《高频电路设计与制作》第二章高频放大器设计与制作2.doc

高频电路设计与制作第二章高频放大器设计与制作2-4 高频宽带功率放大器的设计与制作（第一部分）小信号放大器与功率放大器的差异 功率放大器工作点选取方法 阻抗匹配-提高效率 本AB类功率放大器的设计要点第二章 高频放大器设计与制作2-4高频宽带功率放大器的设计与制作（第一部分）小信号放大器舆功率放大器的不同点 在此以输出为1W的宽带功率放大器为例，说明功率放大器的设计制作。 功率放大器(Power Amp)与前述之小信号放大器比较，较为注重输出功率与消耗功率的比，也即是较为注重效率与失真率，这是衡量一个功率放大器的重要指标。因此功率放大电路大多使用B类或AB类的放大。另外，为了提高效率，阻抗匹配也很重要。 进而，由於功率功耗(损耗)会产生热量，因此，还必须考虑到晶体管的散热与保护的问题。 以下，根据这些注意点进行设计制作。功率放大器工作点选取法 功率放大器如果要输出较大的功率，晶体管必须大振幅地动作，因此，一般要工作在其非线性特征区域。 一般说来，晶体管电路高效率的同时，失真率也明显增大，因此要在效率与失真率之间取最适当点。 功率放大器按其偏置电压加入法，也即是工作点的取法，可以如图35所示的A类，B类、C类，以及介於A类，B类中间的AB类。 图35 晶体管功率放大器的4类工作点电路 (功率放大器大多采用AB类，B类，或C类，以提高效率)A类的直线良好，功耗也较大，只可以取得较小的功率输出，也即是功率效率较差，不常见於功率放大，大多使用于小信号放大器。B类的集极电流只流通半周期，会产生波形失真。可是，由於效率较高，在含有经过调制的高频信号的信号放大场合，常使用到此类的放大电路。 至于在低频信号功率放大器的应用中，为了减少波形失真，此电路常被作成推换式放大器来使用。C类的集极电流流通时间此半周期还短，因此，失真更大，效率最好。在FM信号放大的场合，由於不要求线性，可以使用此类放大。AB类为介於A类与B类中间，集电极电流的流通此半周期长一些，故意将工作点提高一点，主要是为了减少失真。阻抗匹配-提高效率 阻抗匹配是提高功率放大器效率的重要方法。如图36所示，根据信号的流程，也即是依据信号源宽带功率放大负载(天线等)的顺序，逐一讨论阻抗匹配的情况。 大部分的高频信号源的输出阻抗为50，而功率晶体管的输入阻抗一般是数数十，因此，在信号源与放大元件之间加入输入电路，做为阻抗变换之用，以取得阻抗匹配。 在输出回路也即是负载与放大元件之间设有输出电路，保证高的功率转换效率。图36 高频宽带功率放大器的方块图(电功率放大器的阻抗匹配为设计的重点)本AB类功率放大器的设计要点输出1W 表6所示的是将要制作的宽带功率放大器的设计规格。 电源电压为12V。高频用功率晶体管大多考虑到可以使用於汽车用电源12V14V，因此为低电压功率放大器。 输入输出阻抗为50，此一数值为使用於高频放大电路时的标准值，此也为同轴电缆的特性代表值。 功率增益拟定如下：输人0.1W，输出为1W时，其增益演算GP=10 log/10=10 dB；放大设定为AB级，成为线性放大器(Linear Amp)，频带宽度1MHz一50MHz。根据此一设计规格，所设计之宽带功率放大器的方块图如图36所示。表6 宽带功率放大器的设计规格(功率放大器为宽带，高放大率，并且考虑到线性)电源电压Vcc=12V输入阻抗Zi=50输出阻抗Zo=50功率放大率(min)GP=10dB最大功率输出Po=1W工作点类型AB类线性频带宽1MHz50MHz环境温度上限70类别：高频电路的设计与制作 | 添加到搜藏 | 浏览(2519) | 评论(3) 高频电路设计与制作第二章高频放大器设计与制作2-3 使用IC的宽频带放大器的设计-制作（第一部分）VHF/UHF频带放大是IC的时代 需要使用电视用强波器的场合 设计要求与所采用集成电路指标参数 2-3 使用IC的宽频带放大器的设计-制作（第一部分）VHF/UHF频带放大也是IC的时代 以前，高频宽频带放大器是由数个晶体管所构成。随着集成电路IC设计及加工工艺的进步，高频使用IC已很普遍，也很容易可以取得。 在此，针对高频宽频带放大器IC的使用方法提出说明，以电视VHF频带强波器(Booster) 的设计与制作为实际制作的例子。Booster原为升压的意思，此处举的例子为VHF频带强波器，但只要变更电路数值，也可以当作其它各类型VHF/UHF频带的强波器使用。 表3所示的为日本电气的各种宽频带放大器IC的特性表，可以从中选择到所需要的规格使用。 电视的频率领域从1ch12ch为90MHz220MHz，此处选用频率特性可变的PCI658C，其他的IC参数特征已定，只具有输入出端子与电源端子，接地端子，电路特性无法改变。表3 高频宽频带放大器工C的特性表(日本电气)品名频带增益工作电压NF最大输出封装型式PC1651G1200MHz(-3dB)19dB5V5.5dB5dBmMicroDiscPC1652G1200MHz(-3dB)18dB5V5.5dB5dBm8端子PC1653A1300MHz(-3dB)18dB5V5.5dB5dBm金属外壳PC1654A1100MHz(-3dB)19dB10V5.5dB金属外壳PC1655C1000MHz(-3dB)18dB5V5.5dB5dBm8DIPPC1656C850MHz(-3dB)19dB10V5.5dBdBm8DIPPC1658C（注）（注）10V1.5dBdBm8DIPPC1659A0.6GHz2.3GHz(-3dB)19.5dB10V5dBdBm金属外壳PC1675G1.9GHz(-3dB)12dB5V5.5dBdBm4端子PC1676G1.2GHz(-3dB)22dB5V4.5dB5dBm4端子PC1677G1.8GHz(-3dB)24dB5V6dBdBm8DIP（注）特征参数可由外电路负反馈参数取值决定图24 需要使用电视机用强波器的场合(利用分配器将天线的信号分配，会使信号电平减弱，可以使用强波器放大)需要使用电视用强波器的场合 在电波较弱的地区，从天线直接将信号输入电视机时，画面会有较明显的白色斑点现象，俗称雪花干扰(snow noise)。 另外，1条天线连接1台电视机而不会发生问题的地区，如果使用了分配器分配信号，也有可能使输入电视机的信号减弱而产生杂讯，这主要是由於分配损失所引起的。 图24所示的为(a)电视电波较弱时所产生的雪花杂讯，与(b)由於分配器所产生的损失的情况。此处使用了2级2分配器做4分配。NO.1的2分配器将天线所输入的功率做2分配，会使输出功率减弱为l/2，衰减量为3dB，实际上分配器本身也有些损耗，故2分配时信号总衰减量一般为3.5dB4 dB。 进一步使用NO.2NO.3分配器做2次2分配时，输出功率会再衰减3.5dB4dB，因此，从天线到电视机信号被衰减了7dB8dB。 表4所示的为常见的厂制品分配器规格，2分配器的衰减量约为3.5dB。由於信号微弱或分配造成信号损失导致电视机画面不清晰时，正是强波器“大展宏图”之时。表4 市面上可购买到的分配器规格市内用300/75：F型种类型号阻抗分配损失(dB)VSWRVHFUHF输入输出VHFUHFLHLMH2分配器SP332300/2/16/233.html类别：高频电路的设计与制作 | 添加到搜藏 | 浏览(539) | 评论(0) 上一篇：第二章 高频放大器设计与制作2-2.下一篇：第二章 高频放大器设计与制作2-4.高频电路设计与制作第二章高频放大器设计与制作2-2 使用FET（场效应管）高频放大器的设计-制作（第四部分）FM调谐器用高频放大器的调整方法 功率增益与频率特性的测试 第二章 高频放大器设计与制作2-2 使用FET（场效应管）高频放大期的设计-制作（第四部分）FM调谐器用高频放大器的调整方法 高频放大器的调整方法如图21所示。必备的测试器为标准信号产生器(SSG：Standard Signal Generator)与电场强度计。 如果测试仪器无法取得，也可以使用第8章介绍的简易型标准信号产生器(简易型SSG)，以及附有调谐电表的FM收音机。 为了防止在调整时受到外来电波与杂讯等的影响，可以如照片1所示，将高频小信号放大器置於由印刷电路板作成的隔离盒子内。 本制作需要调整的是半可变(Triminer)电容器C1 ，C2 和C3 。 首先，将C3的电容量旋置于1/2位置，SSG的频率设定为83MHz，输出强度+20dB，然後调整C1与C2，使电场强度指针摆振至最大。接着再调整C3，使电场强度计的摆振为最大。然后逐步将SSG的输出电平降低010dB后再对C1，C2，C3做23次的反覆调整。 通过以上调整，可以使本电路功率增益与NF调整到一个比较理想的指标。 图21 利用SSG与场强计做为高频放大器的调整与测试(正确的调整与测试需要使用SSG(标准信号产生器)与电场强度计，所需要调整地方是修整用电容器C1，C2，C3共3处) 制作完成的高频率放大器安装於隔离盒子内(为防止外来电波的可能影响，最好在隔离室内测试，也可以使用印刷电路基板作材料，除留出必要的调试孔外全屏蔽) 图22所示的为使用简易型SSG与FM调谐器的调整方法。使用简易型SSG代用SSG，使用FM调谐器代用电场强度计。又，由於将放大器的输出直接连接在FM调谐器上，因此，需要使用50/300的阻抗变换器与衰减器。 如图所示，在放大器的输出端子连接50的电阻，在FM调谐器的天线端子连接300的电阻，以达到阻抗匹配。以此两个电阻做电磁结合，调整电阻的间隔，起到代用专门的衰减器(ATT)效果。 刚开始调整时，由於放大器的输出很小，调谐电表可能不会摆振，可以在两个电阻间用25pF的电容加以耦合。 至此调整告一段落，但为了使杂讯特性NF达到最佳点，有必要使用杂讯产生器(Noise Generator)再作进一步测试。此一杂讯发生器在第8章也有制作方面的介绍。 图22 利用简易型SSG做为高频放大器的调整 功率增益舆频率特性的测试 有兴趣的话，现在不妨测试一下本高频小信号放大器的功率增益。 首先，将SSG的输出电平设定为0dB，直接连接电场强度计(也可以使用FM调谐器与阶段式衰减器)，调整电场强度计的增益(GAIN)旋钮，使电场强度计的衰减器也位于0dB。 接着，如图21所示般连接，调整电场强度计的衰减器，使其成为0dB，此一衰减器当前值就是功率增益值。 为了确认电路再现性以排除偶然性，在此制作2套高频小信号放大器，#1套所测得的功率增益为22dB(83MHz)，#2套所测得的功率增益为25 dB。 利用图21的连接，改变频率，分别求出各频率的功率增益值，以观察其频率特征响应。 此次所测得的结果如图23所示，按比中心频率83MHz时功率增益值下降3dB的2个点间的频率差，称为频带响应带宽BW。由测试结果可以看出#1套的BW为5.5MHz，#2套的BW为4.0MHz。 图23 制作好的高频放大器其功率增益与频率特性(根据设计要求，功率增益到达20dB以上的频带宽为5MHz左右，在FM的广播频带7690MHz边缘，其功率增益仍大于10dB) 输入回路与输出回路的频带宽分别设计为10MHz。由于整个电路共有LC谐振回路，因此电路的整体选择性指标Q会增高，使频带宽BW变窄。 所制作的高频小信号放大器在FM广播频带的两端76MHz与90MHz，其功率增益约为10dB，可以含盖FM广播频带的全领域。可是，在针对特定FM广播电台接收的场合应用，最好将选择性Q设计为2040左右，使频带宽变得较为狭窄些比较妥当。 又，市面上贩卖的FM天线或调谐器其特征阻抗多为75，但仍可比照以上方法使用和测试。在这种情况下需要对电路进行必要的修改和调整： 输入回路：R2=1200，Q=12.4 输出回路：调整C2C3，使之与75阻抗匹配 另外，在本电路实际制作时，放大元件还可以使用CaAs型的FET，使杂讯指标进一步下降。 类别：高频电路的设计与制作 | 添加到搜藏 | 浏览(717) | 评论(0) 高频电路设计与制作第二章高频放大器设计与制作2-1 高频信号放大器所应具备的特征-在通频带内其功率增益要高,自身产生的杂音要尽可能小,截取点（IP）要高 电路原理图PCB墨稿PROTEL格式文件器材供应第二章 高频放大器设计与制作2-1 高频信号放大器所应具备的特征放大电路可以说是模拟信号处理电路的基本单元，尤其对高频接收机与发射机而言。在接收机里，放大电路要将从天线所输入的V单位的小信号加以放大，在发射机方面，功率放大电路也要将信号放大至以W为单位的信号级别。在本章中，将依次分析小信号高频放大器，宽频带放大器，功率放大器等3种不同类型的放大电路。 2-1 在高频放大电路所要求的特性对於所使用的频带的功率增益要高在直流放大和低频放大电路中，增益(Gain)一般是指电压增益；而在高频率电路中，增益一般常用功率增益来表示。例如，在图2-1所示的电路中，由天线所输入的信号为-30dBm(0.00lmW)，当高频放大器的功率增益为25dB时，输出信号变成为-5dBm。图2-1 高频电路的增益为功率增益(在高频放大器中，一般是以每级功率增益限制在2030dB的程度来设计。如图若输入信号为-30dBm，增益为25dB时，放大後的信号成为-5dBm。)产生的杂讯要很小 S/N称为信噪比，常用于表示信号的品质，反映具体信号中有用信号和杂讯的比率。如图2-2所示，由於放大器在放大信号的同时，内部本身也会产生杂讯，故信号在输出端较之输入端的S/N值要小，品质会变差。对於由於放大而造成信号S/N变化，可以用杂讯指数NF表示。理想放大器的NF为0dB。图2-3所示的为改善NF的例子，在杂讯指数为8dB的接收机，连接前置放大器(pre-amplifier)的高频放大器。此时的前置放大器的NF为2dB，功率增益为25dB。因此，连接前置放大器後的NF可以用以下公式表示。将数值代人此公式，可以得到连接前置放大器後的NF成为 NF=10log1.58+(6.3-1)/316=2.03dB由此可以看出，加入前置放大器，可以改善全体的NF，而得到高增益，低杂讯的放大器。图2-2放大器的杂讯指数NF(S/N为表示信号品质的值。在高频放大器中，由於放大器内部会产生杂讯，导致S/N恶化。利用杂讯指数NF，可以分析由於内部杂讯而使S/N降低的情况。内部没有杂讯的放大器称为理想放大器，其NF为0dB。)图2-3 改善杂讯指数NF截取点(IP：intercept point)要高高频放大电路的输入信号有很多复杂成分，尤其是在高频放大电路的选择性在不很高时，更有可能输入多种成分的输入信号。因此，在高频放大电路中，由於多种成分的信号间会互相干扰而产生多余的信号。另外，由於放大电路的非直线部分也会产生高谐波，这些信号互调，也会产生多余的信号。由于以上情况的存在，所产生的信号成为对於接收机造成干扰的假像(SpuriOtIS)成分、高谐波成分等杂讯。在这里，把影响最严重的3次互调失真成分与信号进行比较，这以比较可以用截取点(Intercept Point)表示。图2-4所示的为截取点的方法。在图上的信号电平与3次相互调变失真的电平相等的点，称为截取点。由於实际的放大器电平已达饱和，因此用虚线所示的假想延长线来求出截取点。图2-4 截取点(在高频放大电路中，目的信号以外的干扰信号成分称为假像成分，假像成分中，最构成问题的是第3次互调失真。基本信号与第3次互调失真泣准为相同的点，称的为截取点。)查看文章第一章 高频电路基本常识 第三部分2007年08月23日 星期四 10:10第一章高频电路基本常识第三部分 如何降低传输过程中的高频功率损耗-阻抗匹配 电路信号大小的表达单位（dB）备注栏：关于dB和dBm 第一章高频电路基本常识第三部分 如何降低传输过程中的高频功率损耗-阻抗匹配 电路信号大小的表达单位（dB）备注栏：关于dB和dBm 第一章 高频电路基本常识 第三部分如何降低传输过程中的高频功率损耗-阻抗匹配 高频信号所使用的机器或电缆线，都有其固有的阻抗，一般的机器阻抗为50或75。各高频机器间连接时，为了有效率地传送功率，需要阻抗匹配良好，俗称“阻抗匹配”。 图7所示的为阻抗匹配与功率的关系。在圆(a)的电路中，假设传送方的输出阻抗为r，负载方的阻抗为R，则供应至负载的功率P为在此，令r=50，改变R值而求功率P，会得到如图(b)所示的图形。由此，可以看出在R=r时，所供应的功率P为最大，此称为阻抗匹配。信号的大小表示分贝dB关於放大率、增益与信号的大小，一般均用用分贝dB表示。表示方法如表1所示有3种方法。高频电路的增益是指功率增益。(注：国内“常用对数”表示为lg，也即log10X；原文为log，现保留，下同。)相对位准用dB表示对於放大器的放大率或电阻的衰减度而言，为一种相对的表示方法，此时可以用输人为基准，表示输出的大小。功率放大率Gp，可以表