模拟集成电路系统第3章N.ppt
第三章 高频功率放大器,第一节 窄带高频功放的工作特点第二节 丙类调谐功放的组成原理及分 析方法第三节 调谐功放实用电路第四节 宽带高频功放及功率合成,无线通信中，为了提高高频信号的功率，需采用高频功放，根据放大信号相对频带的宽窄分为:,1、窄带高频功率放大器（亦称调谐功放）它是以LC回路为负载，相对带宽10%；,2、宽带高频功率放大器 它以传输线变压器为负载，其相对带宽可30%,第三章 高频功率放大器,第一节 窄带高频功放的工作特点,调谐功放研究的重点问题是功率和效率问题。要提高效率必须使放大器工作在乙类或丙类，因此调谐功放的集电极电流导通角2，从而使晶体管进入非线性工作状态。它只有负载采用调谐回路，才能选出特定频率的信号，完成配合线性功放的任务，因而形成自己的工作特点:,.由于要求功率放大，所以工作在大信号情况下管子会进入 非线性区2.由于工作在丙类，所以Ube处于反偏，只有在导通角内才 有电流流通，ic是余弦脉冲，如图所示:,调谐功放的集电极电流波形,ic可用付氏级数表示如下:,直流分量,基波分量的幅值,n次谐波分量的幅值,3LC回路配合晶体管作线性放大,(1)从波形上看，Uc1与Ui 是倒相的，这是由于谐振时，谐振回路呈纯阻。,IC1cost,第一节 窄带高频功放的工作特点,Uc1cost,(2)为获最大功率，Uc1越接近于Ec越好。,3LC回路配合晶体管作线性放大,(1)从波形上看，Uc1与Ui 是倒相的，这是由于谐振时，谐振回路呈纯阻。,IC1cost,第一节 窄带高频功放的工作特点,Uc1cost,(2)为获最大功率，Uc1越接近于Ec越好。,第二节 丙类调谐功放的组成原理及分析方法,2.基极偏置 可以小于Ur的正偏置或负偏置构成丙类功放，偏置电路方式有四种，如图：,一、丙类调谐功放的组成原理,3集电极直流供电电路,优点：EC、LC、CC处于高频地 电位，分布电容不影响 LC回路。,(a)串联供电方式,串联供电方式,并联供电方式,-电源、匹配网络、功率管 相串联。如图,常采用的两种方式：,3集电极直流供电电路,优点：LC回路处于直流地电 位，L、C元件可接地，安装方便。,(b)并联供电方式,-电源、匹配网络、功率管相并联。如图所示,二、丙类调谐功放的分析方法,丙类功放情况下，功放管子工作在非线性，因此需用非线性电路分析方法，非常困难，所以一般工程上采用一种称为折线分析法的近似方法。这种方法是用几条直线组成折线近似代替非线性器件的实际曲线，使问题分析得以简化，如下图：,折线,折线,下面用折线分析法图示调谐功放进行分析：,1集电极电流 与导通角,（一）调谐功放的性能分析,t,2,icm,ic,所以，原式可表示为：,利用付氏级数分析,式中直流分量Ic0、基波分量Ic1、及n次谐波振幅Icn分别为,直流分解系数：,基波分解系数：,n次谐波分解系数：,为便于计算，将与关系绘成曲线如下图：,(1)一定时，1 2 3,即谐波次数越高，振幅越小(表明能量分布情况);(2)各次谐波对应有各自的最大幅值和零值；（所以可根据放大及抑制的谐波要求选择）,(4)当90时，3为负值，此时三次谐波分量的初始相位与基波、二次谐波初始相位相反，此时ic(t)中的Ic3cos3t为负值。,(3)（证明直流更多的转换为交流输出),2.集电极电源Ec提供的直流功率,3.集电极输出基波功率,其中，称为集电极电压利用系数；,R 谐振电阻,4.效率,5.集电极耗损功率Pc,即是说Pc也同导通角有关,显然，输出功率P0、效率与和有关，,P0；。,（二）调谐功放的动态分析,显然此为直线方程,令 则,设此点为B点,因为EbUr，所以ic为负值。但电流不可能倒流，所以B点为虚拟点。如图：,过A,B两点作动态负载线如图.,设此点为A点,令 则,Icm,ic,uce,uce,Uc,Ec-Uccos,Ec,N,G(Eb-Ur）,2,2,t,t,C,所以动态电阻,显然,Rc除取决于回路的谐振电阻R外,还是 的函数,注意,2谐振电阻R对集电极电流的影响,为讨论方便，假定Ec、Eb、Ui不变，以ib为参变量折线化后的输出特性曲线如下页图:(作出不同R时三条负载线),（1）R较小时（负载线1）：欠压状态Uc1较小，此时管子工作在放大区，ic受ib控制，Icm较大。,由于电压利用系数欠大，称为欠压状态。因此，Pc较大，不高。,（2）R适中（负载线2）：动态负载线恰好经过临界饱和线的拐点,此时Uc2较大，Icm减小不多。所以有较大的输出功率和较高的效率,称此为临界状态。,临界状态下，最佳电压利用系数：,最佳负载电阻：,（3）R较大时（负载线3）：此时管子工作在饱和区,ic受Uce的控制,称此为过压状态。,RUc3 ucemin动态工作点将向A移动当到达点A后,继续增加 ucemax，这时动态工作点将沿临界饱和线由AB，所以，此时电流为下凹的脉冲波，如图所示.,3.负载特性-,是指Eb、Ui及Ec不变时，调谐功放的输出电流、输出电压、功率、效率随回路谐振电阻R而变化的关系。,(1)Ic1、Ico、Uc随R变化,Uc=Ic1R,欠压时，R Ic1、Ico基本不变,Uc,过压时，R Ic1、Ico,Uc有少量增加,所以，Ic1、Ico、Uc随R变化曲线如图。,欠压,过压,临界,R,Ic1、Ico、Uc,Uc,Ico,Ic1,放大器的负载特性,(2)Po、Pdc、Pc、随R变化,欠压,过压,临界,R,c,Pdc,Po、Pdc、Pc、,Po,Pc,Pdc=IcoEc因为Ec=常数，所以Pdc的变化规律类似于Ico的变化规律。,po=Ic1Uc/2，在欠压区：Ic1基本不变，Uc线性增加所以Po也线性增加；在过压区：Uc基本不变，所以Po的变化规律类似于Ic1的变化规律。,Pc=Pdc-Po,放大器的负载特性,结论：,(1)欠压下，ic变化很小，相当于恒流源。适合于作线性功放，但。需要注意的是，R不可过小，否则Pdc过大，管子有可能损坏。,(2)临界：Po、都较高，适合做强放。,(3)过压下，Uc基本不变,相当于恒压源；较高；适合做中间级，向后级提供稳定的激励电压。但R过大，会使输出非线性失真增加。R过大 Uc过大uce=Ec+Uc(t)BUceR，会击穿管子。,第三节 调谐功放实用电路,一、160MHZ、13W调谐功放电路,基极采用自给偏压，使之工作在丙类。C1、C2、L1、L2、C3、C4分别为输入、输出匹配网络。集电极供电为并联供电方式。此电路的功率增益可达9dB，可向50负载提供13W的功率。,电路如图所示.,二、175MHZVMOS管调谐功放电路,电路如图所示,栅极采用了C1、C2、C3、L1组成的T型匹配网络,漏极采用L2、L3、C6、C7、C8组成的型匹配网络,栅、漏极均采用并联供电.,VMOS管的主要优点：,动态范围大、输入阻抗高（可达108）等.,本电路的功率增益可达10dB,效率大于50%，可向50的负载提供10W功率,三、50MHZ、25W调谐功放电路,电路如图所示,L2、L3、C3、C4构成型匹配网络，集电极采用并联供电方式。,本电路的功率增益为7dB,可向50的负载提供10W功率。,第四节 宽带高频功放及功率合成,它不能满足高频宽带功放的需要，因此对多通道通信系统的宽带高频设备，必须采用高频宽带功放。,前述调谐功放，优点:,效率高,缺点:,调谐复杂，相对带宽窄.,第四节 宽带高频功放及功率合成,当要求大功率输出时，需采用功率合成技术。,高频宽带功放:负载是传输线，相对带宽较宽，,其最高f可达上千兆赫,这类功放的缺点：,低，功率小。,一、传输线变压器（一）传输线变压器的结构与等效电路如下图：,传输线变压器与普通变压器的传递能量方式不同，前者是在两导线间介质中传播，而后者是通过磁力线感应的能量传递给负载。,1：1倒相传输线变压器的结构：用两根等长的导线紧靠着绕在磁环上构成,原理图,等效电路图,（二）传输线变压器的宽带特性,高频情况下，两根导线上固有的分布电感、电阻和线间分布电容不可忽略，其等效电路如下图：,由等效电路，,其中 称为相移常数，：传输线长度。,当传输线无损耗或工作频率很高时,特性阻抗,所以，传输线输入阻抗,2。当高频工作时,，RL上得到的功率也是频率的函数,即传输线有一定上限频率。,其中,传输线变压器依靠传输线传递能量，其上限条件 取决于传输线、终端的匹配程度和传输线长度，下限条件取决于初级绕阻线圈电感量。,使 即终端匹配，这样 Zi与频率无关,带宽趋于无穷大.使 在此情况下,传输线上各点电压,电流相等.,要扩展上限频率,途径有两条:,结论：,（三）几种实际的传输线变压器,1.1：1传输线变压器（亦称倒相变压器）:,因为无耗，所以称为1：1倒相传输线变压器。要获得最大功率输出，信号源与传输线、传输线与负载均应匹配,此时,如图所示,（三）几种实际的传输线变压器,1.1：1传输线变压器（亦称倒相变压器）:,实际当中RL=Rs的情况很少，因此1：1传输线变压器很少作为阻抗匹配元件，更多的是做倒相器或进行不平衡-平衡或平衡-不平衡转换。,这两种转换电路分别如图所示,不平衡-平衡转换,平衡-不平衡转换,24：1或1：4传输线变压器：用作阻抗变换,（三）几种实际的传输线变压器,如图所示,(a),(b),以(a)为例进行分析:,若为理想传输线，并实现了阻抗匹配，则,若传输线很短,则有U1=U2,I1=I2,由图可知，IL=I1+I2=2I2所以有,因此，Ri=2ZC=4RL，实现了4：1的阻抗变换。,3高变换比传揄线变压器,当变换比高于4：1时，称为高变换比传输线变压器，如9：1、16：1传输变压器等。这里我们给出两种不同电路形式的9：1传输线变压器：,（三）几种实际的传输线变压器,由图(a)电路可以看出，它实际上是由两个相同的传输线变压器构成的，由于3,5端相接,所以两初级绕组的电流是相等的,即,在传输线无损时，U1=U1=U2=U2,所以 Ui=U1+U2+U2=3U2=3UL 即 UL=Ui/3,而 IL=I1+I2+I2=3I1=3Ii,图（b）构成原理与4:1相似,等效为匝比为3:1的变压器，阻抗变换比为9:1。在无损匹配条件下，负载将获得全部信号源输入功率。即,这种传输变压器结构简单，易于实现，但缺点是各初级绕阻过长时会由于分布参数影响，难以匹配,PL=ILUL=Pi=IiUi-(A),U3-4=U5-6=U7-8=U1-2=U,I1,由(A)(B)式,有,所以 Ui=U3-4+U5-6+U7-8=3U-（B）,即 UL=ILRL=U1-2=U=Ui/3-（C）,所以,即 Ri:RL=9:1,二、宽带功放实例,第一,二级均采用分压式电流负反馈偏置电路以保证放大器工作在甲类线性状态。第一级输出接2个串接的4:1阻抗变换电路,获得16:1的变比，以实现一、二级间的阻抗匹配。第二级输出采用4:1阻抗变换电路，实现高阻输出与低负载的匹配。,典型电路如图：,三、功率合成技术：,利用多个功放同时对输入信号放大，然后利用合成技术将多个输出功率相加，获得一个总功率（可达数千瓦）,功率合成器的构成是以传输线变压器为基础，附加电阻等元件。其原理框图如图：,理想合成器条件：,(1)无损地合成各功放的输出功率;,(2)各单元间有良好的隔离作用;,(3)具有宽带特性.,（一）功率分配原理,将输入功率均等地分配给多负载的网络，称为功率分配网络或功率分配器。其中最常见的是功率二分配器，除此尚有三分配、四分配器等。,其中，H1为分配网络；H2为合成网络。,（一）功率分配原理,功率二分配器原理电路如图,图中用了1:1传输线变压器,其作用是不平衡-平衡转换,将信号源功率分配在负载电阻Ra、Rb上,由于Ra、Rb上的电流方向相同,故为同相输出。,1.两负载均分功率的条件 由等效电路可求电流之间的关系,由上式可求得:,由于Id=0,所以Ud=0,则A,B两点等电位,相当于Ra,Rb并联.所以功率源US的总负载,为使信号源提供最大功率输出,要求信号源内阻Rc与特性阻抗Zc、负载电阻RAB相匹配,即,此时信号源最大功率输出,流过Ra Rb的电流为,每一负载所获得的最大功率,A,B端均取得最大输出功率的一半.,-,2.两输出端相互隔离的条件,所谓两输出端相互隔离是指当两负载中任一负载发生变化甚至损坏时,不影响另一负载所获得的功率.,现设Ra值变,Rb保持不变,这使Ia0 破坏网络中的平衡关系.,若令Rd=2R,则有Us=2R(It+Id)=2RIb,即对比式,二者完全相同.,这表明:当满足 Rd=2R=2Rb 的条件时,不管Ra如何变化,Rb上所获功率并不改变,所以他们之间完全隔离的条件是:,可见,Rd的作用是吸收一端负载改变的功率,以保证另一端不变负载所获功率不受影响.如果把信号功率由Rd支路引入,而Ra,Rb仍为负载,则构成反相二分配器,分析方法相同.,Rd=2R,同相功率合成器,反相功率合成器,（二）功率合成原理,功率合成器亦分为同相功率合成器、反相功率合成器两种:,以同相功率合成为例，分析一下它的合成条件和隔离条件：,1功率合成条件,由图可知,若电路工作在平衡状态,两功率源向回路提供同幅、同相的电功率,即:,将此代入式 得Id=0;代入式 得Ic=2I所以在平衡时,平衡电阻Rd并不消耗功率.,所以功率合成条件为：,2功率输出端的隔离条件,所以隔离条件为,则由图可见,应该指出：合成条件+隔离条件是功率合成器正常工作的必要条件，缺一不可。以上分析同样适合反相功率合成。当采用反相功率合成时，A、B两端功率源必须输出同频、等值、反相的电流，输出负载不是Rc而是Rd，此时Rd上获得的是功率源之和，Rc上获得两功率源输出功率之差。,由上可见:功率合成、分配网络结构相同，只是信号注入点、取出点不同。特作小结如表所示.,还需指出：基本混合网络的D-D端对地是平衡的，当需D端接入不平衡信号时，可用1：1传输线变压器作平衡-不平衡转换，根据阻抗特性定义，1：1传输线变压器的特性阻抗Zc=2R。,（三）功率合成与分配实例,1功率二分配器电路,电视天线公用器中使用的二分配器电路如图,图中Tr2为4:1传输线变压器.Tr1为2:1阻抗变换器,它使分配网络的输入端(阻抗为37.5欧)与信源(75欧)匹配,电容C是为了抵消引线电感的影响,改变C可使系统达到最佳匹配.R为平衡电阻,理论上应为负载电阻的二倍,但为补偿传输线损耗,R应在实际中调整.,2反相功率合成电路实例,信号由D端输入,A、B两端得到反相激励功率,阻抗为D端的一半,即由25转换到A B端的12.5,再经4:1阻抗变换器Tr3、Tr4与晶体管的输入阻抗（3）相匹配,而反相功率加到Tr5合成网路的A、B输入端,在D端获得两功率之和,且D支路中的阻抗应为A、B支路的一倍，R（=6）为平衡电阻.,Tr3、Tr4的特性阻抗,Tr1、Tr6的特性阻抗,Tr2、Tr5的特性阻抗,电路优点,1.信号失真小(因为对称,无偶次谐波)2.输入阻抗高,使引线电感影响减小。,本 章 小 结,1高频功放的分类2窄带高频功放的工作特点、原理及分 析方法3宽带高频功放的工作特点、功率的合成与 分配及条件4功率合成小结表,
