通信电子电路课件第4章.ppt

通信电子电路第4章 发射通道电路,4.1概述4.2C类功率放大器4.3直流馈电电路和匹配电路4.4C类射频功率放大器的倍频功能4.5高效率射频功率放大器,4.6射频功率放大器的实用电路4.7集成射频功放组件及其应用4.8功率合成技术本章小结,4.1 概述,射频直接调制发射系统框图,发射系统的任务：将包含信息的基带信号转换成高频大功率的已调信号，然后由天线发射出去。本章涉及的内容是：射频功率放大器、匹配电路及C类倍频器射频功放的主要指标：输出功率、效率、功耗、激励电平、失真等射频功放特点：工作频率高，相对频带窄，负载为选频电路,4.2 C类功率放大器,4.2.1 基本概念及电路构成,一、基本概念,发射系统中为什么使用高频功率放大器？高频振荡器所产生的高频振荡信号的功率较小，不能满足发射功率的要求，所以在发射之前要经过功率放大后才能获得足够的输出功率。,高频谐振功放和低频谐振功放的异同,高频谐振功放的分类,1）按照高频功率放大器的工作频带的范围 窄带高频功率放大器：谐振回路作负载 宽带高频功率放大器：非选频负载2）按照信号在一个周期内晶体管的导通状况（导通角）A（甲）：B（乙）：C（丙）：其中C类功放的输出功率和效率最高负载无调谐（纯阻）时输出电压波形负载为选频回路时输出电压波形,3）按照晶体管的等效作用划分 晶体管等效为一个受控电流源：A、B、C类 电子器件工作于开关状态：D、E类,二、电路构成,（a）原理电路,（b）等效电路,电路的组成部分：功率放大管 输入回路和输出谐振回路 集电极电源和基极偏置电路基极电流 和集电极电流 特点：均为一系列高频尖顶余弦脉冲波形谐振回路负载的作用：滤除 中的谐波分量 阻抗变换与匹配,4.2.2 工作原理及性能指标,一、晶体管特性曲线的折线化及其解析式,输入特性,转移特性,输出特性,为发射结导通电压 为转移特性的斜率由转移特性得：,二、集电极电流,在原理图中，设基极输入为：,则基射极间有效电压为：,集电极电流波形,输入电压波形,集电极电流波形,输出电压波形（谐振负载）,集电极电压波形,若：,晶体管截止，集电极电流,若：,发射结导通，,集电极电流,将上式代入 得：,当（导通角）时，,得：,为晶体管导通角,将上述ic表达式整理后可得：,当 时，,得：,最终得到ic的解析表达式：,将上式展开为傅里叶级数：,为 脉冲的直流分量,为基波分量,为各次谐波分量,记作：,、称作尖顶余弦脉冲的分解系数,波形系数：,取0180度分解系数与波形系数曲线,由分解系数与波形系数曲线图得出的几点结论：,1）导通角，影响直流工作点，不同，电路的直流静态 工作点将会不同，功率放大器将会工作A、B、C 类。2），此时，输出功率将达到最大值。3）当 时，达最大值；当 时，达最大值。,三、高频功率放大器的功率和效率分析,集电极直流电源 提供的直流输入功率：,集电极输出功率：,集电极损耗的功率：,集电极效率：,称为集电极电压利用系数,当 时，电压利用系数最大,几点结论：1）集电极效率受 和 共同制约；2），极端情况，达 到最大，若，但；3）增大 和 的值是提高高频功放效率的措施；4）增加，可提高输出功率；5）与 的增大是矛盾的；6）时，最大，输出功率最大，但 较小，集电极效率仅为64%左右；7）为了兼顾功率与效率，通常取。,高频功率放大器的动态特性,一、动态特性方程 在考虑了负载的反作用后，所获得的、与 的关系曲线叫做动态特性（曲线）,由原理图可得出高频功放外部电路输入输出端的电压方程为：,晶体管在放大区的折线方程为：,（1）,（2）,（3）,将式（1）代入式（3）可得：,由式（2）得到：,（4）,（5）,将式（5）代入式（4）得：,（6）,式（6）称为放大区动态特性曲线方程式中：,表示动态特性曲线的斜率,表示动态特性曲线在 轴上的截距,动态特性曲线的画法,二、谐振功率放大器的工作状态高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态,三种工作状态的电流电压波形,1）欠压状态，A点落在输出特性放大区 波形为尖顶余弦脉冲2）临界状态，动态特性曲线与临界饱和线，以及 对应的静态特性曲线，三线相交于一点 波形仍然为尖顶余弦脉冲 输出功率 达到最大值 临界状态所需的集电极负载电阻称为最佳负载电阻，以 表示,3）过压状态，动态特性曲线与 所对应的静态特性 曲线的交点将沿临界饱和线向下移动，交点位于饱和区 集电极电流沿临界饱和线下降，的波形顶部出现凹陷 输出功率减小，但效率会有所提高，并且在弱过压状态效率 达到最大值,三、谐振功放的负载特性、和 保持不变，负载 变化时，放大器的电流 和、电压、功率、和 以及效率 随之变化的特性。,负载特性曲线,欠压状态下，可将放大器视为恒流源；过压状态下，可将放大器视为恒压源。,四、放大特性、和 保持不变，改变输入激励电压 振幅，放大器的电流 和、电压、功率、和 以及效率 随之变化的特性。,Icm1,放大特性,Ubm,工作在欠压状态下，基极激励电压的变化能有效地控制负载上输出电压，功率的变化,1.集电极调制特性、和 保持不变，改变集电极偏置电压 的值，放大器的电流 和、电压、功率、和 以及效率 随之变化的特性。,五、调制特性,在过压状态下，集电极电源电压的变化能有效地控制负载上输出电压的变化。集电极调幅运用在此状态。,（b）,（c）,2.基极调制特性、和 保持不变，改变基极偏置电压 的值，放大器的电流 和、电压、功率、和 以及效率 随之变化的特性。,在欠压状态下，基极偏置电压的变化能有效地控制负载上输出电压的变化。基极调幅运用在此状态。,临界状态：最大，较高，为最佳工作状态，常用于发射机末级。过压状态：输出电压基本不变，弱过压时 最高，但 下降，常用于发射机中间级和集电极调幅电路中。欠压状态：较小，较低，大，输出电压不稳定，使用较少，但可用于基极调幅电路中。注意：负载短路很危险，此时 为0，最大，超出晶体管安全工作范围，容易烧毁管子。,小结,六、调谐特性 实际电路在调试过程中，负载是一个电抗，当改变回路电容 时，功放的外部电流、和电压 等随 变化的特性称为调谐特性。,Ucm1,Icm1,高频功放的调谐特性,工程中可以利用 或 出现的最小值，或者利用 出现的最大值来指示功率放大器的调谐。,注意：1）高频功率放大器应经常保持在谐振状态，以防止晶体管过热而损坏。2）为使功率放大器安全而有效地工作，在谐振功率放大器调试过程中，首先要进行调谐，使集电极回路谐振于工作频率，然后是调整。,4.3 直流馈电电路和匹配电路,4.3.1 直流馈电电路,直流馈电电路的三条构成原则（1）对直流：电源 不能被短路，直流电流分量 必须有通路，以保证 能加到集电极（2）对基波（高频）：负载电压 不能被短路，电流 也必须有通路（即不能开路），以保证回路有高频输出功率（3）高频电流不能通过直流电源（但直流可以通过交流回路），以免产生寄生耦合与高频损耗，因此管外电路对于高次谐波 来说，应该尽可能地接近于短路,（a）直流（b）高频基波（c）高次谐波,集电极电路对不同频率电流的等效电路,一、集电极馈电电路 分为串馈和并馈 串联馈电：就是功率管、负载回路和直流电源三部分在物理上是串联连接的。并联馈电：将上述三部分并联。,（a）串联馈电（b）并联馈电,集电极馈电电路,两种馈电方式有相同的直流通路，都能全部加到集电极上，不同的仅仅是LC负载回路的接入方式。,二、基极馈电电路 分为串馈和并馈 对基极馈电电路的要求 在交流通道，信号电压要有效地加到基极和发射极之间，而不被其他元件旁路或损耗 在直流通道，偏置电压 要有效地加到基极和发射极之间，而不被其他元件旁路,（a）串馈电路（b）并馈电路,基极馈电电路,自给偏压的方法来产生基极偏置,自生偏置产生的条件：1）存在非线性导电现象；2）有储能元件（如电容）；3）储能元件的放电时间常数足够大。注意：自生反偏的大小将随输入信号大小变化，输入大，反偏就大，具有稳定输出地效果，要消除反偏只要破坏以上条件之一即可。,4.3.2 匹配电路,为什么需要匹配电路？能够获得最大输出功率时的负载为最佳负载。匹配电路可使实际负载与最佳负载匹配，使放大器传输到负载的功率最大。,高频功率放大器的匹配网络,对匹配电路的要求（1）使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗匹配，起到匹配网络的作用。（2）抑制工作频率范围以外的不需要的频率分量，即它具有良好的滤波作用。（3）在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地将功率传送到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,一、串、并联阻抗变换,式中品质因数：,或,解得：,二、三种不同形式的匹配网络 主要有三种基本连接方式：L型、型和T型,1.L型匹配网络,（a）（c）,图（a）中：,其中：,（b）（d）,图（b）中：,其中：,2.型匹配网络 型匹配网络指三个电抗接成“”型结构的匹配网络，其中两个支路是同性电抗，另一个支路则是异型电抗,（a）,（b）,元件设计关系式：,3.T型匹配网络 T型匹配网络指三个电抗接成“T”字型结构，其中两个串联支路为同性电抗，一个并联支路为异型电抗,（a）（b）,T型匹配网络可以看成两个L型网络串接组成,（a）（b）,T型网络的分解,对图（a）网络,对图（b）网络,4.4 C类射频功率放大器的倍频功能,如果集电极回路不是调谐于基波，而是调谐于输入信号频率的n次谐波上，输出谐振回路就只有 的n次谐波分量产生的高频电压，而其他频率分量产生的电压均可忽略，因而在谐振阻抗 上可得到频率为输入信号频率n倍的输出信号功率。,二次谐波倍频器谐振回路的阻抗特性曲线,余弦尖顶脉冲的谐波分量：,取最佳导通角使输出电流 最大：,则,则,n次倍频器的输出功率为：,其中,n次倍频器的效率为：,其中,结论：n次谐波倍频器的输出功率正比于n次谐波的分解系数,注意：（1）倍频器虽然处在发射机的中间级位置，但它很少工作于过压状态，一般工作于欠压状态。（2）三极管倍频器的倍频次数一般只限于二倍频或三倍频 原因有三：1）n越大，最佳导通角 越小，若还要保持 不变时，其所需的反向偏置与高频激励电压振幅就要很大，这时很容易发生发射结击穿。2）倍频次数越高，倍频器对输出谐振回路提出的滤波要求就越高，因而难以实现。3）倍频次数过高，三极管倍频器的输出功率和效率就会过低。,4.5高效率射频功率放大器,A、B、C类放大器采用减小电流导通角 的方法，来提高放大器的效率，但是 的减小是有限度的。在晶体管导通期间，虽然ic0，可以通过使集射极间电压 或很小，可使管耗 或减小，来提高效率。高效率的射频功率放大器分为两种：D（丁）类、E（戊）类,4.5.1 D类高频功率放大器 D类功率放大器的晶体管工作于开关状态：导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大。这样就使集电极耗散功率大大减小，功放的效率大大提高，理想情况下效率可达100%。,（a）电压开关型,电压开关型等效电路,（b）电流开关型,实际上，考虑到管子结电容和电路分布电容等的影响，管子从导通到截止或者从截止到导通都需要经历一段过渡时间。因而 不是理想的方波，而是存在上升沿和下降沿，转换期间存在一定的电压和电流，使管耗增加，效率降低，并限制其实际应用中上限频率的提高。,D类功率放大器的电流电压波形,放大器输出到负载上的功率为：,电源供给功率为：,集电极效率为：,与C类功放相比，D类特点：,优点：（1）高次谐波输出小。因为方波信号中，谐波 分量只有奇数次。（2）效率高。,缺点：,工作频率受限制。因为频率较高时，须考虑开关转换时间，功耗随频率增高而增加，失去了其优势。,4.5.2 E类高频功率放大器,当开关导通（或断开）的瞬间，只有当器件的电压（或电流）降为零后，才能导通（或断开）。,E类功放减小功耗的方法：（1）功率管截止时，使集电极电压 的上升沿延迟到集电极电流 为零以后才开始；（2）功率管导通时，迫使 以后，才出现 脉冲。,注意：1）D类、E类功放管都是工作在开关状态，开关频率受器件发展的限制，因此其工作频率受限。2）D类功放和E类功放的输出信号幅度与输入信号幅度没有线性关系，所以不能放大调幅信号。,4.6射频功率放大器的实用电路,4.6.1 35W线性功率放大器,4.6.2 25W高频功率放大电路,4.7集成射频功放组件及其应用,集成射频功放组件是在微波集成电路基础上，用表面贴片封装工艺将多级功率放大器高密度组合装配在微带基片上，再封装而构成的功率模块电路。在VHF和UHF频段，已经出现了一些集成高频功率放大器件，如日本三菱公司的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列。,Motorola公司MHW系列部分功放器件电特性,MHW105外形图,M57704内部电路图,M57704H典型应用电路,GSM宽带射频功放电路,在射频集成功率组件电路中，功放电路的输入输出匹配网络常用微带结构,在功放集成组件中，除了功放电路微带结构和功率管贴片安装外，其他元件几乎都采用平面集中元件，常用的平面集中元件有平面电容、平面电感和平面电阻等。,4.8功率合成技术,传输线变压器,宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络,能在很宽的频带范围内获得线性放大。最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器作耦合电路的放大器。宽带变压器有两种形式：1）利用普通变压器的原理，只是采用高频磁芯（短波）2）利用传输线原理与变压器原理二者结合的传输线变压器,现代通信的发展趋势之一：在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。为满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器。,由于宽带放大器没有选频作用，输出信号中谐波干扰较大，故一般只工作于非线性失真较小的A类或AB类，不适宜工作在B类或C类。,对宽带放大器的主要要求：通频带要宽，失真要小，放大倍数要大,一、传输线变压器的工作原理传输线：是指连接信号源和负载的两根导线，在低频工作时（信号波长导线长度），传输线就是二根普通的连接线；而在高频工作时（信号波长与导线长度可以比拟），二根导线上的固有分布电感和线间分布电容的影响就不能忽略。此时，在输入和输出端之间，通过导线的电流和线间的电压无论在幅度和相位上都是不同的。,传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的,以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。具有传输线和变压器两种工作方式。,（a）结构示意图,（b）传输线形式原理电路,（c）普通变压器的原理电路,（d）传输线变压器等效电路,1：1传输线变压器,作为传输线变压器，1、4（或2、3）两端必须同时接地。传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不同的。普通变压器信号电压加于初级绕组的1、2端，使初级线圈有电流流过，通过磁力线在次级（3、4端）感应出相应的交变电压，将能量由初级传递到负载。而传输线变压器的信号电压却主要加于1、3端，能量在两导线间的介质中传输，自输入端到达输出端。也就是说加于负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。,注意：1）传输线变压器中，线间分布电容不是影响高频能量传输的不利因素，反而是电磁能转换的必不可少的条件，即电磁波赖以传播的重要因素。2）电磁波主要是在导线间介质中传播的，因此，磁芯的铁磁损耗对信号传输的影响也就大为减小。传输线变压器的最高工作频率就可以有很大提高，从而实现宽频带传输。,二、传输线变压器的特性 传输线变压器具有良好的频率特性是由它的传输线工作模式决定的。,1）传输线变压器的两种工作方式分别在不同的频段起作用：在高频率时，传输线模式起主要作用，此时初次级之间的能量传输主要依靠线圈之间分布电容的耦合作用 在低频率时，变压器模式起主要作用，初次级之间的能量传输主要依靠线圈的磁耦合作用,2）对于理想的、无损耗的传输线，其特性阻抗是一个与频率无关的电阻：,3）无损耗和终端匹配（）的传输线，在传输线的任一位置处的电压和电流幅度处处相等，方向相反，电流产生的磁通只存在于两导线间，并且 具有无限宽的工作频带（上限频率无限大，下限频率为零）。,4）当传输线终端不匹配时，即，输入阻抗 不再是纯电阻，而是与频率有关的复阻抗，传输线上限频率受到了限制，而下限频率仍为零。5）为扩展上限频率，首先要求 尽可能接近，即终端尽可能接近匹配；其次尽可能缩短传输线长度l。工程上要求，是上限频率对应的波长。6）由于传输线变压器又具有变压器结构，而普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。,总结：传输线变压器是依靠传输线传送能量的一种宽带匹配元件，它的上限频率取决于传输线的长度及其与终端的失配程度；下限频率取决于初级绕组线圈的电感量，扩展上限频率和扩展下限频率是矛盾的。,三、传输线变压器的应用,1.高频导相器,2.不平衡、平衡变换器,(a)平衡-不平衡（b）不平衡-平衡,3.阻抗变换器 传输线变压器可以实现某些特定阻抗比的变换，1：4与4：1阻抗比的传输线变压器是最常用的宽带阻抗变换器。,（a）（b）,（c）,1：4阻抗变换传输线变压器,（d）（e）,（f）,4：1阻抗变换传输线变压器,还可以构成1：9、1：161：（n+1）2的传输线变压器。若将上述电路的输入端、输出端互换（即信号源与负载互换），相应变为9：1、16：1的传输线变压器，工作原理相同。,功率合成与分配,功率合成技术：当需要输出的功率超过单个晶体管的输出功率时，将多个晶体管放大后的输出功率叠加。功率分配技术：将某一高频信号，通过网络均匀地、互不影响地同时分配给几个独立的负载，每个负载得到相同的功率，其上的电压（或电流）相位相同或相反。合成与分配是同一个网络，只是把两者的信号源与负载的位置相互对调。,功率合成器原理方框图,一、魔T网络的结构特点 利用1：4传输线变压器组成的魔T网络可以实现功率合成与分配功能,（a）传输线变压器形式（b）变压器形式,1：4传输线变压器组成的魔T网络,（a）A、B端反相激励（b）变压器形式电路,反相功率合成,（a）同相功率分配,（b）反相功率分配,功率分配单元,用混合网络构成的功率合成与分配器，其各端口存在确定的关系，称为魔T混合网络。如下图：C端的功率被同相分配到AB端，为同相功率分配；AB端功率合成从C端输出；D端功率被反向分配到AB端，为反相功率分配；,A,B,C,D,0,0,0,180,二、功率合成电路实例,反相功率合成电路,反相功率合成器的优点是：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边工作时高，因而引线电感的影响减小。,本章小结,介绍并分析发射系统中的两个重要的功能电路射频功率放大器和匹配滤波网络，有关功率合成技术也做了相应的介绍,1）掌握C类功率放大器的工作原理，外部特性，负载特性和倍频特性。2）掌握L型、型和T型三种类型的匹配滤波网络的基本构成和参数设计。3）理解高效率射频功率放大器的设计思路。4）了解射频功放组件。5）掌握传输线变压器工作原理及其应用，理解功率合成与分配技术。,知识要点总结：,（1）A、B、C类放大器对应的导通角分别是、和小于，通过减小导通角来提高放大器的效率。但从ABC类，放大器的功率增益降低。C类功率放大器虽然有很高的效率，但它的高效率（）和大的输出功率（）不可能同时取得，也就是说它不可能达到“满输出功率的效率”（efficiency at full output power）。（2）在信号的一个周期内，C类放大器只在导通角 的2倍时间内导通。C类放大器的集电极电流 是脉冲，因此在集电极必须设置LC选频回路，以保证输出所需频率的功率。,（3）C类谐振功率放大器效率高的原因在于导通角 小，也就是晶体管导通时间短，集电极的功耗小。导通角 越小，将导致输出功率越小。因此要兼顾效率与输出功率来选择合适的导通角。（4）C类功率放大器的三种工作状态，分别是欠压、过压和临界状态。工作在不同状态下，将对放大器性能产生不同影响，临界状态是谐振功率放大器理想的工作状态。（5）C类功率放大器可以实现倍频和调幅功能。作倍频器时，倍频次数不宜过高，一般为二倍频或三倍频。基极调幅功率放大器应工作在欠压区，集电极调幅功率放大器应工作在过压区。,（6）C类功率放大器的馈电电路为功率放大器提供直流偏置，具体分为基极馈电和集电极馈电，又各自有串馈和并馈两种形式。C类功率放大器的基极偏压为负偏压，常采用自给偏压来实现负偏压。（7）匹配电路主要实现阻抗变换与滤波，主要有三种基本连接方式：L型、型和T型。C类功率放大器中，广泛应用LC谐振回路来实现调谐和阻抗匹配。（8）D类、E类功率放大器功率管工作在开关状态下，以尽量降低管耗的办法，来提高功率放大器的效率，但工作频率受限。（9）宽带高频功放采用非调谐方式，工作在A类状态，采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配，并利用功率合成技术增大输出功率。,（10）由传输线变压器构成的魔T网络既可用于功率分配，又可用于功率合成。魔T网络各臂的阻抗必须严格匹配，这样才能保证它的平均分配、信号源输出额定功率以及各臂间的隔离特性。带有魔T网络的功率合成电路是一种宽带线性放大器。,