大家来聊聊晶体管功放的阻抗匹配问题 [复制链接]

精彩！几大高手终于出来为我等菜鸟上课，再过几天俺就整理收藏到自己的电脑里边。 :d

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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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您还能坚持和我们废话真是难为您了~~呵呵

不过还是谢谢您专业的解释。

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  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。

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我对bg6ec的话基本上赞同，唯一怀疑的是“几十k”这个数字。
因为高频功率管的管芯是个很多很多个单个管子组成的晶体管阵列，他们被并联起来使用。这么多管子并联以后的阻抗应该会比单个单元低一点。

另外，高频时为了提高频率，基区也设计得很薄，基区电阻也很低，这样会不会限制其恒流性能？

手头有可调稳压电源和万用表的人，现在就可以测出管子的低频阻抗了。我以前测过几个低频mos管，看来体积大小差不多的内阻却从十几欧到几百欧的都有。印象中2sk1058大概有100多欧，很多大电流开关管在恒流区的内阻却很低，只有十几欧，饱和时沟道电阻只有0。1欧以下。
高频发射管我从未测过。

[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）。[/quote]

被视为流控电流源是以模型的角度看晶体管。模型是对实际对象的简化和抽象，但不是什么情况下都适用的。小信号分析时可以采用这个模型取得很好的近似。

实际晶体管的输出阻抗不是无穷大的，一般小信号状态下可达几十k欧姆，大电流输入状态下则下降得很快，可以只有几个欧姆甚至更小。

能够跟大家一起讨论真是太高兴了。先声明一下，我不是高频功率放大器的专家，希望能跟大家一起提高！非常感谢ba6bf提供这个机会！

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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！
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。

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a类放大器在大电流输入时也有阻抗剧烈变化的现象（ic-vce图上不同ib时电流饱和区的斜率大不相同）。所以外部的“匹配”阻抗只有在平均效果上有匹配作用，不会对每个瞬间工作点都实现真正的匹配。而在小电流输入条件下，晶体管的输入输出阻抗都是非常稳定的，所以可以实现比较准确的匹配（ic-vce图上不同ib时电流饱和区的斜率几乎一样）。因此小电流工作状态才是性能最好的工作状态。但是限于晶体管材料和结构的问题，耐压很难做高，为了达到同样的功率输出只好退而求其次使其工作在大电流低电压状态。

功率电子管就是工作在高电压小电流状态，其性能是现在的功率晶体管都望尘莫及的。

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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。

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网络分析仪是以双端口器件的角度看待晶体管的，关心的是输入输出端口上的输入信号和反射信号的关系，和两个端口之间的传递功率的能力。是在平均意义上作的测量，对瞬间工作点的测试是非常困难的。

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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。”

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对不起，这里写错了，应该是：“高频大功率晶体管的输出功率是由外部电路决定的”。

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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！

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我没有反对匹配啊！我所强调的是为什么要作这样的匹配！

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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？

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这是标准的小信号分析的方法，而且并没有考虑实际上并不是无穷大的输出阻抗。在一个有限的输出阻抗条件下，输出功率有一个极大值，即负载与输出阻抗匹配时。

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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？

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这里讨论的是交流阻抗！要达到传递效率最高也要负载和输出阻抗匹配。

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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？

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这段话我按照自己的理解重新表述一下，bd4sbk勿怪：
为了实现同样的功率输出，可以采用大电压小电流和大电流小电压模式。但是晶体管不适合工作在大电压小电流模式下，耐压较低，而且还有二次击穿这个拦路虎。所以工作模式只好选择大电流小电压模式。但在这个模式下，晶体管参数随输入信号变化非常剧烈，所以原来严格匹配的概念已经不适用。一个信号周期内阻抗剧烈变化还怎么匹配？于是只能够采用“在这样的输入信号强度和输入输出阻抗端接条件下，输出功率是足够的，工作是安全的”来描述匹配情况。

所以在手册上给出的阻抗值工作条件是非常苛刻的，不是可以随便拿来就用的。不同的工作条件下，阻抗就不同。

一个输出阻抗为50欧姆100w的功率放大器，如果没有特别保护措施，晶体管的工作状态也处于比较极限的情况。一旦大幅度改变端接阻抗一般的结果就是烧管子。

业余条件自己设计制作功放最好充分降额使用，不但功率要降额，频率也要降额。

乱做功放，烧了管子不要扁我嘴臭噢！

什么叫真正的高手？这就是！把复杂问题简单的说，高手中的高手。我一向不喜欢拍别人的马屁，但是6ec的屁股我要认真的拍几下才过瘾。好好~~~~

下面请6ec具体谈谈如何进行输入电路的计算和制作。

高频功率放大器是很难设计的。难度就在于如何确定发挥晶体管接近极限能力的工作条件。没有相当的设备和经验是做不来的。所以不建议diyers在没有足够条件下进行，否则可能损失惨重。当然用些廉价的管子玩玩也可以涨涨经验。

需要做功放的可以参考别人现成的电路，并注意电路板的走线、散热并接上足够的保护电路。

自己设计制作功放比较容易成功的条件是：降额使用包括功率降额和频率降额。也就是在"杀鸡用牛刀"了。只要作好防止超高频自激，成功应该是就在眼前。

具体的设计方法请参考任何一本高频电路的书。这里介绍一本：《射频通信电路》陈邦媛 编著，科学出版社 2002。

设计高频功率放大器的一般步骤：
1. 选择合适的晶体管，依据是工作频率和输出功率。特征频率ft不宜选得过高，防止超高频自激。
2. 确定放大器级数，由手册中给出的输出功率-输入功率关系曲线，输出功率-电源电压关系曲线，输出功率-频率变化曲线，根据输出功率pout，查出在规定的工作频率和电源电压条件下所需的输入功率pin，初步计算功率增益。当增益不够时，可采用多级放大。
3. 设计阻抗变换网络。查出晶体管在给定的工作频率，电源电压以及输出功率条件下晶体管的输入阻抗zin和输出阻抗zol（这个是输出负载阻抗）。根据阻抗变换及对谐波抑制等要求，设计输入、输出网络。
4. 画出设计电路，选择合适的直流馈电电路。大多数功率管手册中都给出了推荐的工作类型以及相应的工作点电流。手册中给出的晶体管的各项参数均在给定的工作条件下测得的，当工作条件改变时，增益、阻抗甚至晶体管得寿命都会变化，因此应按给定的要求确定偏置。
5. 安装实现放大器。必须指出以上的理论计算只是指导性得，必须经过反复调试才能达到指标要求。

由于最佳负载阻抗确定的条件中包括输入阻抗，所以当输出阻抗确定时，输出阻抗也被确定了。
在两级功率放大器的设计中，先设计输出级的输出匹配网络，完成输出级晶体管输出阻抗到天线阻抗50欧姆的变换；然后设计激励级得输入匹配网络，完成源阻抗到激励级晶体管输入阻抗的匹配，最后设计激励级和输出级间的匹配网络，完成激励级晶体管输出阻抗到输出级晶体管输出阻抗的匹配。

线性化模型下（条件：工作频率f远小于特征频率ft），放大器的负载电阻应为：rl=(vcc-vce_sat)^2/2po。其中vce_sat为饱和电压。所以可见，功率放大器要求的负载电阻除了与管子得饱和电压外，与管子其他参数无关，只取决于输出功率和电源电压。

摘自《射频通信电路》陈邦媛 编著

不耻下问：在6bf给的两个链接中，其中一个电路的输出变压器初级中点接地，另一个中点没有接地。
为什么？

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不耻下问：在6bf给的两个链接中，其中一个电路的输出变压器初级中点接地，另一个中点没有接地。
为什么？

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按照原理分析，此点本来就是交流地，所以有没有这个电容接地问题都不大。

其取舍可能是从两管平衡的角度来考虑。

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被视为流控电流源是以模型的角度看晶体管。模型是对实际对象的简化和抽象，但不是什么情况下都适用的。小信号分析时可以采用这个模型取得很好的近似。
实际晶体管的输出阻抗不是无穷大的，一般小信号状态下可达几十k欧姆，大电流输入状态下则下降得很快，可以只有几个欧姆甚至更小。

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终于有人耐心把书看完了～～～

请教一下“大电流输入状态下则下降得很快，可以只有几个欧姆甚至更小”的所谓‘输出阻抗’产生的负载效应如何能对输出功率没有影响？ 这不是和你的结论－－－“线性化模型下（条件：工作频率f远小于特征频率ft），放大器的负载电阻应为：rl=(vcc-vce_sat)^2/2po。其中vce_sat为饱和电压。所以可见，功率放大器要求的负载电阻除了与管子得饱和电压外，与管子其他参数无关，只取决于输出功率和电源电压。” 自相矛盾吗？

[quote=易水寒]终于有人耐心把书看完了～～～

请教一下“大电流输入状态下则下降得很快，可以只有几个欧姆甚至更小”的所谓‘输出阻抗’产生的负载效应如何能对输出功率没有影响？ 这不是和你的结论－－－“线性化模型下（条件：工作频率f远小于特征频率ft），放大器的负载电阻应为：rl=(vcc-vce_sat)^2/2po。其中vce_sat为饱和电压。所以可见，功率放大器要求的负载电阻除了与管子得饱和电压外，与管子其他参数无关，只取决于输出功率和电源电压。” 自相矛盾吗？[/quote]

请看6ec这段话的含义。

“了实现同样的功率输出，可以采用大电压小电流和大电流小电压模式。但是晶体管不适合工作在大电压小电流模式下，耐压较低，而且还有二次击穿这个拦路虎。所以工作模式只好选择大电流小电压模式。但在这个模式下，晶体管参数随输入信号变化非常剧烈，所以原来严格匹配的概念已经不适用。一个信号周期内阻抗剧烈变化还怎么匹配？于是只能够采用“在这样的输入信号强度和输入输出阻抗端接条件下，输出功率是足够的，工作是安全的”来描述匹配情况。”

我同意6ec的看法。

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在arrl handbook中有关功放管输出阻抗的计算公式中，只有一个功率值即设计最大输出功率，而并不考虑其他的。因为晶体管的阻抗是随着输入电平或电流在做相应的变化，所以晶体管才有了电流或电压放大作用。也正是因为这个原因，为了功放机的安全工作，在进行计算的时候把最大设计功率作为一个基本参数。
物理学或工程学中有很多这种应用，把某种不恒定但有最大值或安全值的参数提取为一个欲设定值，在这个设定值以下工作，可能工作状态不是最好的，但却是安全的。
我不知道朋友们有几个人做过大功率的放大器，如果做过并仔细观测过，就会发现放大器的放大倍数在不同的输出功率的时候是不一样的。当然，这可能和晶体管的特性有关，但也在一定程度上体现了晶体管在不同输出功率的时候阻抗不同的原理。只要功放在设计的范围内工作，虽然阻抗不匹配，但是不会使晶体管进入危险区。

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这是我以前的帖子里说过话，可能在理论上不是十分严谨，但我想和6ec的说法是异曲同工的。

我是个纯粹的业余玩家，我的理论都是在实践中总结出来的，所以不可能有严密的理论推导。但这些业余理论也指导着我完成了很多diy作品，想来就算有谬误也不至于差的太离谱。就象中医理论讲究的是气血经络，虽然出发于唯心主义理论，但也歪打正着的符合了现代病理学。

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这是我以前的帖子里说过话，可能在理论上不是十分严谨，但我想和6ec的说法是异曲同工的。
我是个纯粹的业余玩家，我的理论都是在实践中总结出来的，所以不可能有严密的理论推导。但这些业余理论也指导着我完成了很多diy作品，想来就算有谬误也不至于差的太离谱。就象中医理论讲究的是气血经络，虽然出发于唯心主义理论，但也歪打正着的符合了现代病理学。

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  认为晶体管的放大作用来自于其阻抗的受控变化，这样的观点是绝对错误的！在合理的频率范围内，只要管子的工作状态没有过度到饱和区，我们就无需考虑晶体管的所谓‘内阻’，晶体管高频功率放大器（乙类丙类）和小信号放大器设计理念的关键不同之处在于－－小信号放大器为纯阻性负载，全周期完整工作，按线性电路考虑计算其匹配，无需考虑转换效率。 而功率放大器是以效率和谐波抑止比为目标，在电路中，晶体管始终只是一个余弦脉冲激励电流源，所谓阻抗变化范围大－－决不是指管子的‘自阻抗’变化范围大，而是指管子的负载网络只是吸收了余弦脉冲中的基波分量，而用视在阻抗的观点看负载，是一个动态的阻抗，她的端电压决不会是激励的余弦波形的比例（相似曲线）。
  立足点不同，导致了功率放大器的分析方法和小信号放大器完全不同，实际上个人观点，功率放大器的分析比非线性小信号电路难度低一些，所以，在传统教材中，功率放大器往往安排在非线性小信号放大器前面的章节介绍。

[quote=易水寒]认为晶体管的放大作用来自于其阻抗的受控变化，这样的观点是绝对错误的！在合理的频率范围内，只要管子的工作状态没有过度到饱和区，我们就无需考虑晶体管。[/quote]

“绝对错误”？呵呵呵呵

半导体三极管包括场效应管，它的集电极电流随着基极的电流或电压变化，这是表象。当我们无法真实的观察到其内部pn结里到底发生了什么的时候，我们就可以把晶体管当成一个黑匣子来讨论。晶体管集电极回路里的供电电压没有变化，而其电流变化了，那我们就可以认为晶体管的阻抗变化了。

真不知道该说什么好~~~都21世纪了，有什么东西是绝对的呢？

我没有太多的半导体理论知识，我只能从表象上来分析它，如果这种表象分析误打误撞的恰好能够解释它的现象，又有什么理由一口断定它是“绝对错误”的呢？古代科学和现代科学研究的哪一个东西不是建立在假设的基础上呢？当这种假设能够解释我们遇到的现象时，它就是正确的，当不能解释现象的时候，就会有另一种假设来代替原来的假设。半导体科学也同样建立在假设的基础上，谁能说谁的理论是“绝对正确”和“绝对错误”的呢？

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“绝对错误”？呵呵呵呵
半导体三极管包括场效应管，它的集电极电流随着基极的电流或电压变化，这是表象。当我们无法真实的观察到其内部pn结里到底发生了什么的时候，我们就可以把晶体管当成一个黑匣子来讨论。晶体管集电极回路里的供电电压没有变化，而其电流变化了，那我们就可以认为晶体管的阻抗变化了。
真不知道该说什么好~~~都21世纪了，有什么东西是绝对的呢？
我没有太多的半导体理论知识，我只能从表象上来分析它，如果这种表象分析误打误撞的恰好能够解释它的现象，又有什么理由一口断定它是“绝对错误”的呢？古代科学和现代科学研究的哪一个东西不是建立在假设的基础上呢？当这种假设能够解释我们遇到的现象时，它就是正确的，当不能解释现象的时候，就会有另一种假设来代替原来的假设。半导体科学也同样建立在假设的基础上，谁能说谁的理论是“绝对正确”和“绝对错误”的呢？

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  6bf朋友还是没有理解我的意思，电阻只是一个是静态的概念，您如果用‘视在电阻’解释管子的等效电路，那是没有一点问题的，但是您却用了‘阻抗’这一词来表述，就实在不妥了，阻抗是矢量，是动态的电压矢量函数和管子的导通电流矢量函数在共同的时间参量下的比值，但无论是场效应管还是晶体管，她们的导通电流只取决于她们的基极或者栅极的激励，和她们的c,e或者d s端电压函数没有任何关系。就拿晶体管来举例吧，当基极激励确定时，其c端电压决定不了其通态电流，也就是说管子的ce端电压变量和ce端电流变量之间不具备‘能控性’。
  这样在交流等效分析中，我们只能把晶体管作为一个‘电流源’来处理，而电流源的阻抗是正无穷的，这也就是功率放大器的经典分析中为什么不把所谓管子的‘动态自阻抗’作为分析对象的原因。
  学过线性系统，并且有基础电路知识，理解这些概念应该不难。

[quote=易水寒]认为晶体管的放大作用来自于其阻抗的受控变化，这样的观点是绝对错误的！[/quote]

晶体管的英文是transistor，其含义就是“阻抗变换器”。

[quote=易水寒]在合理的频率范围内，只要管子的工作状态没有过度到饱和区，我们就无需考虑晶体管的所谓‘内阻’，晶体管高频功率放大器（乙类丙类）和小信号放大器设计理念的关键不同之处在于－－小信号放大器为纯阻性负载，全周期完整工作，按线性电路考虑计算其匹配，无需考虑转换效率。[/quote]
这个基本没问题。

[quote=易水寒]而功率放大器是以效率和谐波抑止比为目标，在电路中，晶体管始终只是一个余弦脉冲激励电流源，所谓阻抗变化范围大－－决不是指管子的‘自阻抗’变化范围大，而是指管子的负载网络只是吸收了余弦脉冲中的基波分量，而用视在阻抗的观点看负载，是一个动态的阻抗，她的端电压决不会是激励的余弦波形的比例（相似曲线）。[/quote]

如果是ab类推挽放大器，输出为整个正弦波的话，有以下问题：
谐波是怎么产生的呢？
“视在阻抗的观点看负载，是一个动态的阻抗”，为什么是动态的呢？最终的负载如果就是天线50欧姆的话。

[quote=易水寒]立足点不同，导致了功率放大器的分析方法和小信号放大器完全不同，实际上个人观点，功率放大器的分析比非线性小信号电路难度低一些，所以，在传统教材中，功率放大器往往安排在非线性小信号放大器前面的章节介绍。[/quote]

什么叫“非线性小信号电路”？我没听过，请教一下。
另外分析容易，不等于分析结果就与实际情况一致，呵呵。
科学研究就是以这个一致为目的。

[quote=易水寒]6bf朋友还是没有理解我的意思，电阻只是一个是静态的概念，您如果用‘视在电阻’解释管子的等效电路，那是没有一点问题的，但是您却用了‘阻抗’这一词来表述，就实在不妥了，阻抗是矢量，是动态的电压矢量函数和管子的导通电流矢量函数在共同的时间参量下的比值，但无论是场效应管还是晶体管，她们的导通电流只取决于她们的基极或者栅极的激励，和她们的c,e或者d s端电压函数没有任何关系。就拿晶体管来举例吧，当基极激励确定时，其c端电压决定不了其通态电流，也就是说管子的ce端电压变量和ce端电流变量之间不具备‘能控性’。[/quote]

如果ce端电压的变化对ic没有影响的话，ic-vce图中的曲线应该是由ib决定的水平直线。这个还请易水寒先生看看书，验证一下自己的话。

[quote=易水寒]   这样在交流等效分析中，我们只能把晶体管作为一个‘电流源’来处理，而电流源的阻抗是正无穷的，这也就是功率放大器的经典分析中为什么不把所谓管子的‘动态自阻抗’作为分析对象的原因。
  学过线性系统，并且有基础电路知识，理解这些概念应该不难。[/quote]

模型和实际晶体管的关系好像还是没有理清。呵呵，请易水寒先生再考虑。

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晶体管的英文是transistor，其含义就是“阻抗变换器”。。

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呵呵，如此说法倒是很新颖。真长见识！ 手头正好有本encarta, 对晶体管的解释如下：
1. electronic engineering solid-state electronic device: a small low-powered solid-state electronic device consisting of a semiconductor and at least three electrodes, used as an amplifier and rectifier and frequently incorporated into integrated circuit chips
2. radio: a transistor radio


[mid-20th century. blend of transfer and resistor (from its transference of electrical current across a resistor).]
microsoft? encarta? reference library 2004. ? 1993-2003 microsoft corporation. all rights reserved.


这个基本没问题。



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如果是ab类推挽放大器，输出为整个正弦波的话，有以下问题：
谐波是怎么产生的呢？
“视在阻抗的观点看负载，是一个动态的阻抗”，为什么是动态的呢？最终的负载如果就是天线50欧姆的话。”。。

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丙类放大器的设计，先根据输出功率确定集电极负载阻抗zol,负载的50欧姆被映射进来已经不是纯粹的阻性，因为我们还必须假定负载网路的q值，功率管的驱动对象不是一头‘死牛’而是一个晃荡‘秋千’，余弦脉冲只是在特定的时刻给秋千做功，做功的时段，秋千的速度和高度也是变量，不知道我这样类比，6ce朋友还能不能够理解‘动态阻抗’这个概念？

如果是a类放大器，无论输出功率多大，设计方法都应与小信号电路相同，如果是ab类推挽放大器，只是两管减小了小半个周期的导通角并且分担了功率而已。并且在线性工作区内不会产生谐波，负载在完全调谐状态下呈阻性，和低频放大器中的ab类可以类比。

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什么叫“非线性小信号电路”？我没听过，请教一下。
另外分析容易，不等于分析结果就与实际情况一致，呵呵。”。。

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混频，调制，解调，检波....都属于非线性小信号电路的范畴。

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科学研究就是以这个一致为目的。

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把高频电路课本的功率放大器章节的课后习题做两题，我想您肯定会对所谓工程计算以及高频大功率放大器应该考虑的主要矛盾有个更清晰的认识。