大家来聊聊晶体管功放的阻抗匹配问题 [复制链接]

现在各位的讨论我爱看，浅显易懂，好！

俺上学时最崇拜的教授就是能把最复杂抽象的概念，用最通俗易懂的语言表达出来。

建议各位下面的讨论能继续用大白话指导咱们如何进行晶体管高频功率放大器的设计和制作。

功德无量！

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请问如何估算最佳变比？

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一般的hf功放设计中都把功放管的输出内阻（百瓦级的管内阻约0.1-0.5欧）忽略不计来设计输出变压器，其初级电阻为
2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po,
如一个使用一对mrf150的推挽放大器,工作电压50v，输出功率300瓦，mrf150饱和电压vsat=3v,代入公式得出
2 * （50-3）*（50-3）/300=14.7
由于变压器次级输出阻抗为50欧，所以变比为14.7/50 约等于 1：4，所以输出变压器选用1：4的形式。

上例中的最佳变比也是通过这个公式得出来的，放大器要工作在最大输出10瓦时2：1是最佳变比。如变成1：4的话放大器的效率就变得很低，如果功放管容量不大（如使用两个标称输出10瓦的管），还存在容易烧管的问题。

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一般的hf功放设计中都把功放管的输出内阻（百瓦级的管内阻约0.1-0.5欧）忽略不计来设计输出变压器，其初级电阻为
2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po,
如一个使用一对mrf150的推挽放大器,工作电压50v，输出功率300瓦，mrf150饱和电压vsat=3v,代入公式得出
2 * （50-3）*（50-3）/300=14.7
由于变压器次级输出阻抗为50欧，所以变比为14.7/50 约等于 1：4，所以输出变压器选用1：4的形式。
上例中的最佳变比也是通过这个公式得出来的，放大器要工作在最大输出10瓦时2：1是最佳变比。如变成1：4的话放大器的效率就变得很低，如果功放管容量不大（如使用两个标称输出10瓦的管），还存在容易烧管的问题。

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我也是这么认为，所以才把这个电路提出来给大家讨论。

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一般的hf功放设计中都把功放管的输出内阻（百瓦级的管内阻约0.1-0.5欧）忽略不计来设计输出变压器，其初级电阻为
2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po,
如一个使用一对mrf150的推挽放大器,工作电压50v，输出功率300瓦，mrf150饱和电压vsat=3v,代入公式得出
2 * （50-3）*（50-3）/300=14.7
由于变压器次级输出阻抗为50欧，所以变比为14.7/50 约等于 1：4，所以输出变压器选用1：4的形式。
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打算自己设计制作hf线性功放的朋友应该把这个计算方法记下来，可以避免很多麻烦。

ok！

哪位朋友再能把功放的输入变压器的计算方法介绍一下？

老规矩，叙述语言力求通俗易懂，尽量不用难懂的专业语言。专业词汇很重要，但等大家在实验过程中再慢慢领会吧。

我曾向ba5tx讨教过功放的计算方法，对于输出部分的计算都很很快的达成共识。但是对于输入回路的设计和计算都没有什么心得，只能靠反复试验取参数。

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一般的hf功放设计中都把功放管的输出内阻（百瓦级的管内阻约0.1-0.5欧）忽略不计来设计输出变压器，其初级电阻为
2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po,
如一个使用一对mrf150的推挽放大器,工作电压50v，输出功率300瓦，mrf150饱和电压vsat=3v,代入公式得出
2 * （50-3）*（50-3）/300=14.7

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2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po :confused: 是我喝醉了还是大佬喝醉了 ;)

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2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po :confused: 是我喝醉了还是大佬喝醉了 ;)

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估计是笔误，或是对算术突然失灵，呵呵。

应该是：
（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ 2po

高频功率放大器工作在大电流大电压大功率的状态，不像小信号放大器一样可以用线性模型来进行比较准确的近似。即使是工作在所谓线性区的a类放大器，由于信号强度较大，输入信号的幅度变化足以引起其瞬间工作点的剧烈变化。即使采用现代的专业射频测试设备――网络分析仪也没有办法对高频功率放大器作精确的测量。所以用一个静态的阻抗概念来描述它的工作是很不准确的。更何况工作在非线性区的b类和c类放大器了。所以我们所谓的阻抗匹配，其含义与小信号放大器中有很大的差别，不再是追求输入阻抗和输出阻抗互为共轭（阻抗为纯电阻时共轭即相等），而是表示通过这个阻抗匹配电路可以将规定的射频功率传递到下一级。

  对于这个问题可以这样理解：实际上晶体管的输出阻抗是非常大的，一般都在几十k以上。如果要达到阻抗匹配，则负载电阻也要很大。在小信号状态下是可以实现的，输出电压不是非常大，单级的增益也很高，一般都可以达到30db以上。而大信号状态下，由于输出功率较大，如果要求输出阻抗匹配，则电源电压就非常高。因为晶体管的物理结构决定了耐高压是一个比较困难的问题，相反电子管就可以在这个工作状态下获得很好的性能。因此，晶体管作大功率放大时只能工作在低电压大电流的状态下。对于晶体管本身这并不是一个阻抗匹配的状态，所以单级增益明显降低，一般仅10db左右。所以高频功率放大器考虑的主要是功率传递能力的问题，而不是功率传递效率的问题。

  另外在高频功率放大器的效率问题上也有两个方面：一是前后级的功率传递的效率，这个由两级间的阻抗匹配决定；另一个是直流功率往交流功率转换效率的问题，这个是由晶体管的工作状态决定，工作在线性区的效率较低，而工作在饱和区和截止区即开关态的效率高。而这两个效率最高的状态通常无法同时达到，鱼和熊掌不可得兼，呵呵。

  关于最佳输出阻抗的问题实际上是这样：高频大功率晶体管的输出功率是由外部电路决定的，实际上在较低功率时很大的阻抗范围内都可以正常工作。但要达到最大输出功率则仅有很小一个范围的阻抗可以做到（要保证安全，否则很容易烧管子）。由于高频大功率晶体管非常昂贵，使用时如果没有物尽其才就是浪费。所以厂商有时会提供参考输出阻抗值，设计者也会通过试验确定最终的外部阻抗，以达到最优的费效比。所以如果要采用具有很大功率冗余的晶体管进行设计，阻抗的问题就会简单许多。如果采用具有很大频率冗余的晶体管进行设计，则线性化模型就可以有很好的参考作用。

哈哈，6ec也出来了，好好好。

请继续谈谈实际制作当中我们应该如何正确的进行计算和制作。

高手终于来了，请看bg6ec

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2*（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po :confused: 是我喝醉了还是大佬喝醉了 ;)

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2个都醉了。


这个输出功率是什么功率？峰值包络平均功率？峰值功率？有效值？包括谐波在内的总功率？

哪个输出变压器？有没有中间那个自藕变压器？

下次咱们讨论喝几斤酒会罪的问题。。。不设定：谁喝？什么酒？多少时间喝完？怎么才算醉？

注意！ 除去开关状态，晶体管在任何工作状态都应视为流控电流源，等效交流阻抗为无穷大，实际输出阻抗由晶体管集电极负载决定（经过若顿等效）。

6ec的最后一段说得很好！

[quote=易水寒]注意！ 除去开关状态，晶体管在任何工作状态都应视为流控电流源，等效交流阻抗为无穷大，实际输出阻抗由晶体管集电极负载决定（经过若顿等效）。

6ec的最后一段说得很好！[/quote]

解释一下再继续说，什么叫“若顿等效”。

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2个都醉了。
这个输出功率是什么功率？峰值包络平均功率？峰值功率？有效值？包括谐波在内的总功率？
哪个输出变压器？有没有中间那个自藕变压器？
下次咱们讨论喝几斤酒会罪的问题。。。不设定：谁喝？什么酒？多少时间喝完？怎么才算醉？

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我只会欧姆定律，别的不会，
但看上去他们可能连欧姆定律也不会！！ :d

电阻r=电压u/电流i
功率p=电压u*电流i=电压u*电压u/电阻r

[quote=易水寒]注意！ 除去开关状态，晶体管在任何工作状态都应视为流控电流源，等效交流阻抗为无穷大，实际输出阻抗由晶体管集电极负载决定（经过若顿等效）。

6ec的最后一段说得很好！[/quote]

晶体管在放大区正常工作状态下（a或者ab）类，由于基极电流是定值，所以它的集电极电流也是定值，而不管集电极负载是多大（当然太大的负载电阻将使晶体管工作于开关状态），从这个意义上说，晶体管的等效交流阻抗是无穷大的，因为电源电压的变化将不能使集电极电流发生变化。此时负载电阻的取值对于如何从集电极取得最大的输出功率将变得意义非常重要，也就是说，此时的输出功率完全取决于这个电阻的取值。这样理解可以吗？
但是对于大功率状态下，由于晶体管的放大倍数（这个参数对于很多象我这样的菜鸟都非常容易理解）在小电流和大电流时有变化，我们已经不能把它看作一个定值，再加上晶体管在高频应用的时候，极间电容等的影响，使功放的设计变得不那么简单了，所以我们需要考虑一些不那么简单的事了。
从另一个角度去看，由于负载电阻和晶体管是串联在电源里的，在交流放大时，电流最大的时候，负载电阻上的压降要比晶体管上的压降大得多，这时候电源功率几乎都消耗在负载电阻上了，从这个意思上说，晶体管的！！内阻！！要比负载电阻小得多。这也对吧？

那么是不是说，在正确设计的功放电路中（离开了电路好象没什么意义）晶体管的输出阻抗应该是很高的，至于整个功放的输出阻抗完全是人们根据输出功率和负载阻抗来人为设定的，比如一个50欧姆100w的功率放大器，在晶体管足够大和输出变压器可以配合的情况下，可以在25欧的负载上得到400w的功率。所以那个50欧姆输出阻抗只是人为的一个设定值，在此值下可以安全工作，而25欧是可以让功放损坏的一个阻抗。这时候还有一个参数，就是功放的内阻，功放的输出作为一个交流电源，它是有内阻的，这个内阻应该是比较小的，对吗？

高手点评一下，我的解说应该是通俗易懂的吧，那么这样说对吗？

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解释一下再继续说，什么叫“若顿等效”。

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通常叫“诺顿”，和戴维宁或戴维南是兄弟。
诺顿鼓吹：一个二端网络，或者叫单口网络，可以等效为一个电流源和一个阻抗并联。
那位仁兄叫他“若顿”，是表示他不想与诸位多说废话，所以把言字旁去掉了。

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晶体管在放大区正常工作状态下（a或者ab）类，由于基极电流是定值，所以它的集电极电流也是定值，而不管集电极负载是多大（当然太大的负载电阻将使晶体管工作于开关状态），从这个意义上说，晶体管的等效交流阻抗是无穷大的，因为电源电压的变化将不能使集电极电流发生变化。此时负载电阻的取值对于如何从集电极取得最大的输出功率将变得意义非常重要，也就是说，此时的输出功率完全取决于这个电阻的取值。这样理解可以吗？
但是对于大功率状态下，由于晶体管的放大倍数（这个参数对于很多象我这样的菜鸟都非常容易理解）在小电流和大电流时有变化，我们已经不能把它看作一个定值，再加上晶体管在高频应用的时候，极间电容等的影响，使功放的设计变得不那么简单了，所以我们需要考虑一些不那么简单的事了。
从另一个角度去看，由于负载电阻和晶体管是串联在电源里的，在交流放大时，电流最大的时候，负载电阻上的压降要比晶体管上的压降大得多，这时候电源功率几乎都消耗在负载电阻上了，从这个意思上说，晶体管的！！内阻！！要比负载电阻小得多。这也对吧？
那么是不是说，在正确设计的功放电路中（离开了电路好象没什么意义）晶体管的输出阻抗应该是很高的，至于整个功放的输出阻抗完全是人们根据输出功率和负载阻抗来人为设定的，比如一个50欧姆100w的功率放大器，在晶体管足够大和输出变压器可以配合的情况下，可以在25欧的负载上得到400w的功率。所以那个50欧姆输出阻抗只是人为的一个设定值，在此值下可以安全工作，而25欧是可以让功放损坏的一个阻抗。这时候还有一个参数，就是功放的内阻，功放的输出作为一个交流电源，它是有内阻的，这个内阻应该是比较小的，对吗？
高手点评一下，我的解说应该是通俗易懂的吧，那么这样说对吗？

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用低频电路的概念来分析高频电路！无语！ :cool:

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用低频电路的概念来分析高频电路！无语！ :cool:

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看来还是要回去看书了。。。

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高频功率放大器工作在大电流大电压大功率的状态，不像小信号放大器一样可以用线性模型来进行比较准确的近似。即使是工作在所谓线性区的a类放大器，由于信号强度较大，输入信号的幅度变化足以引起其瞬间工作点的剧烈变化。即使采用现代的专业射频测试设备――网络分析仪也没有办法对高频功率放大器作精确的测量。所以用一个静态的阻抗概念来描述它的工作是很不准确的。更何况工作在非线性区的b类和c类放大器了。所以我们所谓的阻抗匹配，其含义与小信号放大器中有很大的差别，不再是追求输入阻抗和输出阻抗互为共轭（阻抗为纯电阻时共轭即相等），而是表示通过这个阻抗匹配电路可以将规定的射频功率传递到下一级。
  对于这个问题可以这样理解：实际上晶体管的输出阻抗是非常大的，一般都在几十k以上。如果要达到阻抗匹配，则负载电阻也要很大。在小信号状态下是可以实现的，输出电压不是非常大，单级的增益也很高，一般都可以达到30db以上。而大信号状态下，由于输出功率较大，如果要求输出阻抗匹配，则电源电压就非常高。因为晶体管的物理结构决定了耐高压是一个比较困难的问题，相反电子管就可以在这个工作状态下获得很好的性能。因此，晶体管作大功率放大时只能工作在低电压大电流的状态下。对于晶体管本身这并不是一个阻抗匹配的状态，所以单级增益明显降低，一般仅10db左右。所以高频功率放大器考虑的主要是功率传递能力的问题，而不是功率传递效率的问题。
  另外在高频功率放大器的效率问题上也有两个方面：一是前后级的功率传递的效率，这个由两级间的阻抗匹配决定；另一个是直流功率往交流功率转换效率的问题，这个是由晶体管的工作状态决定，工作在线性区的效率较低，而工作在饱和区和截止区即开关态的效率高。而这两个效率最高的状态通常无法同时达到，鱼和熊掌不可得兼，呵呵。
  关于最佳输出阻抗的问题实际上是这样：高频大功率晶体管的输出阻抗是由外部电路决定的，实际上在较低功率时很大的阻抗范围内都可以正常工作。但要达到最大输出功率则仅有很小一个范围的阻抗可以做到（要保证安全，否则很容易烧管子）。由于高频大功率晶体管非常昂贵，使用时如果没有物尽其才就是浪费。所以厂商有时会提供参考输出阻抗值，设计者也会通过试验确定最终的外部阻抗，以达到最优的费效比。所以如果要采用具有很大功率冗余的晶体管进行设计，阻抗的问题就会简单许多。如果采用具有很大频率冗余的晶体管进行设计，则线性化模型就可以有很好的参考作用。

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这位大哥洋洋洒洒几百字提到了几个问题，本想一一分析，无耐小弟打字太慢，只能把我的理解写一下：1：现在我们为了简便讨论放大器问题，最好先已a类放大器为讨论方向，不然在这里讨论匹配就没有边际了！2：网络分析仪肯定能对高频功率放大器作精确的测量，但要看你怎么用，网络分析仪有多种组合方式，可以解决大功率放大器的测试问题！3：网络分析仪一般不是用于生产线的，而是用于开发的，它起一个指导设计思路的作用，即看dut是容性还是感性，是高阻还是低阻，整个放大器的级连后的相位等。4：高频大功率晶体管的输出阻抗非常低是不争的事实。象7kw前边mrf150的输出阻抗好象是在30mhz时有2-3欧？（因现在手头没有手册，不很确切）。晶体管厂家为了方便用户工程师简化电路设计，一般会在晶体管内部建匹配网络，以提高晶体管的输入输出阻抗。5：“高频大功率晶体管的输出阻抗是由外部电路决定的，实际上在较低功率时很大的阻抗范围内都可以正常工作。”这段话让我想起中学时候的辨证法故事“宇宙在我心中，我想他时他就存在，我不想他他就不存在。”6：在高频、微波工程专业里，调匹配是学习课程里占很重要分量，甚至贯穿始终！在我的印象中，只要你把调匹配和设计平衡学好，你就可以设计出制造出合格的放大器和天线！