《高频电子线路》 —— 高频谐振功放(2)

动态特性与负载特性

动态特性

静态特性是指,不考虑负载阻抗的时候获得的,即转移特性曲线和输出特性曲线。
考虑负载时,电流变化的时候,负载上的电压就会变化,管子上面的Vce也会变化。

  • 考虑负载的反作用后,ic与Vce之间的关系,得到的曲线就是动态特性曲线。
  • 可以利用转移特性方程来求出动态特性曲线。具体可以通过高频谐振回路的基极回路方程和集电极回路方程(KVL),用这两个方程将cosωt消掉就可以得到Vbe的表达式,是通过Vce来表示Vbe的,再将Vbe代入转移特性方程中,就可以得到ic和Vce之间的关系。

 动态特性曲线(画法一:截距B和斜率gd)

  • 将Vbe代入转移特性方程中,整理后ic和Vce之间的动态特性方程就是一个直线方程(红)
  • V0:截距
    gd:斜率
    Vbm:输入信号的振幅
    Vcm:输出信号的振幅
    Icm1:Ic分解出的基波的电流
    Rp:并联谐振回路并联形式的谐振电阻Rp
  • 这根特性曲线是一个负斜率gd,由于斜率gd = ic / Vce,代表着电导,就是负的电导,负的电导也就代表着负的电阻。正的电阻代表着能量的损耗,则负的电阻代表着能量的产生
  • 事实上,高频谐振功放是将直流功率转化为交流功率。因此,交流谐振功放是一个交流电能的发生器,这就是负电阻的物理意义。
  • 斜率gd的特性:分母中Vcm = Icm1 * Rp,当Rp变大的时候,分母变大,斜率的绝对值减小,因此这根动态特性的直线将会向左倾斜。

动态特性曲线(画法二:两点A、Q确定一条直线)

  • 在基极回路方程和集电极回路方程上选出两个特殊的点:A和Q。
  • A点:ωt = 0 在尖顶余弦脉冲上相当于ic达到最大值icmax。将ωt = 0代入到基极回路方程,就可以得出Vbe的值,由于cos0°=1,Vbe加上Vbmmax后Vbe就是最大值Vbemax,对应的就是A点的纵坐标。再将Vbemax代入到转移特性方程中,求出来的ic,就是icmax。将ωt = 0代入到集电极回路方程,就可以得到Vce的值,此时Vce减去了Vcmmax后Vce就是最小值的Vcemin,对应的就是A点的横坐标,因此就可以求出A点的坐标。
  • Q点:将ωt = 90°(为了计算方便)代入到基极回路方程,可以得到Vbe=-Vbb。再将ωt = 90°代入到集电极回路方程,就可以得到Vce=Vcc。由于在丙类功放中,θc是小于90°的,现在的ωt=90°,显然就是大于θc,因此Q点在比较低的位置。这个Q点对应的电流实际上是一个负值,将刚刚求出的Vbe=-Vbb代入转移特性方程中,就可以求出Q点此时的电流,从电流IQ的表达式中就可以看到是一个负电流,是没有实际物理意义的,称其为虚拟电流IQ。这里计算出的IQ就是Q点的纵坐标横坐标就是Vcc,因此就可以求出Q点的坐标。

 高频谐振功放的工作状态

  • 工作状态包括了过压、欠压以及过渡的临界状态。体现在动态特性曲线上,在学习高频谐振功放的时候,临界线的斜率就是grc(详细参考高频谐振功放(1))。过压区相当于饱和区,欠压区相当于放大区
  • 高频谐振功放的工作状态主要与集电极负载Rp、集电极电源电压Vcc以及集电极的激励电压Vbm(基极电源电压|Vbb|)。
  • 对于集电极负载Rp所引起的工作状态的变化,我们常常称为高频谐振功放的负载特性。

 高频谐振功放的负载特性—Rp

就是通过调整Rp来改变工作状态,当工作状态变化的时候,其电流、电压、输出功率和效率都会改变。

  • 黑色线:首先画出临界状态的尖顶余弦脉冲最大值是icmax,再画出临界的输出电压Vcm。
  • 蓝色线:再画出欠压区的尖顶余弦ic脉冲,再画出欠压区的输出电压Vcm。Rp变大的时候,斜率gd的绝对值变小,动态特性曲线向左倾斜,就可以画出倾斜后的动态特性曲线对应的输出电压Vcm,变大;其对应的输出电流ic,变小。当Rp继续变大的时候,变为第三根蓝线,其输出的电流ic继续变小,输出的电压Vcm继续变大。由于Vbemax这条线实际上斜率很小,那么在欠压区的尖顶余弦脉冲的电流icmax的变化非常小,就是处于不变的状态,分解以后,直流成分和基波成分是基本上不变的,将其称之为恒流状态
  • 红色线:由于过压的时候受到临界线的影响,使得输出的尖顶余弦脉冲,变成了凹顶的余弦脉冲。那么凹顶的余弦脉冲分解以后其基波成分和直流成分都会降低。当Rp进一步增大,动态特性曲线向左倾斜,所对应的凹顶余弦ic脉冲也会变小,输出的电压Vcm则会增大,由于过压区的范围很窄,所以Vcm可以认为是恒压输出

Rp对输出电流ic和输出电压Vcm的影响

  • 横轴的Rp变化会引起工作状态的变化,那么相应的电流电压输出功率和效率都会变化。
  • 输出电流ic:ic可以分解为直流成分Ico和基波成分Icm1
    1、欠压状态,尖顶余弦脉冲的最大值icmax变化不大。将尖顶余弦脉冲分解以后得到的直流成分以及基波成分变化也不大,所以在欠压的时候,看作恒流状态
    2、过压状态,由于变成了凹顶的余弦脉冲,因此分解以后,其电流ic是下降的。
  • 输出电压Vcm:Vcm = Icm1 * Rp(基波成分电流Icm1 并谐并联状态的谐振电阻Rp)
    1、欠压状态,由于是恒流,但是Rp在变化,所以输出电压Vcm是在增大的。
    2、过压状态,由于过压区的范围很窄,所以Vcm虽然在增大,但是变化很小,看作恒压状态

 Rp对输出功率和效率的影响

  • 直流功率:P = Vcc * Ic0(电源电压Vcc 直流成分电流Ic0)
    由上面的公式,由于Vcc是不变的,所以直流功率与Ic0规律一致。
  • 输出功率:Po = (1/2) * Vcm *Icm1(输出信号幅值Vcm 基波成分电流Icm1)
    1、欠压状态,基波电流Icm1是恒定的,电压是上升的,所以输出功率上升
    2、过压状态,输出电压Vcm恒定,电流是下降的,所以输出功率下降在临界有最大值
  • 有了直流功率和输出功率就可以算出耗散功率(直流功率=输出功率+耗散功率)。
  • 最后就可以算出效率,在过压的时候取得最大值

 Rp引起点的工作状态的变化及其应用场景


 高频谐振功放的动态参数—Vcc

Vcc对于高频谐振功放的工作状态的影响。

  • 黑色:先画出临界状态Vcc的动态特性,Q点的横坐标正好是Vcc,所以Vcc变化的时候,此动态特性曲线是左右平移的。可以画出其尖顶余弦ic脉冲,最大值是icmax。
  • 蓝色:蓝色的线是欠压区的动态特性曲线,可以看到Vcc是变大的。其尖顶余弦脉冲值变大,但由于Vbemax这根斜线斜率很小,所以在欠压区的时候,其尖顶余弦脉冲的值变化不大,可以看作恒流状态
  • 红色:画出过压区的动态特性曲线,然后画出集电极电流ic,由于遇到了临界线,使其输出变为了凹顶余弦脉冲,因此分解后的基波成分电流Icm1和直流电流Ico都会下降

Vcc变化时对电流和电压的影响

  • 输出电流ic:
    1、欠压状态,尖顶余弦脉冲的最大值icmax的变化不大,因此分解后其直流成分和基波成分的电流的变化都不大,处于恒流状态
    2、过压状态,由于出现凹顶余弦脉冲,因此其电流是降低的。
  • 集电极输出电压Vcm:Vcm = Icm1 * Rp
    由于Rp不变,所以Vcm的变化与基波成分的电流Icm1的变化是类似的。

Vcc变化时对功率和效率的影响

  • 直流功率:P = Vcc * Ic0(电源电压Vcc 直流成分电流Ic0)
    1、过压状态,Vcc在增大,Ico也在增大,因此直流功率在增加
    2、欠压状态,Vcc还在增大,Ico不变,因此直流功率还在增加,但是增加的速率没那么快
  • 输出功率:Po = (1/2) * Icm1 * Rp(基波成分电流Icm1 并谐并联状态谐振电阻Rp)
    由于Rp不变,所以输出功率的Icm1是随着Icm1的变化而变化。
  • 了直流功率和输出功率就可以算出耗散功率(直流功率=输出功率+耗散功率)。
  • 最后就可以算出效率,在过压的时候取得最大值

 高频谐振功放的动态参数—Vbm

Vbm变化的时候,其他参数都不变。

  • 黑色:先画出临界状态的动态特性,可以画出其尖顶余弦ic脉冲,最大值是icmax。
  • 蓝色:蓝色的线是欠压区的动态特性曲线,当Vbemax(输入信号)变低,相当于Vbm(输入信号幅值)减小。Vbm变化的时候,动态特性曲线是不动的,主要动的是动态特性曲线与Vbemax的交点在变化,再画出其尖顶余弦脉冲ic,是在降低的。Vbm的降低,Vbemax也会降低,因此其输出的尖顶余弦脉冲的值会继续下降,其分解出来的直流电流和基波成分电流也会一直下降
  • 红色:Vbm上升的时候,就会变到过压区。输出的是一个凹顶的余弦脉冲,左右两个峰值会升高,凹顶的值也会逐渐降低,平衡以后,基本其电流变化不大。也就是分解后的直流电流和基波成分电流变化不大,看作恒流状态

Vbm对输出电流ic和输出电压Vcm的影响

 

  • 输出电流ic:
    1、欠压状态,由于出现凹顶余弦脉冲,因此其电流是降低的。
    2、过压状态,处于恒流状态,所以分解后的直流电流和基波成分电流变化不变。
  • 集电极输出电压Vcm:Vcm = Icm1 * Rp
    由于Rp不变,所以Vcm的变化与基波成分的电流Icm1的变化是类似的。

Vbm变化时对功率和效率的影响

  • 直流功率:P = Vcc * Ic0(电源电压Vcc 直流成分电流Ic0)
    由上面的公式,由于Vcc是不变的,所以直流功率与Ic0规律类似
  • 输出功率:Po = (1/2) * Icm1 * Rp(基波成分电流Icm1 并谐并联状态谐振电阻Rp)
    Rp不变,因此输出功率由基波成分电流Icm1的平方决定,故与基波成分电流Icm1类似
  • 有了直流功率和输出功率就可以算出耗散功率(直流功率=输出功率+耗散功率)。
  • 最后就可以算出效率,在过压的时候取得最大值

 小结

因为基极的电压Vbb处于反偏状态,所以正好与输入信号幅值Vbm的作用相反。

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