于,v,B,V,BZ,时。,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,由折线转移特性曲线有,继,续,本页,完,解上两式消去,v,B,得,上式中任一时刻,t,的,v,B,为,当,t,=,c,时,i,C,=0,，代入上式得,i,C,=

4、 g,c,(,V,bm,cos,t,-,V,BB,-,V,BZ,),O,v,B,i,C,v,b,-,V,BB,V,BZ,V,bm,转移特,性曲线,2,c,i,C,t,O,i,Cmax,i,C,= g,c,(,v,B,-,V,BZ,),i,C,= g,c,(,v,B,-,V,BZ,),v,B,V,bm,cos,t,v,B,=V,bm,cos,t,-,V,BB,2,c,0,=g,c,(,V,bm,cos,c,-,V,BB,-,V,BZ,),cos,c,=,V,BB,+,V,BZ,V,bm,求,v,B,实际是求这段线段,t,=,c,时,i,C,=0,1,、通角的表达式,本内容是研究通角,c,为多,大

5、时，集电极效率,c,最大。,2,c,i,C,t,O,i,Cmax,i,C,= g,c,(,V,bm,cos,t,-,V,BB,-,V,BZ,),0,=g,c,(,V,bm,cos,c,-,V,BB,-,V,BZ,),把上两式相减后得,i,C,i,C,=,g,c,V,bm,(cos,t,-,cos,c,),把,t,=0,时,i,C,=,i,Cmax,代入得,i,Cmax,=,g,c,V,bm,(1,-,cos,c,),2,、集电极电流最大值,i,Cmax,继续,本页完,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,继续,本页完,2,c,i,C,t,O,i,Cmax,i,

6、C,=,g,c,V,bm,(cos,t,-,cos,c,),i,Cmax,=,g,c,V,bm,(1,-,cos,c,),cos,c,=,V,BB,+,V,BZ,V,bm,i,Cmax,=,g,c,V,bm,(1,-,cos,c,),把上两式相除得：,cos,t,-,cos,c,1,-,cos,c,=,i,C,i,Cmax,cos,t,-,cos,c,1,-,cos,c,i,C,=,i,Cmax,3,、集电极电流解析式,cos,t,-,cos,c,1,-,cos,c,i,C,=,i,Cmax,研究集电极电流的,一般表达式,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,

7、继续,本页完,4,、集电极余弦脉冲电流分解,后各项系数表达式,cos,c,=,V,BB,+,V,BZ,V,bm,i,Cmax,=,g,c,V,bm,(1,-,cos,c,),cos,t,-,cos,c,1,-,cos,c,i,C,=,i,Cmax,i,C,=,I,C0,+,I,cm1,cos,t,+,I,cm2,cos2,t,+,+,I,cmn,cos,n,t,+,利用傅立叶级数求系数方法,结合,i,C,式可求出上式各项的系数。,I,C0,=,i,Cmax,(,),1,sin,c,-,c,cos,c,1,-,cos,c,I,cm1,=,i,Cmax,(,),1,c,-,sin,c,cos,c,

8、1,-,cos,c,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,I,cmn,=,i,Cmax,(n1),2,sin,n,c,cos,c,-,n,sin,c,cos,n,c,n,(,n,2,-,1)(1,-,cos,c,),把,n,=2,代入得二,次谐波的,I,cm2,。,把,n,=3,代入得三,次谐波的,I,cm3,。,继续,本页完,4,、集电极余弦脉冲电流分解,后各项系数表达式,i,C,=,I,C0,+,I,cm1,cos,t,+,I,cm2,cos2,t,+,+,I,cmn,cos,n,t,+,利用傅立叶级数求系数方法,结合,i,C,式可求出上式各项的系数。,I

9、,C0,=,i,Cmax,(,),1,sin,c,-,c,cos,c,1,-,cos,c,I,cm1,=,i,Cmax,(,),1,c,-,sin,c,cos,c,1,-,cos,c,I,cmn,=,i,Cmax,2,sin,n,c,cos,c,-,n,sin,c,cos,n,c,n,(,n,2,-,1)(1,-,cos,c,),0,(,c,)=,(,),1,sin,c,-,c,cos,c,1,-,cos,c,为方便讨论通角,c,与各谐波,输出的电流幅值，令,1,(,c,)=,(,),1,c,-,sin,c,cos,c,1,-,cos,c,n,(,c,)=,2,sin,n,c,cos,c,-,

10、n,sin,c,cos,n,c,n,(,n,2,-,1)(1,-,cos,c,),5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,继续,本页完,I,C0,=,i,Cmax,I,cm1,=,i,Cmax,I,cmn,=,i,Cmax,0,(,c,)=,(,),1,sin,c,-,c,cos,c,1,-,cos,c,1,(,c,)=,(,),1,c,-,sin,c,cos,c,1,-,cos,c,n,(,c,)=,2,sin,n,c,cos,c,-,n,sin,c,cos,n,c,n,(,n,2,-,1)(1,-,cos,c,),0,(,c,),1,(,c,),n,(,c,

11、),为方便讨论通角,c,与各谐波,输出的电流幅值，令,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,4,、集电极余弦脉冲电流分解,后各项系数表达式,i,C,=,I,C0,+,I,cm1,cos,t,+,I,cm2,cos2,t,+,+,I,cmn,cos,n,t,+,利用傅立叶级数求系数方法,结合,i,C,式可求出上式各项的系数。,继续,本页完,4,、集电极余弦脉冲电流,分解后各项系数表达式,I,C0,=,i,Cmax,0,(,c,),I,cm1,=,i,Cmax,1,(,c,),I,cmn,=,i,Cmax,n,(,c,),由上三式可知，,n,随,c,而,变，,n,

12、(,c,),最大时，相应谐,波电流的振幅最大，即输出,功率最大。,c,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,绘出,n,随,c,而变的曲线，,可讨论各谐波输出的功率。,尖顶脉冲的分解系数,3,2,0,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,继续,本页完,首先讨论,1,曲线：,c,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,3,2,1,曲线在,c,120,处出现最,大值，,这点上的,I,cm1,最大，根,据,P,o,=(1/2

13、),I,2,cm1,R,P,知,P,o,将达到,最大值。但此时,c,太大，集电,极的效率太低。为兼顾效率和,功率，由实验得出,c,70,时,效果最佳。,0,此时,c,120,，,2,c,240,，晶体管已处于,甲乙类工作状态。,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,二、集电极余弦电流脉冲的分解,其次观察,2,曲线：,2,曲线在,c,60,处出现最大,值，,这是两倍频处正弦波振幅,I,cm2,的最大值，这是设计倍频,器的参考值。,同理观察,3,曲线：,3,曲线在,c,40,处出现最大值，,这,是三倍频处正弦波振幅,I,cm3,的最大值，,这是设计三倍频器的参考值。,继续,本页完,I,C0,=

14、,i,Cmax,0,(,c,),I,cm1,=,i,Cmax,1,(,c,),求能量关系，主要是求几个功,率间的关系。如电源提供的功率,P,=,，输出功率,P,o,，集电极耗散功,率,P,c,和信号源的输入功率（亦称,基极激励功率）,P,b,(,或,P,i,),。,例：,用,3DA1,做一个谐振功率放大器，,已知,V,CC,=24V,，,P,o,=2W,，工作频率为,f,0,=1MHz,，求它的,能量关系,。,3DA1,的,有关参数为,f,T,70MHz,，,A,p,(,功率增,益,),13dB,，,I,cmax,=750mA,，,V,CE(sat),(,集电,极饱和压降,),1.5V,，,P

15、,CM,=1W,。,1.,已知输出功率,P,o,，若,再求出,P,=,，则可求出,P,c,。,2.,求,P,=,必须求出,I,C0,，即必,须求出,i,Cmax,和,0,(,c,),。,0,(,c,),通过,n,c,曲线求出。,3.,i,Cmax,通过输出基波集电,极电流振幅,I,cm1,和,1,(,c,),求,出。,I,cm1,与输出功率,P,o,有,关，而,1,(,c,),通过,n,c,曲,线得出。,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,三、工作状态的计算,继续,本页完,I,C0,=,i,Cmax,0,(,c,),I,cm1,=,i,Cmax,1,(,c,),例：,用,3DA1,做一个

16、谐振功率放大器，,已知,V,CC,=24V,，,P,o,=2W,，工作频率为,f,0,=1MHz,，求它的能量关系。,3DA1,的,有关参数为,f,T,70MHz,，,A,p,(,功率增,益,),13dB,，,I,cmax,=750mA,，,V,CE(sat),(,集电,极饱和压降,),1.5V,，,P,CM,=1W,。,1),确定本电路输出电压,(,即基,波电压,),的振幅,V,cm1,。,V,cm1,=,V,CC,-,V,CE(sat),=24,-,1.5=22.5V,2),谐振时输出功率,P,o,的表达式,P,o,=,1,2,V,cm1,I,cm1,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析

17、法,三、工作状态的计算,I,cm1,=,V,cm1,2P,o,得,=,22.5,4,=178mA,已求出了,I,cm1,，可通过查图,线找出,1,(,c,),，进而求出,i,Cmax,。,c,n,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,尖顶脉冲的分解系数,0,70,0,(70,)=0.253,，,1,(70,)=0.436,3),查曲线得,0,(70,),和,1,(70,),4),根据,0,(70,),和,1,(70,),及,I,cm1,可求出,i,Cmax,和,I,C0,。,i,Cmax,=,I,cm1,/,1,(70,

18、)=178/0.436=408mA,余弦脉冲电路的平均值,I,C0,为,I,C0,=,i,Cmax,0,(70,)=408,0.253=103mA,2,c,i,C,t,O,i,Cmax,I,C0,继续,本页完,例：,用,3DA1,做一个谐振功率放大器，,已知,V,CC,=24V,，,P,o,=2W,，工作频率为,f,0,=1MHz,，求它的能量关系。,3DA1,的,有关参数为,f,T,70MHz,，,A,p,(,功率增,益,),13dB,，,I,cmax,=750mA,，,V,CE(sat),(,集电,极饱和压降,),1.5V,，,P,CM,=1W,。,4),根据,0,(70,),和,1,(7

19、0,),及,I,cm1,可求出,i,Cmax,和,I,C0,。,I,Cmax,=,I,cm1,/,1,(70,)=178/0.436,=408mA,I,C0,=,i,Cmax,0,(70,)=408,0.253,=103mA,5),功率关系为,P,=,=,V,CC,I,C0,=24,103,10,-,3,W=2.472W,P,c,=,P,=,-,P,o,=(2.472,2)W=0.472W,P,c,=0.472W,P,CM,=1W,晶体管工作在安全范围内。,6),求放大电路要求,A,p,(,功率增,益,),13dB,时的输入功率,P,i,现在要求放大电路的功率增益,A,p,13dB,，而输出功率规定为,P,o,=2W,，那么必,须用多大的输入功率,P,进行推动（亦称为激励）才能达到要求？,功率增益的定义,A,p,=10,lg,dB,P,o,P,i,P,i,=,P,o,A,p,lg,-,1,(,),10,=,=0.1W,2W,lg,-,1,(1.3),以上估算不是最终结果，只,是作为实际调试的依据。,5.3,谐振功率放大器,的折线近似分析法,三、工作状态的计算,求集电极效率,c,和电路效率,继续,本页完,1,、晶体管特性曲线的理想化及解析式,2,、集电极余弦电流脉冲的分解,四、小结,临界线,v,B1,