电子线路(非线性部分)谢嘉奎_课后答案.

### 电子线路非线性部分知识点解析 #### 一、功率管的最大输出功率限制因素 在电子线路设计中，特别是涉及到功率放大器的设计时，功率管的最大输出功率并不是仅仅受到其极限参数的限制。这一点非常重要，因为在实际应用中，功率管的工作状态、环境温度以及散热条件等因素都会对功率管的最大输出功率产生显著影响。 1. **极限参数**：功率管的极限参数通常包括集电极最大电流\( I_{CM} \)、最大集射极电压\( V_{CEO} \)以及最大耗散功率\( P_{CM} \)等。这些参数定义了功率管正常工作时的边界条件，但它们并不能完全决定功率管的实际输出功率。 2. **功率管工作状态**：功率管的工作状态包括静态工作点的选择等，这些都会直接影响到功率管的最大输出功率。例如，在大信号工作条件下，功率管可能会进入饱和区或截止区，这将导致其无法提供预期的输出功率。 3. **环境温度与散热条件**：功率管在工作时会产生热量，而环境温度和散热条件的好坏将直接影响到功率管的温升情况。较高的温度会降低功率管的最大耗散功率\( P_{CM} \)，从而限制了其最大输出功率。 #### 二、功率放大器的集电极效率对直流功率和功率管耗散功率的影响 题目中提到的是一个具体的例子，用来说明集电极效率\( \eta_C \)的改变如何影响功率放大器的直流电源提供的直流功率\( P_D \)和功率管耗散功率\( P_C \)。 1. **初始条件**：假设功率放大器要求输出功率\( P_O = 1000W \)，初始时集电极效率\( \eta_C1 = 40\% \)。 2. **计算步骤**： - 当\( \eta_C1 = 40\% \)时，直流功率\( P_D1 = \frac{P_O}{\eta_C} = 2500W \)，功率管耗散功率\( P_C1 = P_D1 - P_O = 1500W \)。 - 将集电极效率提高到\( \eta_C2 = 70\% \)，此时直流功率\( P_D2 = \frac{P_O}{\eta_C} = 1428.57W \)，功率管耗散功率\( P_C2 = P_D2 - P_O = 428.57W \)。 3. **结论**：通过对比可以发现，随着集电极效率的提高，直流电源提供的直流功率\( P_D \)从2500W减少到了1428.57W，减少了约1071.43W；同时功率管耗散功率\( P_C \)也从1500W减少到了428.57W，同样减少了1071.43W。这表明提高集电极效率不仅能够减少功耗，还能提高系统的整体效率。 #### 三、低频功率晶体管3DD325的输出特性分析 这部分主要讨论了低频功率晶体管3DD325的输出特性及其在不同负载电阻\( R_L \)和不同激励条件下的性能表现。 1. **负载线的绘制**：负载线的绘制基于公式\( V_{CE} = V_{CC} - I_C \cdot R_L \)。负载线的位置取决于电源电压\( V_{CC} \)和负载电阻\( R_L \)的大小，它可以帮助我们确定晶体管在不同工作点下的性能。 2. **具体案例分析**： - **案例1**：当\( R_L = 10\Omega \)，且Q点位于负载线中点时，可以得到\( V_{CEQ1} = 2.6V \)，\( I_{CQ1} = 220mA \)等数据，进而计算出输出功率\( P_L = 264mW \)、直流功率\( P_D = 1.1W \)和集电极效率\( \eta_C = 24\% \)。 - **案例2**：当\( R_L = 5\Omega \)，且\( I_{BQ} \)与案例1相同，即\( I_{BQ2} = 2.4mA \)时，可以得到\( V_{CEQ2} = 3.8V \)，\( I_{CQ2} = 260mA \)，进而计算出输出功率\( P_L = 156mW \)、直流功率\( P_D = 1.3W \)和集电极效率\( \eta_C = 12\% \)。 - **案例3**：继续分析\( R_L = 5\Omega \)，且Q点位于放大区中点的情况，得到\( V_{CEQ3} = 2.75V \)，\( I_{CQ3} = 460mA \)，进而计算出输出功率\( P_L = 144mW \)、直流功率\( P_D = 2.3W \)和集电极效率\( \eta_C = 6.26\% \)。 - **案例4**：最后分析\( R_L = 5\Omega \)，且充分激励的情况下，可以得到\( V_{CEQ3} = 2.75V \)，\( I_{CQ3} = 460mA \)，进而计算出输出功率\( P_L = 517.5mW \)、直流功率\( P_D = 2.3W \)和集电极效率\( \eta_C = 22.5\% \)。 #### 四、不同甲类功率放大器输出电路的最大输出功率比较 题目中的三个甲类功率放大器采用相同的功率管和电源电压\( V_{CC} \)，分别采用了不同的输出电路结构。为了比较这三个电路的最大输出功率，可以通过绘制交、直流负载线来进行分析。 1. **输出电路a**：首先分析输出电路a的最大输出功率。在这个电路中，负载线的斜率与负载电阻\( R_L \)有关，通过交、直流负载线的绘制，可以计算出该电路的最大输出功率\( P_{L,a} \)与\( V_{CC} \)、\( R_L \)之间的关系，进而得出最大输出功率与电源电压的关系为\( P_{L,a,max} = \frac{1}{18}V_{CC}^2 / R_L \)。 2. **输出电路b**：接着分析输出电路b。这个电路的最大输出功率可以通过类似的分析方法得到，最终得出最大输出功率与电源电压的关系为\( P_{L,b,max} = \frac{1}{8}V_{CC}^2 / R_L \)。 3. **输出电路c**：最后分析输出电路c。同样的，通过交、直流负载线的绘制，可以计算出该电路的最大输出功率\( P_{L,c} \)与\( V_{CC} \)、\( R_L \)之间的关系，进而得出最大输出功率与电源电压的关系为\( P_{L,c,max} = \frac{1}{4}V_{CC}^2 / R_L \)。 三个甲类功率放大器的最大输出功率之比为： \[ \frac{P_{L,a,max}}{P_{L,b,max}} : \frac{P_{L,b,max}}{P_{L,c,max}} = 6 : 1 : 4 \] 这一比例反映了不同输出电路结构对功率放大器最大输出功率的影响。通过这样的分析，我们可以更加深入地理解不同电路结构在功率放大器设计中的作用和优缺点。