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《高频电子线路》 —— 高频谐振功放（2）

article 2025/1/12 12:20:02

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。