射频通信电路- 高频功率放大器

第十章 高频功率放大器,功率放大器概述各类功率放大器功率合成电路,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,2,第十章 内容目录,10.1 概述10.2 高频功率放大器的分类10.3 A、B类功率放大器A类放大器、B和AB类放大器10.4 C类功率放大器电路组成与特点、动态负载线、输出功率与效率倍频与调制特性、C类放大器的馈电电路10.5 高效率高频功率放大器D类高频功率放大器、E类高频功率放大器10.6 高频功率放大器设计晶体管大信号参数、设计举例10.7 功率合成电路魔T网络、功率合成电路,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,3,101 概述,一、功率放大器的工作特点,功率放大器的主要目标是要得到足够大的信号功率输出。在满足这个目标的前提下，还要尽量追求具有比较高的效率、比较小的失真、比较低的电源电压等方面的指标。,从功放的使用要求来看，根据其工作频率范围大体上可分为两类：宽带功放（f0/BW0.710)。在RF频率范围内，多数采用窄带功放电路。,高频功率放大器由：晶体管、偏置电路、扼流圈、阻抗变换网络和负载共同构成。其工作特点是：低电压、大电流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,4,101 概述,高频大电流工作引起的几个问题：a、大电流工作对晶体管的制作工艺提出了特定要求，大电流与芯片面积、极间电容间的矛盾；b、高频率工作所引起的电路寄生参数影响增大的问题，以射极引线电感为代表；c、大功率与晶体管相对较小的输入输出阻抗引起的匹配上的问题；d、大电流引起的消耗功率。,高频放大器实现时，通常采用单管放大，并使用共射（共源）组态。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,5,101 概述,二、高频功率放大器性能指标,集电极效率,功率增加效率,杂散输出与噪声线性特性,功率：手持机功率一般为0.30.6W, 基站为10100W,效率：功放的重要指标。直流电源提供的能量一部分转变为交流信号输出，另一部分则消耗在晶体管及耦合电路上。损耗的存在不仅导致经济指标的下降，更重要的是它转换成热能后会使晶体管的温度迅速上升，对电路的正常工作造成严重影响。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,6,101 概述,从Pc的表达式可以看出，对于工作在放大区的晶体管电路来讲，减小晶体管的导通时间是提高效率的一个有效途径。 B类放大器：q=90o ，放大/截止区工作，推挽输出。 C类放大器：qD类放大器：饱和/截止区工作，低通滤波(续流)输出。,下面是计算功率和效率的一些主要关系式：,提高效率的途径,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,7,102 高频功率放大器的分类,按照晶体管导通情况按照晶体管等效电路,A类在信号的一周期内管子均导通B类在信号的一周期内管子只有一半时间导通C类导通时间小于一半周期,A、B、C属于一类，晶体管等效为一个受控电流源D、E、F属于一类，晶体管等效为受输入信号控制的开关。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,8,103 A、B类功率放大器,A类功率放大器,为了获得最大输出功率，设置：,最佳负载为：,最大输出功率：,电源供给功率：,最大集电极效率：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,9,103 A、B类功率放大器,B类功率放大器,AB类放大器,B类放大器半周导通半周截止，通常做成推挽形式，两个半波在负载上合成完整的正弦波。,电源供给功率：,集电极效率：,两管总功率：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,10,104 C类功率放大器,C类功率放大器,由于C类放大器的集电极电流波形是余弦脉冲形的，要在负载上得到完整的正弦电压波形输出，必须要借助于滤波器。集电极接谐振回路是最常见的方式，因此也称为C类谐振功率放大器。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,11,104 C类功率放大器,器件的转移特性为:,其中,器件的转移特性 vBE iC:,输入信号vBE : VBB + vi:,当输入信号幅度Vim1时，晶体管的转移特性可以用折线表示.,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,12,104 C类功率放大器,时的wt对应于导通角q,余弦尖峰脉冲电流最大值：,在信号的整周期内输出端不进入饱和区的情况下，求解步骤如下：,（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类功率放大器,导通时，集电极输出电流：,将ic展开为傅里叶级数：,由余弦电压分解系数有：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,14,104 C类功率放大器,集电极负载Ze(nw0):,其中x为集电极电源电压利用率，随着x 上升，输出功率和效率都会上升。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,15,104 C类功率放大器,图中画出了a0a3的曲线，其中 g1(q)=a1(q)/a0(q)，与效率有关,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,16,104 C类功率放大器,各级电流电压波形如图。,C类放大器的窄带特性也常用于放大窄带信号，作为AM、FM通信机的末级射频功放使用。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,17,104 C类功率放大器,集电极动态特性,C类功放的集电极电压是由其电流的基波分量在回路的谐振电阻上得到的。实际上集电极电压的波形会反过来影响集电极电流的波形，最后达到某种动态平衡。,作出以vBE为参变量的输出特性曲线如图,由输入信号的变化可以得到各时间点上的 vBE(ti)值；由于回路的选频作用，集电极电压始终为直流叠加余弦的形式，设其幅度恰好达到平衡时的值，可由此得到各时间点上的vCE(ti)值，与vBE(ti)对应描点联线，得到的曲线称为动态线。由动态线可以得到ic波形，其基波分量与Re的乘积应当等于Vcm。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,18,104 C类功率放大器,C类功放的3种工作状态和4个电路要素,随着输入幅度的增加，可以看出集电极电流脉冲的幅度和电压幅度也会增加，当电压幅度增大到一定程度时就会导致进入饱和区，即vCEmin(vBEmax)的情况称为欠压状态。,仔细考虑C类功放的工作过程可以看出，放大器的工作状态由4个要素决定：VBB,Vim,Vcc,Re 。改变任何一个要素都有可能使电路的状态变化。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,19,104 C类功率放大器,负载特性,负载特性是指VBB,Vim,Vcc保持不变，放大器的输出电流、电压、功率、效率等随Re变化的特性。,右图给出了Re变化时ic波形的变化情况。 Re小，在欠压区，Icm大， Re大，在过压区，ic出现凹陷。 下面的曲线给出了随Re变化各个主要指标的变化情况。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,20,104 C类功率放大器,欠压：Ic1 基本不随Re变化，功率和效率随Re增大而增大； Re太小时Pc 急剧增加，超过PcM会导致过热毁坏。用于调幅信号放大。临界：输出功率和效率都比较高，最常采用。用于FM信号放大。过压：效率高、管耗小、输出功率小。推动级调到弱过压，有稳幅作用。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,21,104 C类功率放大器,集电极调幅特性,Ic1在过压区随Vcc近似线性变化，可实现调幅功能高电平调幅。,VBB,Vim, Re 不变， 输出电流电压随Vcc变化的特性。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,22,104 C类功率放大器,基极调幅特性,输出电流电压在欠压区随VBB近似线性变化，可用来实现调幅。,Vim,Vcc,Re 不变， 输出电流电压随VBB变化的特性。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,23,104 C类功率放大器,倍频,C类放大器的输出回路调谐到2次或其它高次谐波频率上时，回路选出高次谐波电压输出，得到n倍频器。 2倍频器的电流电压波形如图。 q=120o/n时有最大谐波输出。 可采用陷波电路减小低次谐波的影响。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,24,104 C类功率放大器,C类放大器的馈电电路,馈电电路的作用是为晶体管提供合适的集电极回路和基极回路的直流供电。两种集电极馈电电路如下图。根据馈电电路与回路的连接关系，可分为串馈与并馈两种形式。,串馈：馈电电路（电源、扼流圈等）与回路、晶体管串连。并馈：馈电电路与回路、晶体管并连。两种电路均满足：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,25,104 C类功率放大器,基极馈电电路用VBB时，也有串馈和并馈两种形式。,讨论基极偏置时，也常用偏置来源进行分类：外偏置：通过外加偏置电路给基极提供合适偏置；自偏置：通过射极或基极反馈电阻获得直流负向偏压；信号偏置：由信号引起电容充放电获得直流负向偏置；,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,26,104 C类功率放大器,基极馈电经常采用自给偏压（自偏置）的形式。由于基极电流脉冲的平均值一般不为0，在偏置电阻（或扼流圈内阻）上会生一个负的偏压，可用作为基极直流偏置电压。若基极电流脉冲幅度增大，所产生的负偏压就增大，会导致基极的激励信号减小，从而抑制了基极电流增大的趋势，具有自稳幅的效果。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,27,104 C类功率放大器,谐振功率放大器的调谐和调整 调谐：失谐时Vcm减小，Po下降，Pc上升，烧管。 以Ic0为标志，1/3Vcc 下改变回路元件参数使Ic0达到最小。 调整：在保证回路谐振的条件下调整元件参数，改变Re以保证放大器工作在最佳的状态下。以IA最大（或功率计指示最大）为标志进行调整。,注意：仪表必须连接到高频地电位处。直流表应当加旁路电容。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,28,104 C类功率放大器,谐振功率放大器的实用电路,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,29,105 高效率高频功率放大器,D类高频功率放大器,电压型D类放大器原理图,工作原理：在输入信号的作用下，两管轮流饱和导通，导通压降为VCES。,基波分量：,经LC选频后，负载电流：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,30,105 高效率高频功率放大器,输出功率：,电源供给的直流电流可用ic1的平均分量表示：,电源供给功率：,集电极效率：,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,31,105 高效率高频功率放大器,E类高频功率放大器,E类放大器原理图,工作原理：利用高阶的电抗网络作为负载回路，利用网络的瞬态响应来保证管子的集电极波形满足：a. 晶体管截至时，集电极电压延迟到管子断开后才上升。b. 晶体管饱和导通时，集电极电压及其对时间的导数均为 0 。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,32,107 功率合成电路,功率合成电路组成: 功率分配网络、功率放大器、功率合成网路功率分配网络平均分配：信号源的功率平均分配给负载，且分配时功率损耗最小；隔离特性：负载之间互相不影响、负载不影响信号源状态功率合成网络功率叠加，且合成时功率损耗最小；隔离特性：两个合成源放大器互相不影响。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,33,107 功率合成电路,魔T网络,把如图传输线网络称为“魔T”网络 。该网络具有4个端口，分别为分支端A、分支端B、混合端C、混合端D。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,34,107 功率合成电路,若A、B端口加源，C、D端口加负载则为功率合成网络；若C、D端口加源，A、B端口加负载则为功率分配网络。从图中可以看出，A、B、C端口是不平衡的，D端口是平衡的。也可以把D端口转换为不平衡的。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,35,107 功率合成电路,功率分配,C端加信号源，A、B端加相同的负载，且D端接电阻，则有Ia=Ib=Ic/2 , Va=Vb=Vc , Vd=0,Id=0 ，Pa=Pb=IaVa=VcIc/2=Pc/2, C端信号源的功率分配到A、B端的负载上同相输出。负载等效到C端口的等效电阻为 RcRa/2= Rb/2,同相功率分配：A、B端负载相同，电路上下对称，VA=VB，D端无电流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,36,107 功率合成电路,D端加信号源，A、B端加相同的负载，且C端接电阻，则有Ia=-Ib=Id , Va=-Vb=Vd/2 , Vc=0,Ic=0 ， Pa=Pb=IaVa=IdVd /2=Pc/2, D端信号源的功率分配到A、B端的负载上反相输出。负载等效到D端口的等效电阻为 Rd=2Ra=2Rb,反相功率分配：A、B端负载相同，电路对称，VC=VO，C端无电流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,37,107 功率合成电路,功率合成,A、B端加同相的信号源，Ia=Ib,Va=Vb， C、D端加负载，则有Id=0,Vd=0, Ic=2Ia,Vc=Va，Pc=IcVc=2IaVa=2Pa=2PbAB端信号源输出的功率合成到C端的负载上输出。负载等效到A、B端口的等效电阻为 Ra= Rb=2Rc,同相功率合成：电路上下对称，VA=VB，D端无电流。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,38,107 功率合成电路,A、B端加反相的信号源，Ia=-Ib,Va=-Vb， C、D端加负载，则有Ic=0,Vc=0, Id=Ia,Vd=2Va， Pd=IdVd=2IaVa=2Pa=2PbAB端信号源输出的功率合成到D端的负载上输出。负载等效到A、B端口的等效电阻为 Ra=Rb=Rd/2,反相功率合成：A、B端负载相同，电路对称，VC=VO，C端无输出。,2018/2/9,Information&Communication Engineering Dept. XJTU,39,107 功率合成电路,隔离条件,隔离条件要求两个分支端的工作情况要相互独立，不能因一个端口短路或开路而影响到另一个端口的工作。对于功率合成器，设Ia不等于Ib，有：,若满足Rc=Rd/4，则VaR