大家来聊聊晶体管功放的阻抗匹配问题 [复制链接]

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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。
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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呵呵，我只知道曲线族是斜的，漏电流大的晶体管一定是废品！ 我们要先学会了清水里游泳，再去黄河劈波斩浪。

如果连模型都没有建立正确，深层的分析更无从谈起。 等我们先把功率放大器工程分析中的，cob;rbb;re;gvm模型分析清楚了。再来讨论6ec先生提到的‘几欧姆甚至更小’的诧异情况，好不好？

[quote=易水寒]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。
[/quote]

英文中晶体管是transistor，我们把它拆成两部分：前半部分：“trans-”是转换的意思，后半部分“sistor”是resistor（电阻）的一部分。当时发明者是这样拆分组合来构成这个新词汇的。字面意思就是“阻抗变换器”。注意是字面意思！

[quote=易水寒]混频，调制，解调，检波....都属于非线性小信号电路的范畴。[/quote]
这里面除了检波（即非相干解调外），混频、调制、解调都有两个信号输入，其中一个信号为强信号，一个为弱信号。以接收混频为例，被接收信号为弱信号，本振为强信号。其原理为在本振强信号的驱动下使晶体管工作在非线性状态，从而产生高次分量，其中就有所需要的二次分量，其生成物中就有所要的输入两信号的和频与差频分量。经过滤波取出来就可以了。这里的小信号是被接收信号。工作状态本质上还是在大信号状态下。
试想二极管能够直接对几个uv的信号进行检波吗？这才是彻底的小信号工作状态。

[quote=易水寒]呵呵，我只知道曲线族是斜的，漏电流大的晶体管一定是废品！ 我们要先学会了清水里游泳，再去黄河劈波斩浪。

如果连模型都没有建立正确，深层的分析更无从谈起。 等我们先把功率放大器工程分析中的，cob;rbb;re;gvm模型分析清楚了。再来讨论6ec先生提到的‘几欧姆甚至更小’的诧异情况，好不好？[/quote]

我们看一下三洋的2sc2078，相信大家都很熟悉。

以下摘自《晶体之火－－晶体管的发明及信息时代的来临》（美）迈克尔.赖尔登 等著，浦根祥 译，上海科学技术出版社
p.225
“皮尔斯注意到了与之相关联的真空管被命名为‘trans-conductance’，然后他又提到了这两种电子线路具有对应特性，或者可以将其命名为‘trans-resistance’，想到这里，他开始将这些名字组合起来。冷不防地，他说出了一个新词汇：‘transistor’，意即晶体管。”

如果查阅美国最权威的韦氏词典，我们可以发现词条：
transistor [transfer + resistor; from its transferring an electrical signal across a resistor]以下的释义省略。
从这里也可以清楚地发现，其词的构成源头就是“阻抗变换器”。

看了几天的百家争鸣，不忍又出来发表自己的一点想法：我是觉得一个字----累！把一个很简单的问题复杂化，而且是公理性的问题用定理来推论！我请大家抛开所有的令人生畏的理论，先用一个大家公认的定理：功率源在外负载的阻抗与其内阻共扼时功率源输出最大，对这个系统来说效率最高。基于这个认识，那回过头来问，我们为什么要匹配晶体管放大器呢？无非就是要把电源的能量通过以高频晶体管为核心的电路系统转化为我们需要的高频能量，而且要最大效率地转化，所以要求通过“匹配”这一手段来达到刚才前面的“大家公认的定理”！如果讲到这里还有人想不通的话，我只能请他从高中物理课本看起了！那反过来想想，为什么在楼主举例的电路里要输出变压器，输入变压器呢?从变压器的变压比来看显然不是用来起隔离作用的，那是干吗用的呢？显然是起阻抗变换用的！那为什么要阻抗变换呢？显然是因为晶体管的输入、输出阻抗与外电路不匹配。功率晶体管在50欧负载的情况下，请大家算一下4：1，9：1甚至16：1变压比时在晶体管侧的阻抗是多少，那就验证了功率晶体管的输入、输出阻抗太小。就不用在这里用这么多的公式、定理来把这个简单的问题复杂化，甚至误导视听，误人子弟了！

再给一些朋友补一基础课：什么是共扼呢？在高中课本里，我们通过计算得知，电源内阻与外接电阻相等时，电源输出功率最大。这是我们在高中时得到的一个很直观的认识，在高频电路里，我们可以把放大器当做一个电源来看，为了得到宝贵的高频功率，我们要想办法让负载从放大器吸取最大功率，既效率最高，只能想办法让放大器的输出阻抗与给定的负载一致，既常说的“匹配”。在高频电路里，不单有我们熟知的电阻，还有感抗、容抗，两者统称为“电抗”，电阻与电抗混和称为阻抗，在通常阻抗表示里，电阻是实部，电抗是虚部，感抗是+，容抗是—，这个用直角坐标系或圆坐标系（即矢量坐标系）里看得真真切切，明明白白！在高频电路里，如果晶体管输出呈感性，为了与负载匹配，就想办法在晶体管输出端加电容，反之亦然。这就是共扼。

呵呵，真是搞不懂，就照字面意思吧，怎么能翻译出一个‘阻抗变换器’，呢？ 电阻是resistor,阻抗是impedance, 究竟那‘韦氏词典’里的原句该如何翻译？我想坛子里的中学朋友们可以代劳一下。

  怎么把2078大电流临界饱和状态的曲线族给贴上来了呢？ 不会弄错了吧？ 哪位爱好者做过1.6v工作电压，而且末级电流有2a的高频功放？ 麻烦举一下手。

  对小信号的定义也确实让人耳目一新！ 高！

以下前提为正弦波放大器
输出的高频功率一定来自电源,没得说.
电源消耗的功率中有以下两个部分:
一部份当然就是输出功率
一部分消耗在晶体管上
在b类电路中晶体管把直流能量变成交流能量的时候,我记得书上说理论上效率大约为75%(可能是低频放大器,也可能是小功率放大器,但一定是交流放大器)也就是说75%的电源消耗将变成交流电能量.
在直流能量变成交流能量之后,这个放大器可以看作一个交流电源了.这个交流电源如果是按照内阻和负载相等(应该可以假设成理想情况,没有虚部,至少是非常接近吧)才能最大化地得到宝贵的高频功率的话,那么这高频功率将又有一半会消失在晶体管上,也就是说,理论上我们能得到75%/2=37.5%的电源功率,这个效率好象不怎么高哦,虽然说实际上我们常常就是得到30%的效率,但我想,纯从效率上讲,好象不应该这样设计吧,还有低频电路理论上的75%的效率,,应该是指输出功率对电源消耗之比吧,要比高频大一倍吗?
我今天一定会翻家里的一本高频电路原理,没翻之前我是想不通的,怎么回事呢?

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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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不知道我下午花了近一个小时用智能拼音打的符不符合楼主的要求呢？ ;)

:eek: 怎么没人出来了？！不会是我说错什么话了？

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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

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现在讨论的是推挽电路，我的公式：
2（vdd - vsat)*(vdd -vsat)/ po是正确的，不信你自己推导一下推挽放大其的工作原理就知道了 :)
附一份moto的20瓦功放设计参考：an-779中的一段，大家看了就知道了。

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看了几天的百家争鸣，不忍又出来发表自己的一点想法：我是觉得一个字----累！把一个很简单的问题复杂化，而且是公理性的问题用定理来推论！我请大家抛开所有的令人生畏的理论，先用一个大家公认的定理：功率源在外负载的阻抗与其内阻共扼时功率源输出最大，对这个系统来说效率最高。基于这个认识，那回过头来问，我们为什么要匹配晶体管放大器呢？无非就是要把电源的能量通过以高频晶体管为核心的电路系统转化为我们需要的高频能量，而且要最大效率地转化，所以要求通过“匹配”这一手段来达到刚才前面的“大家公认的定理”！如果讲到这里还有人想不通的话，我只能请他从高中物理课本看起了！那反过来想想，为什么在楼主举例的电路里要输出变压器，输入变压器呢?从变压器的变压比来看显然不是用来起隔离作用的，那是干吗用的呢？显然是起阻抗变换用的！那为什么要阻抗变换呢？显然是因为晶体管的输入、输出阻抗与外电路不匹配。功率晶体管在50欧负载的情况下，请大家算一下4：1，9：1甚至16：1变压比时在晶体管侧的阻抗是多少，那就验证了功率晶体管的输入、输出阻抗太小。就不用在这里用这么多的公式、定理来把这个简单的问题复杂化，甚至误导视听，误人子弟了！

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是啊，说得太多好累。

总结一下，高频功率放大器和小信号放大器的最大区别就在于由于输入信号大小不同，功率放大器的工作范围非常大，所以没有一个恒定的阻抗可以来有效匹配。而小信号放大器输入信号小，工作范围小，可以线性近似，可以用一个容易计算的恒定的阻抗来匹配。

功率放大器的“匹配”无法做到工作范围内处处匹配，是个平均的概念。与具体工作状态关系非常大，所以很难进行。按照厂家提供的参数计算的结果，仅在厂家测试条件下有效。自行改变工作条件后，要达到“匹配”很困难。

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以下前提为正弦波放大器
输出的高频功率一定来自电源,没得说.
电源消耗的功率中有以下两个部分:
一部份当然就是输出功率
一部分消耗在晶体管上
在b类电路中晶体管把直流能量变成交流能量的时候,我记得书上说理论上效率大约为75%(可能是低频放大器,也可能是小功率放大器,但一定是交流放大器)也就是说75%的电源消耗将变成交流电能量.
在直流能量变成交流能量之后,这个放大器可以看作一个交流电源了.这个交流电源如果是按照内阻和负载相等(应该可以假设成理想情况,没有虚部,至少是非常接近吧)才能最大化地得到宝贵的高频功率的话,那么这高频功率将又有一半会消失在晶体管上,也就是说,理论上我们能得到75%/2=37.5%的电源功率,这个效率好象不怎么高哦,虽然说实际上我们常常就是得到30%的效率,但我想,纯从效率上讲,好象不应该这样设计吧,还有低频电路理论上的75%的效率,,应该是指输出功率对电源消耗之比吧,要比高频大一倍吗?
我今天一定会翻家里的一本高频电路原理,没翻之前我是想不通的,怎么回事呢?

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如果用晶体管的等效模型来看就会明白。

晶体管输出等效为受控电流源并联输出电阻。功率放大器的负载电阻一般都很小，于是输出功率基本上都到负载上去了。所以有理论上75%效率的直流能量转换成了输出的交流能量。

如果接上匹配阻抗的话，效率才是37.5%。

注意这些结果都是在很多理想假设条件下分析出来的。真实情况下，效率要更低。

引用:
作者bd4sbk
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。
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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？
[quote=bg7vi]用低频电路的概念来分析高频电路！无语！ :cool:

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一个hf的放大器，在功放管的截至频率和功率相对足够高的时候，其输出变压器的变比分析，和一个使用变压器的音频放大器无异。 :)
hf功放管在各频率下的输入和输出阻抗主要是在考虑负反馈电路的设计中起作用。和输出变压器的变比无关。

1kw放大器设计，由4个300w功放合成，文中详细介绍了输出变压器的结构和合成电路结构，在hf功放设计中可以参考。

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如果用晶体管的等效模型来看就会明白。
晶体管输出等效为受控电流源并联输出电阻。功率放大器的负载电阻一般都很小，于是输出功率基本上都到负载上去了。所以有理论上75%效率的直流能量转换成了输出的交流能量。
如果接上匹配阻抗的话，效率才是37.5%。
注意这些结果都是在很多理想假设条件下分析出来的。真实情况下，效率要更低。

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不对吧？78%的理论效率是由视在电阻决定的（低频时每一瞬间晶体管都可以看作一个耗电的电阻，因为电压和电流相差为0），只和输出波形有关，当输出是正弦波，负载是纯阻性，峰值和电源电压一样的时候，就是这个效率，只要把正弦函数的平方积分一下就可以算出来了，与晶体管的交流阻抗没有关系，不管交流内阻是多少，效率都一样。如果是三角波，就是50%，如果是方波，就是100%，（当峰值与电源相同）

至于阻抗匹配，理想电感和电容是不消耗能量的。

如果一个乙类放大器，发射极负载为50欧纯电阻，假设晶体管是恒流源，没有外接负载，这时电阻上消耗的能量为78%，接个负载后效率会下降（不只下降一半），这是由于输出的波形变了，峰值只有原来的一半。如果把激励加大，使输出电压峰值和原来一样，那么，消耗在内负载电阻和外负载电阻上的能量的总和还是78%。

谢谢7千瓦的好资料，可惜是e文。呵呵

牛角里有东西...
起哄一下，原来是35%的看不懂，现在是90%的看不懂，越看越糊涂....
（要匹配，又是变化阻抗，这怎摸办啊？暈**晕晕***——********
我是农民的儿子，你告诉我怎样能让amp高产就行了
深入浅出吧，不然我连玉怎么种都不知道了
bg7vi不容易啊——

[quote=齐晓军]牛角里有东西...
起哄一下，原来是35%的看不懂，现在是90%的看不懂，越看越糊涂....
（要匹配，又是变化阻抗，这怎摸办啊？暈**晕晕***——********
我是农民的儿子，你告诉我怎样能让amp高产就行了
深入浅出吧，不然我连玉怎么种都不知道了
bg7vi不容易啊——[/quote]

体会到专家论战的厉害了吧？呵呵

还好，基本上可以理解，包括那个公式里边的2是在分子而不是在分母