高频功放的非线性分析

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1、第21卷第4期德州学院学报Vol.21,No.42005年8月JournalofDezhouUniversityAug.2005文章编号:10049444(2005)04009202高频功放的非线性分析金秀慧,曲培树(德州学院物理系,山东德州253023)摘要:将晶体管特性曲线理想化,对高频功率放大器所处的非线性状态,引入折线分析法对其主要的性能指标进行分析研究.给出了高频功放非线性状态下的输出功率、效率、耗散功率等物理量.简化了非线性状态下高频功率放大器的分析.关键词:非线性;折线分析;特性曲线中图分类号:TN72

2、文献标识码:A高频功率放大器要求输出功率大,效率高.一般工作于丙类工作状态,此时高频功放管处于非线性工作区,对其分析需用非线性方法.目前非线性分析法有三种:一是幂级数分析法(适用于小信号);二是指数函数法(适用于PN结的分析);三是折线分析法(适用于大信号).由于高频功率放大器在整体电路中处于末级地位,工作在大信号状态,故采用折线分析法.a)实际输出特性b)理想输出特性图1晶体管输出特性曲线1晶体管特性曲线的理想化折线近似分析法,首先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[1]成折线来替代.如图

3、1、图2所示.临界线OB代替了OA,它将高频功放的工作状态分为三种,当放大器的集电极最大点电流在OB右方时,交a)实际转移特性b)理想转移特性流输出电压较低,为欠压工作状态;当集电极最大图2晶体管转移特性实际点电流进入OB左方时,交流输出较高,称过压状其中gc是晶体管跨导,VBZ是截止偏压.公式态;当集电极最大点电流正好落在OB上时,称临(1)和(2)是折线近似法的基础.界工作状态.临界线OB的方程为ic=gcvc(1)2高频功放电路及其分析同理,直线OB和BD代替了OC,其方程为iC=0(vB

4、率放大器的基本电路如图3所示.由iC=gC(vB-vB2)(vB>vBZ)图3知VBB、VCC使晶体三极管的发射结、集电结收稿日期:20050512作者简介:金秀慧(1961),女,山东德州人,学士,教授,从事电子信息工程方面的教学和研究工作.第4期金秀慧,等:高频功放的非线性分析93都处于反向偏置,则晶体三极管工作在丙类工作则状态.对于高频输入信号,晶体三极管是非线性元cosωt-cosθcic=()icmax(11)件,集电极电流ic是脉冲状.设集电极电流在一1-cosθc[2](11)式即是集电极的输出脉冲电流

5、.将其分周期内的导通角为2θc.则如图4所示解为傅立叶级数ic=Ico+Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+Icm3cos3ωt+⋯则直流电源Vcc所供给的直流功率为P==VccIco由于回路对基频谐振,呈纯电阻RP.则回路可吸取的基频功率为2图3高频功率放大器1Vcm12P0=VcmIcm1==Icm1RP22RP2晶体管的集电极耗散功率为Pc=P=-Po放大器的集电极效率为1VcmIcm1Po21ηc===ξg1(θc)P=VccIco2Vcm其中ξ=称为集电极电压利用系数;VccIcm1g1(θc)=称为

6、波形系数.Ico图4集电极脉冲电流图在激励信号Vb为正值的一段时间(+θc至3结束语-θc)内才有集电极电流产生,将晶体管的转移特性(OA)理想化为一条直线(AB)交横轴于VBZ,1)以上对高频功放的非线性分析,采用的折VBZ称为截止电压,其解析式线分析法是一种近似估算法.在高频大信号时,非ic=gc(vB-vBZ),(vB>vBZ)(3)线性元件三极管的非线性特性的突出表现是截由图3得外部电路关系式止、导通、饱和等几种不同状态之间的转换.在大vB=-VBB+Vbmcosωt(4)信号条件下,忽略ic～vB非线性特性

7、尾部的弯vc=Vcc-Vcmcosωt(5)曲,用OB、BA两个直线段所组成的折线来近似将(4)代入(3)得代替实际的特性曲线OA,而不会造成多大的误ic=gc(-VBB+Vbmcosωt-VBZ)(6)差,如图4所示.由于折线的数学表达式比较简当ωt=θc时,ic=0代入(6)式中得单,所以折线近似后使分析大大简化.0=gc(-VBB+Vbmcosθc-VBZ)(7)2)在高频功放的非线性分析中,集电极电流可得ic虽然是脉冲状,包含很多谐波,失真很大,但由VBB+VBZ于在集电极内采用的是并联谐振回路,且谐振于co

8、sθc=(8)Vbm基波频率上,它对基频呈现很大的纯电阻性电阻由(6)-(7)式得RP,而对谐波的阻抗则很小,可以看作短路,因ic=gcVbm(cosωt-cosθc)(9)此,并联谐波电路由于通过ic所产生的电位降vc当ωt=0时,ic=icmax代入(9)式得也几乎只含有基频,所以输出功率PO用基波功icmax=gcVbm(1-cosθc)