第十章 高頻功率放大器,功率放大器概述各類功率放大器功率合成電路,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,2,第十章 內(nèi)容目錄,10.1 概述10.2 高頻功率放大器的分類10.3 A、B類功率放大器A類放大器、B和AB類放大器10.4 C類功率放大器電路組成與特點、動態(tài)負載線、輸出功率與效率倍頻與調(diào)制特性、C類放大器的饋電電路10.5 高效率高頻功率放大器D類高頻功率放大器、E類高頻功率放大器10.6 高頻功率放大器設(shè)計晶體管大信號參數(shù)、設(shè)計舉例10.7 功率合成電路魔T網(wǎng)絡(luò)、功率合成電路,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,3,101 概述,一、功率放大器的工作特點,功率放大器的主要目標是要得到足夠大的信號功率輸出。在滿足這個目標的前提下，還要盡量追求具有比較高的效率、比較小的失真、比較低的電源電壓等方面的指標。,從功放的使用要求來看，根據(jù)其工作頻率范圍大體上可分為兩類：寬帶功放（f0/BW0.710)。在RF頻率范圍內(nèi)，多數(shù)采用窄帶功放電路。,高頻功率放大器由：晶體管、偏置電路、扼流圈、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和負載共同構(gòu)成。其工作特點是：低電壓、大電流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,4,101 概述,高頻大電流工作引起的幾個問題：a、大電流工作對晶體管的制作工藝提出了特定要求，大電流與芯片面積、極間電容間的矛盾；b、高頻率工作所引起的電路寄生參數(shù)影響增大的問題，以射極引線電感為代表；c、大功率與晶體管相對較小的輸入輸出阻抗引起的匹配上的問題；d、大電流引起的消耗功率。,高頻放大器實現(xiàn)時，通常采用單管放大，并使用共射（共源）組態(tài)。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,5,101 概述,二、高頻功率放大器性能指標,集電極效率,功率增加效率,雜散輸出與噪聲線性特性,功率：手持機功率一般為0.30.6W, 基站為10100W,效率：功放的重要指標。直流電源提供的能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘栞敵?，另一部分則消耗在晶體管及耦合電路上。損耗的存在不僅導(dǎo)致經(jīng)濟指標的下降，更重要的是它轉(zhuǎn)換成熱能后會使晶體管的溫度迅速上升，對電路的正常工作造成嚴重影響。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,6,101 概述,從Pc的表達式可以看出，對于工作在放大區(qū)的晶體管電路來講，減小晶體管的導(dǎo)通時間是提高效率的一個有效途徑。 B類放大器：q=90o ，放大/截止區(qū)工作，推挽輸出。 C類放大器：qD類放大器：飽和/截止區(qū)工作，低通濾波(續(xù)流)輸出。,下面是計算功率和效率的一些主要關(guān)系式：,提高效率的途徑,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,7,102 高頻功率放大器的分類,按照晶體管導(dǎo)通情況按照晶體管等效電路,A類在信號的一周期內(nèi)管子均導(dǎo)通B類在信號的一周期內(nèi)管子只有一半時間導(dǎo)通C類導(dǎo)通時間小于一半周期,A、B、C屬于一類，晶體管等效為一個受控電流源D、E、F屬于一類，晶體管等效為受輸入信號控制的開關(guān)。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,8,103 A、B類功率放大器,A類功率放大器,為了獲得最大輸出功率，設(shè)置：,最佳負載為：,最大輸出功率：,電源供給功率：,最大集電極效率：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,9,103 A、B類功率放大器,B類功率放大器,AB類放大器,B類放大器半周導(dǎo)通半周截止，通常做成推挽形式，兩個半波在負載上合成完整的正弦波。,電源供給功率：,集電極效率：,兩管總功率：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,10,104 C類功率放大器,C類功率放大器,由于C類放大器的集電極電流波形是余弦脈沖形的，要在負載上得到完整的正弦電壓波形輸出，必須要借助于濾波器。集電極接諧振回路是最常見的方式，因此也稱為C類諧振功率放大器。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,11,104 C類功率放大器,器件的轉(zhuǎn)移特性為:,其中,器件的轉(zhuǎn)移特性 vBE iC:,輸入信號vBE : VBB + vi:,當輸入信號幅度Vim1時，晶體管的轉(zhuǎn)移特性可以用折線表示.,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,12,104 C類功率放大器,時的wt對應(yīng)于導(dǎo)通角q,余弦尖峰脈沖電流最大值：,在信號的整周期內(nèi)輸出端不進入飽和區(qū)的情況下，求解步驟如下：,（VBB,VD,Vim=q,Icm) -(ic(t),Ic0,Ic1,Ic2,.,Ze(nw0) -(Vom,Po,Pdc,hc),2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,13,104 C類功率放大器,導(dǎo)通時，集電極輸出電流：,將ic展開為傅里葉級數(shù)：,由余弦電壓分解系數(shù)有：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,14,104 C類功率放大器,集電極負載Ze(nw0):,其中x為集電極電源電壓利用率，隨著x 上升，輸出功率和效率都會上升。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,15,104 C類功率放大器,圖中畫出了a0a3的曲線，其中 g1(q)=a1(q)/a0(q)，與效率有關(guān),2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,16,104 C類功率放大器,各級電流電壓波形如圖。,C類放大器的窄帶特性也常用于放大窄帶信號，作為AM、FM通信機的末級射頻功放使用。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,17,104 C類功率放大器,集電極動態(tài)特性,C類功放的集電極電壓是由其電流的基波分量在回路的諧振電阻上得到的。實際上集電極電壓的波形會反過來影響集電極電流的波形，最后達到某種動態(tài)平衡。,作出以vBE為參變量的輸出特性曲線如圖,由輸入信號的變化可以得到各時間點上的 vBE(ti)值；由于回路的選頻作用，集電極電壓始終為直流疊加余弦的形式，設(shè)其幅度恰好達到平衡時的值，可由此得到各時間點上的vCE(ti)值，與vBE(ti)對應(yīng)描點聯(lián)線，得到的曲線稱為動態(tài)線。由動態(tài)線可以得到ic波形，其基波分量與Re的乘積應(yīng)當?shù)扔赩cm。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,18,104 C類功率放大器,C類功放的3種工作狀態(tài)和4個電路要素,隨著輸入幅度的增加，可以看出集電極電流脈沖的幅度和電壓幅度也會增加，當電壓幅度增大到一定程度時就會導(dǎo)致進入飽和區(qū)，即vCEmin(vBEmax)的情況稱為欠壓狀態(tài)。,仔細考慮C類功放的工作過程可以看出，放大器的工作狀態(tài)由4個要素決定：VBB,Vim,Vcc,Re 。改變?nèi)魏我粋€要素都有可能使電路的狀態(tài)變化。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,19,104 C類功率放大器,負載特性,負載特性是指VBB,Vim,Vcc保持不變，放大器的輸出電流、電壓、功率、效率等隨Re變化的特性。,右圖給出了Re變化時ic波形的變化情況。 Re小，在欠壓區(qū)，Icm大， Re大，在過壓區(qū)，ic出現(xiàn)凹陷。 下面的曲線給出了隨Re變化各個主要指標的變化情況。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,20,104 C類功率放大器,欠壓：Ic1 基本不隨Re變化，功率和效率隨Re增大而增大； Re太小時Pc 急劇增加，超過PcM會導(dǎo)致過熱毀壞。用于調(diào)幅信號放大。臨界：輸出功率和效率都比較高，最常采用。用于FM信號放大。過壓：效率高、管耗小、輸出功率小。推動級調(diào)到弱過壓，有穩(wěn)幅作用。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,21,104 C類功率放大器,集電極調(diào)幅特性,Ic1在過壓區(qū)隨Vcc近似線性變化，可實現(xiàn)調(diào)幅功能高電平調(diào)幅。,VBB,Vim, Re 不變， 輸出電流電壓隨Vcc變化的特性。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,22,104 C類功率放大器,基極調(diào)幅特性,輸出電流電壓在欠壓區(qū)隨VBB近似線性變化，可用來實現(xiàn)調(diào)幅。,Vim,Vcc,Re 不變， 輸出電流電壓隨VBB變化的特性。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,23,104 C類功率放大器,倍頻,C類放大器的輸出回路調(diào)諧到2次或其它高次諧波頻率上時，回路選出高次諧波電壓輸出，得到n倍頻器。 2倍頻器的電流電壓波形如圖。 q=120o/n時有最大諧波輸出。 可采用陷波電路減小低次諧波的影響。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,24,104 C類功率放大器,C類放大器的饋電電路,饋電電路的作用是為晶體管提供合適的集電極回路和基極回路的直流供電。兩種集電極饋電電路如下圖。根據(jù)饋電電路與回路的連接關(guān)系，可分為串饋與并饋兩種形式。,串饋：饋電電路（電源、扼流圈等）與回路、晶體管串連。并饋：饋電電路與回路、晶體管并連。兩種電路均滿足：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,25,104 C類功率放大器,基極饋電電路用VBB時，也有串饋和并饋兩種形式。,討論基極偏置時，也常用偏置來源進行分類：外偏置：通過外加偏置電路給基極提供合適偏置；自偏置：通過射極或基極反饋電阻獲得直流負向偏壓；信號偏置：由信號引起電容充放電獲得直流負向偏置；,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,26,104 C類功率放大器,基極饋電經(jīng)常采用自給偏壓（自偏置）的形式。由于基極電流脈沖的平均值一般不為0，在偏置電阻（或扼流圈內(nèi)阻）上會生一個負的偏壓，可用作為基極直流偏置電壓。若基極電流脈沖幅度增大，所產(chǎn)生的負偏壓就增大，會導(dǎo)致基極的激勵信號減小，從而抑制了基極電流增大的趨勢，具有自穩(wěn)幅的效果。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,27,104 C類功率放大器,諧振功率放大器的調(diào)諧和調(diào)整 調(diào)諧：失諧時Vcm減小，Po下降，Pc上升，燒管。 以Ic0為標志，1/3Vcc 下改變回路元件參數(shù)使Ic0達到最小。 調(diào)整：在保證回路諧振的條件下調(diào)整元件參數(shù)，改變Re以保證放大器工作在最佳的狀態(tài)下。以IA最大（或功率計指示最大）為標志進行調(diào)整。,注意：儀表必須連接到高頻地電位處。直流表應(yīng)當加旁路電容。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,28,104 C類功率放大器,諧振功率放大器的實用電路,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,29,105 高效率高頻功率放大器,D類高頻功率放大器,電壓型D類放大器原理圖,工作原理：在輸入信號的作用下，兩管輪流飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降為VCES。,基波分量：,經(jīng)LC選頻后，負載電流：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,30,105 高效率高頻功率放大器,輸出功率：,電源供給的直流電流可用ic1的平均分量表示：,電源供給功率：,集電極效率：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,31,105 高效率高頻功率放大器,E類高頻功率放大器,E類放大器原理圖,工作原理：利用高階的電抗網(wǎng)絡(luò)作為負載回路，利用網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)來保證管子的集電極波形滿足：a. 晶體管截至?xí)r，集電極電壓延遲到管子斷開后才上升。b. 晶體管飽和導(dǎo)通時，集電極電壓及其對時間的導(dǎo)數(shù)均為 0 。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,32,107 功率合成電路,功率合成電路組成: 功率分配網(wǎng)絡(luò)、功率放大器、功率合成網(wǎng)路功率分配網(wǎng)絡(luò)平均分配：信號源的功率平均分配給負載，且分配時功率損耗最??；隔離特性：負載之間互相不影響、負載不影響信號源狀態(tài)功率合成網(wǎng)絡(luò)功率疊加，且合成時功率損耗最小；隔離特性：兩個合成源放大器互相不影響。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,33,107 功率合成電路,魔T網(wǎng)絡(luò),把如圖傳輸線網(wǎng)絡(luò)稱為“魔T”網(wǎng)絡(luò) 。該網(wǎng)絡(luò)具有4個端口，分別為分支端A、分支端B、混合端C、混合端D。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,34,107 功率合成電路,若A、B端口加源，C、D端口加負載則為功率合成網(wǎng)絡(luò)；若C、D端口加源，A、B端口加負載則為功率分配網(wǎng)絡(luò)。從圖中可以看出，A、B、C端口是不平衡的，D端口是平衡的。也可以把D端口轉(zhuǎn)換為不平衡的。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,35,107 功率合成電路,功率分配,C端加信號源，A、B端加相同的負載，且D端接電阻，則有Ia=Ib=Ic/2 , Va=Vb=Vc , Vd=0,Id=0 ，Pa=Pb=IaVa=VcIc/2=Pc/2, C端信號源的功率分配到A、B端的負載上同相輸出。負載等效到C端口的等效電阻為 RcRa/2= Rb/2,同相功率分配：A、B端負載相同，電路上下對稱，VA=VB，D端無電流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,36,107 功率合成電路,D端加信號源，A、B端加相同的負載，且C端接電阻，則有Ia=-Ib=Id , Va=-Vb=Vd/2 , Vc=0,Ic=0 ， Pa=Pb=IaVa=IdVd /2=Pc/2, D端信號源的功率分配到A、B端的負載上反相輸出。負載等效到D端口的等效電阻為 Rd=2Ra=2Rb,反相功率分配：A、B端負載相同，電路對稱，VC=VO，C端無電流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,37,107 功率合成電路,功率合成,A、B端加同相的信號源，Ia=Ib,Va=Vb， C、D端加負載，則有Id=0,Vd=0, Ic=2Ia,Vc=Va，Pc=IcVc=2IaVa=2Pa=2PbAB端信號源輸出的功率合成到C端的負載上輸出。負載等效到A、B端口的等效電阻為 Ra= Rb=2Rc,同相功率合成：電路上下對稱，VA=VB，D端無電流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,38,107 功率合成電路,A、B端加反相的信號源，Ia=-Ib,Va=-Vb， C、D端加負載，則有Ic=0,Vc=0, Id=Ia,Vd=2Va， Pd=IdVd=2IaVa=2Pa=2PbAB端信號源輸出的功率合成到D端的負載上輸出。負載等效到A、B端口的等效電阻為 Ra=Rb=Rd/2,反相功率合成：A、B端負載相同，電路對稱，VC=VO，C端無輸出。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,39,107 功率合成電路,隔離條件,隔離條件要求兩個分支端的工作情況要相互獨立，不能因一個端口短路或開路而影響到另一個端口的工作。對于功率合成器，設(shè)Ia不等于Ib，有：,若滿足Rc=Rd/4，則VaR