高频功率放大器

谐振功率放大器的工作原理

晶体管的工作频率范围分为:

  1. 低频区 $f<0.5f_\beta$:不考虑电抗分量与载流子渡越时间
  2. 中频区 $0.5f_\beta<f<0.2f_T$:考虑结电容
  3. 高频区 $0.2f_T<f<\beta<f_T$:考虑电极引线的电感作用

获得高效率

设:

  1. $P_=$:直流电源供给的直流功率
  2. $P_o$:交流输出信号功率
  3. $P_c$:集电极耗散功率

三个功率满足:$P_= = P_o+P_c$,我们定义集电极效率为:

为了提高功率,我们必须减小 $P_c$ 或 增大 $P_o$。下面讨论如何减小集电极耗散。

集电极耗散功率等于集电极电压 $v_c$ 乘 集电极电流 $i_c$,即 $P_c=i_c\cdot v_c$。如果 $i_c$ 只在 $v_c$ 最低时才通过,则耗散功率会减小。我们将 $i_c$ 导通的范围称为导通角。比如(一定要分清图上的符号):

我们对转移特性曲线(集电极电压恒定,集电极电流与基集电压的关系曲线)进行折线化,只有当 $v_b$ 大于导通电压 $V_{BZ}$ 时,才有 $i_c$,则导通角为 $\theta_c$。将 $\theta_c$ 称为 半流通角截止角,简称为 通角

符号解释:

  • $V_{CC}$ 集电极直流电源电压
  • $V_{BB}$ 基级直流偏压
  • $v_c$ 集电极交流输出电压
  • $v_b$ 基级交流信号
  • $v_C$ 集电极到发射级的瞬时电压
  • $v_B$ 基级到发射级的瞬时电压
  • $i_C$ 集电极瞬时电流
  • $i_B$ 基级瞬时电流
  • $i_E$ 基级瞬时电流
  • $2\theta_c$ 集电极流通角

功率关系

已知:

集电极电流可以分解为傅里叶级数:

回路对基频谐振,此时的负载可以看作纯阻,所以输出基频功率为:

直流电源的直流功率为:$P_= = V_{CC}I_{C0}$

集电极效率:

折线近似分析法

输出特性曲线:基集电压恒定,集电极电流与集电极电压的关系曲线

在低频中,我们将曲线分为:饱和区、放大区、截至区。而在高频中,我们将饱和区称为 过压工作状态,放大区称为 欠压工作状态,分界线称为 临界线。这个欠压/过压指的是交流输出的电压(也就是负载上的电压)。

转移特性曲线:集电极电压恒定,集电极电流与基集电压的关系曲线

  1. 跨导:$g_c=\frac{\Delta i_C}{\Delta v_B} \Big\vert_{v_C为常数}$
  2. 理想特性:$i_C=g_c(v_B-V_{BZ})$ (适用于 $v_B>V_{BZ}$)

动态特性与负载特性

外部电路关系式:

转移特性曲线折线化方程:

我们可以将其与输出特性曲线作在一起:

下面我们来讨论一下改变不同参数时,对电路工作状态的影响。

改变 Rp