高频功率放大电路 (2).ppt
第3章 高频功率放大电路,3.1 概述 3.2 高频谐振功率放大器的原理和特性 3.3 高频谐振功率放大器的实际线路 3.4 功率合成与射频模块放大器,与低频功率放大电路一样，输出功率、效率和非线性失真同样是高频功率放大电路的三个与最主要的技术指标。不言而喻，安全工作仍然是首先必须考虑的问题。在通信系统中，高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分，用于对高频已调波信号进行功率放大，然后经天线将其辐射到空间，所以要求输出功率很大。输出功率大，从节省能量的角度考虑，效率更加显得重要。因此，高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。同时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用LC谐振回路作为选频网络，故称为丙类谐振功率放大电路。显然，谐振功放属于窄带功放电路。对于工作频带要求较宽，或要求经常迅速更换选频网络中心频率的情况，可采用宽带功率放大电路。宽带功放工作在甲类状态,利用传输线变压器等作为匹配网络,并且可以采用功率合成技术来增大输出功率。,.概述,我们知道，放大器可以按照电流导通角的不同分为甲类、乙类和丙类。导通角是指一个信号周期内集电极导通电流导通角的一半，导通角满足：0180。甲类功率放大器在整个周期内导通，=180，相同，输出波形不失真，极限效率50%。考虑到晶体管的饱和压降影响，实际的集电极效率只有35%。乙类功率放大器在半个周期内导通，=90。输出电流为余弦脉冲，含有丰富谐波。极限效率78%。考虑到晶体管的饱和压降影响，实际的集电极效率只有60%左右。丙类功率放大器仅在小于半个周期内导通，90。输出电流为余弦脉冲电流，有丰富谐波。由于负载为谐振网路，其选频作用使输出电压波形与输入激励信号的电压波形相同，集电极效率可高达85.9%。,图 3 1 晶体管高频谐振功率放大器的原理线路,工作原理 图3 1 是一个采用晶体管的高频谐振功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外,它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。,3.2 高频谐振功率放大器的原理和特性,1电流、电压波形 设输入信号为,则由图3 1得基极回路电压为,(3 1),周期性脉冲可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即,(3 2),(3 3b),(3 3a),(3 3c),图 3-2 集电极电流的波形,集电极电流电压波形,余弦脉冲,0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数。,图 3-3、0()、1()、n()与的关系,2 高频功放的能量关系 在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P0为,(3 4),集电极电源供给的直流输入功率PD为,(35),直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc,即,(3 6),Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率c为,(3 7),由式(3 6)、(3 7)可以得到输出功率P0和集电极损耗功率Pc之间的关系为,(3 8),设其基波电流振幅为I b1m,且与ub同相(忽略实际存在的容性电流),则激励功率为,(3 9),高频谐振功放的功率放大倍数为,(3 10),用dB表示为,(3 11),工程上通常用dBm作为功率的单位，转换式为10LgP(dBm)，其中P的单位是mW，例如：1mW=0 dBm，100mW=20dBm。,3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态 1 高频谐振功放的动特性 动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶 体管集电极电流ic与电极电压(ube或uce)的关系曲线,它 在icuce或icube坐标系统中是一条曲线。2 高频谐振功放的工作状态 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。,图 3-4 高频谐振功放的动特性,图 3-5 过压状态的ic 波形,3.2.3 高频谐振功放的外部特性 高频功放是工作于非线性状态的放大器,同时也可以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)。1高频谐振功放的负载特性 负载特性是指只改变负载电阻R，UBB(Eb)、UCC(Ec)和Ubm三个参数固定,高频功放电流、电压、功率及效率c变化的特性。,图 3-6 三种不同斜率情况下的动态线及波形分析,改变Vcm对Ic脉冲波的影响,由图3-6可知，UBB和UCC固定意味着Q点固定，Ubm固定进一步意味着也固定。放大区动态线斜率1/Rd将仅随R而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。1）动态线A1B1的斜率最大,即对应的负载R最小，相应的输出电压振幅Ucm1也最小，晶体管工作在放大区和截止区。2）动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点)，相应的输出电压振幅Ucm2增大，晶体管工作在临界点、放大区和截止区。,3）动态线A3B3的斜率最小，即对应的负载R最大，相应的输出电压振幅Ucm3比Ucm2略为增大，晶体管工作在饱和区、放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同，这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态，而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。注意,在过压状态时，iC波形的顶部发生凹陷，这是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。,图 3-7 高频谐振功放的负载特性,图 3 7(b)是根据图3 7(a)而得到的功率、效率曲线。,由图3-7可以看到,随着R的逐渐增大,动态线的斜率逐渐减小,由欠压状态进入临界状态,再进入过压状态。在临界状态时,输出功率Po最大,集电极效率c接近最大,所以是最佳工作状态。,Re变化时ic波形,2高频谐振功放的振幅特性,高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ubm，UBB、UCC、R三个参数固定时,放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。图3-8是利用折线化转移特性分析丙类工作时iC波形随Ubm变化的关系,并给出了Ucm、Ic1m和Ic0与Ubm的关系曲线。,图 3-8 放大特性分析,由图3-8可以看到，在欠压状态时，Ucm随Ubm增大而增大，但不成线性关系，因为也会随之增大，使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类或乙类工作状态时，固定为180或90,不会随Ubm的变化而变化，此时Ucm与Ubm才成正比关系。在过压状态，随着Ubm增加，Ucm几乎保持不变。,图 3-9 高频谐振功放的振幅特性,放大特性,3.高频谐振功放的调制特性 1)基极调制特性 若UCC、R和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随基极偏压UBB变化的规律被称为基极调制特性。,图 3-10 高频谐振功放的基极调制特性,由于UBB和ub是以串联迭加方式处于功放的输入回路，所以UBB的变化与ub的振幅Ubm的变化对输出电流iC 和输出电压振幅Ucm的影响是类似的。基极调制的目的是使Ucm 随UBB的变化规律而变化,所以功放应工作在欠压状态，才能使UBB对Ucm有控制作用。,3.高频谐振功放的调制特性 2)集电极调制特性,若UBB、R和Ubm固定，输出电压振幅Ucm随集电极电压UCC变化的规律被称为集电极调制特性。由图3-11(a)可以看到，UCC的变化使得静态工作点左右平移，从而使欠压区内的动态线左右平移，动态线的斜率不变。由图 3-11(b)可以看到，在欠压状态时，当UCC改变时，Ucm几乎不变。在过压状态时，Ucm随UCC而单调变化。所以，此时功放应工作在过压状态，才能使UCC时对Ucm有控制作用，即振幅调制作用。,图 3-11 集电极调制特性,集电极调制特性,4.小结 根据以上对丙类谐振功放的性能分析,可得出以下几点结论:(1)若对等幅信号进行功率放大,应使功放工作在临界状态,此时输出功率最大,效率也接近最大。比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大。(2)若对非等幅信号进行功率放大,应使功放工作在欠压状态,但线性较差。若采用甲类或乙类工作,则线性较好。比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大。,(3)丙类谐振功放在进行功率放大的同时,也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上,功放应工作在欠压状态；若调制信号加在集电极电压上,功放应工作在过压状态。(4)回路等效总电阻R直接影响功放在欠压区内的动态线斜率,对功放的各项性能指标关系很大,在分析和设计功放时应重视负载特性。(5)过压状态的放大器可视为恒压源，这时的谐振功率放大器可用作振幅限幅器。,基极调制,集电极调制,线性放大器和振幅限幅器的作用,3.3 高频谐振功率放大器的实际线路,3.3.1 直流馈电线路 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、Lb的应用方法。1集电极馈电线路 图3 12是集电极馈电线路的两种形式:串联馈电线路和并联馈电线路。图 3 12(b)中晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的,故称为并联馈电线路。,图 3 12 集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电,1集电极馈电线路,集电极串联馈电电路能否正常工作，关键是要看它对集电极电流中的Ic0、Ic1及Icn是否形成正确的通路。1）高频扼流圈Lb和电感线圈L直流电阻非常小，对直流电流Ic0相当于短路，不产生直流压降，这样一来，集电极直流电源几乎全部加在晶体管集电极上，满足对Ic0的要求。2）由于集电极负载回路对基波谐振，基波电流Ic1通过负载回路在回路两端有基波电压输出，负载回路一端到晶体管集电极对基波电流短路，另一端通过高频旁路电容Cc对基波电流短路接到晶体管发射极上，满足对Ic1的要求。3）既然Cc对基波短路，那么对高次谐波更是处于短路状态。由于集电极负载回路对基波谐振，所以对高次谐波来讲是处于失谐状态，于是高次谐波电流通过负载回路时，不产生高次谐波电流电压，故满足对Icn的要求。,图 3 13 基极馈电线路的几种形式,2基极馈电线路 基极馈电线路也有串联和并联两种形式。图3 13示出了几种基极馈电形式,基极的负偏压既可以是外加的,也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。,3.3.2 输出匹配网络 该双端口网络应具有这样的几个特点:(1)以保证放大器传输到负载的功率最大,即起到阻抗匹配的作用;(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率,即有良好的滤波作用;(3)大多数发射机为波段工作。,图3-14 串、并联阻抗转换,1.串并联阻抗变换,由图3-14可写出：,要使ps，必须满足:,(3-12),(3-13),按类似方法也可以求得:,(3-14),(3-15),由Q值的定义可知：,(3-16),将式（3-16）代入式(3-14)和(3-15)，可以得到下述统一的阻抗转换公式，同时也满足式(3-12)和(3-13)。,(3-17),(3-18),由式(3-18)可知，转换后电抗元件的性质不变，即电感转换后仍为电感，电容转换后仍为电容。当Qe1时，则简化为：,(3-19),(3-20),图 3 15几种常见的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)型,2.LC匹配网络 图3 15 是几种常用的LC匹配网络。,图 3 16 L型匹配网络(a)L-I型网络;(b)L-型网络,对于L I型网络有,(3 21a),(3 21b),(3 21c),对于L-型网络有,(3 22a),(3 22b),(3 22c),图3 16 是一超短波输出放大器的实际电路,它工作于固定频率。,图 3 17 一超短波输出放大器的实际电路,2 耦合回路 图3 18是一短波发射机的输出放大器，它采用互感耦合回路作输出电路,多波段工作。,图3 18短波输出放大器的实际线路,3.3.3 高频谐振功放的实际线路举例 图3 19(a)是工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路,它向50 外接负载提供25W功率,功率增益达7 dB。,图 3 19 高频谐振功放实际线路(a)50 MHz谐振功放电路;(b)175 MHz谐振功放电路,3.4 功率合成与射频模块放大器,3.5.1 功率合成器 功率合成器,就是采用多个高频晶体管,使它们产生的高频功率在一个公共负载上相加。图3 20是常用的一种功率合成器组成方框图。,图 3 20 功率合成器组成,由3dB耦合器原理可知,当两晶体管输入电阻相等 时,则两管输入电压与耦合器输入电压相等,在晶体管的输出端,当两管正常工作时,两管输出相同的电压,即 且,但由于负载上的电流加倍,故负载上得到的功率是两管输出功率之和,即,图 3 21 同相功率合成器(a)交流等效电路;(b)B信号源开路时的等效电路,当 时,由于流过负载的电流只有原来的一半,功率减小为原来的1/4,而A管输出的另一半功率正好消 耗在平衡电阻RT上,即有,图3 22是反相功率合成器的原理线路。输入和输出端也各加有3 dB耦合器作分配和合并电路。图 3 23 是一反相功率合成器的实际线路。它工作于1.5 MHz,输出功率100 W。,图 3 22 反相功率合成器的原理线路,图 3 23 100 W反相功率合成器的实际线路,图3 24是一个模块式射频部件的微带线电路板。它由A、B、C、D四个模块放大器级联组成。,图 3 24 一个模块式射频部件的微带线电路板,图-25 射频模块,
