通信電路課件：第3章 高頻功率放大電路

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1、1通信電路第3章 高頻功率放大電路2(1)低頻部分：信息變換與放大(2)高頻部分：高頻信號產生、放大、調制低頻放大器高頻振蕩器高頻諧振放大器振幅調制器高頻功放換能器原始信息（1）發送設備無線模擬通信系統3.概述概述.丙類諧振功率放大電路丙類諧振功率放大電路*.寬帶高頻功率放大電路與功率合成電路寬帶高頻功率放大電路與功率合成電路*.集成高頻功率放大電路及應用簡介集成高頻功率放大電路及應用簡介.章末小結章末小結第第3章章 高頻功率放大電路高頻功率放大電路4.概述概述n高頻功率放大電路主要的技術指標q輸出功率q效率q非線性失真n功率放大電路工作在大信號情況下，所以要特別注意考慮安全工作問題安全工作問

2、題5n天線的阻值通常為50，高頻大功率管的輸入輸出阻抗值很小很小，而且是頻率的函數頻率的函數。n為了獲得最大的輸出功率，高頻功放的輸入端輸入端和輸出端輸出端以及多級高頻功放的級間耦合級間耦合都要采用倒L型、T型或型匹配網絡。6n功率放大電路是一種能量轉換電路能量轉換電路，即將直流電源能量轉換為輸出信號的能量，同時必然有一部分能量損耗。n為了節省能量，提高效率，高頻功放常采用丙高頻功放常采用丙類工作狀態類工作狀態，即晶體管集電極電流導通時間小于輸入信號半個周期的工作狀態。7n由于丙類工作的非線性特性會產生眾多的高次諧波分量，常采用LC諧振回路作為選頻網絡，故稱為丙類諧振功率放大電路丙類諧振功率放

3、大電路。n由于LC諧振特性，諧振功放屬于窄帶功放電窄帶功放電路路。8n對于工作頻率要求較寬，或經常迅速更換選頻網絡中心頻率的情況，可采用寬帶功率放大電寬帶功率放大電路路。n寬帶功放寬帶功放一般工作在甲類狀態甲類狀態q利用傳輸線變壓器傳輸線變壓器等作為匹配網絡q可以采用功率合成技術功率合成技術來增大輸出功率9n本章著重討論丙類諧振功放的q工作原理q動態特性q電路組成n對于甲類和乙類諧振功放的性能指標也作了適當介紹 103.2丙類諧振功率放大電路丙類諧振功率放大電路圖 3.2.1 諧振功率放大電路原理圖 ubuBEuCECRLucUBBUCC11圖 3.2.2 甲、乙、丙類三種工作狀態下的轉移特性

4、分析 12 圖3.2.2是三種不同靜態工作點情況時晶體管轉移特性分析。其中QA、QB和QC分別是甲類、乙類和丙類工作時的靜態工作點。工程上通常用dBm作為功率的單位，轉換式為10lgP（dBm），其中P的單位是的單位是mW。例如，1mW=0 dBm，100mW=20 dBm。思考思考：丙類工作狀態對輸出波形產生了失真，為什么還可以應用？133.2.1 工作原理工作原理 假定輸入信號是角頻率為0正弦波,輸出選頻回路調諧在輸入信號的相同頻率上。根據基爾霍夫電壓定律,可得到以下表達式:uBE=UBB+ub=UBB+Ubmcos0t (3.2.1)uCE=UCC+uc=UCCIc1mRcos0t (3

5、.2.2)=UCCUcmcos0t 14其中uBE和uCE分別是晶體管b、e極電壓和c、e極電壓，ub和uc分別是輸入交流信號和輸出交流信號,R是回路等效總電阻,IC0和Ic1m分別是集電極電流iC中的直流分量直流分量和基波振幅基波振幅。UBB和UCC是直流電源。01020coscos2CCc mc miIItIt150220111011122212DCCCcmc mcmc moc mcmcDCCCCDoPUIUPIUIRRPIUPI UPPP(3.2.3)(3.2.4)(3.2.5)從公式(3.2.5)可知,如果要提高效率,需增大Ic1m或減小IC0(減減小小IC0即減小集電極平均電流即減小

6、集電極平均電流,通過降低靜態工作點可以實現通過降低靜態工作點可以實現)。由此可以得到集電極電源提供的直流功率直流功率PD、諧振功諧振功放輸出交流功率放輸出交流功率Po、集電極效率集電極效率c和集電極功耗集電極功耗PC如下:16 在甲類甲類工作狀態時,為保證不失真,必須滿足Ic1mIC0,又UcmUCC(忽略晶體管飽和壓降),所以由公式(3.2.5)可知,最高效率最高效率為為50%。在乙類工作狀態乙類工作狀態時,集電極電流是在半個周期內導通的尖頂余弦脈沖,可以用傅氏級數展開為:0102000coscos2112coscos2.23CCc mc mCmCmCmiIItItIItIt其中ICm是尖頂

7、余弦脈沖的高度是尖頂余弦脈沖的高度,即集電極電流最大值即集電極電流最大值。系數可以參考(3.2.11)。17 由此 可求得在Ucm=UCC時的最高效率最高效率，（乙類工作狀態乙類工作狀態）%5.78412121CmCmcII18 功率放大電路是大信號工作功率放大電路是大信號工作,而在大信號工作時必須考慮晶體管的非線性特性,這樣將使分析比較復雜。為簡化分析,可以將晶體管特性曲線理想化,即用一條或幾條直線組成折線來代替,稱為折線近似分析法折線近似分析法。在圖3.2.2中,隨著基極偏置電壓隨著基極偏置電壓UBB逐漸左移逐漸左移,靜態工作點靜態工作點逐漸降低逐漸降低,晶體管的工作狀態由甲類、乙類而進入

8、丙類。由剛才的分析可知,乙類的效率確實高于甲類。19 圖 3.2.3 丙類狀態轉移特性分析圖3.2.3用兩段直線組成的折線來近似表示將晶體管的轉移特性,由此來分析丙類工作狀態的有關參數。20 由圖3.2.3可以得到集電極電流iC的分段表達式分段表達式：(3.2.6)如果將輸入信號在一個周期內的導通情況用對應的導通角度2來表示,則稱為導通角導通角?？梢?0180。在放大區,將式(3.2.1)代入式(3.2.6),可以得到:iC=g(UBB+UbmcostUon)(3.2.7)C()0BEonBEonBEong uUuUiuU21當當t=時時,iC=0,由式(3.2.7)可求得:(3.2.8)當當

9、t=0時時,iC=ICm,由式(3.2.7)和(3.2.8)可求得:arccosonBBbmUUU1 cosCmbmIgU(3.2.9)iC=g(UBB+UbmcostUon)22coscoscos1 cosonBBCbmbmCmUUigUtUtI所以,式(3.2.7)可寫成:(3.2.10)23 從集電極電流iC的表達式可以看出,這是一個周期性的尖頂余弦脈沖函數,因此可以用傅里葉級數展開,即 iC=IC0+Ic1mcost+Ic2mcos(2t)+Icnmcos(nt)+(3.2.11)其中各個系數可用積分方法求得，例如，0111,cos,2CCc mCIi d tIit d t式中iC式（

10、3.2.10）代入。24由于iC是ICm和的函數,所以它的各次諧波的振幅也是ICm和的函數,若ICm固定,則只是的函數,通常表示為：IC0=ICm0(),Ic1m=ICm1(),Ic2m=ICm2(),(3.2.11)25其中0(),1(),2(),被稱為尖頂余弦脈沖的分解系數。110()()()g 為了重新定義效率，定義波形系數波形系數，集電極電壓利用系數集電極電壓利用系數分別為 0sincos()(1 cos)1sincos()(1 cos)cmCCUU26 根據波形系數和集電極電壓利用系數，可以得到集電極效率和輸出功率的另一種表達式:11011()22c mcmcCCCIUgI U220

11、11()2CmPIR27圖 3.2.4 尖頂余弦脈沖的分解系數()與波形系數g1()28 由圖3.2.4可以看出,1(90)=1(180)=0.5,這兩種情況分別對應于乙類和甲類工作狀態,均比丙類(90)的數值高,而1的最大值是1(120)=0.536,處于甲乙類狀態。這意味著當回路等效總電阻R和脈沖高度ICm相同時,丙類丙類的輸出功率比甲類、甲乙類和乙類都要小一些的輸出功率比甲類、甲乙類和乙類都要小一些,但是丙類的集電極效率比它們都要高效率比它們都要高。29 分析上兩式可知,增大和g1的值是提高效率的兩個措施,增大1是增大輸出功率的措施。然而圖3.2.4告訴我們,增大增大g1與增大與增大1是

12、互相矛盾的是互相矛盾的。導通角越小,g1越大,效率越高,但1卻越小,輸出功率也就越小。所以要兼顧效率和輸出功率兩個方面,選取合適的導通角。若取=70,此時的集電極效率可達到85.9%,而=120時的集電極效率僅為64%左右。因此,一般以一般以70作為最佳導通角作為最佳導通角,可以兼顧效率和輸出可以兼顧效率和輸出功率兩個重要指標功率兩個重要指標。11011()22c mcmcCCCIUgI U22011()2CmPIR30 例例3.1 在圖3.2.3中,若Uon=0.6 V,g=10mAV,ICm=20mA,又UCC=12V,求當分別為180,90和60時的輸出功率和相應的基極偏壓UBB,以及為

13、60時的集電極效率。(忽略集電極飽和壓降)解解：由圖3.2.4可知:0(60)=0.22,1(180)=1(90)=0.5,1(60)=0.38 Ucm=UCC=12V)cos1(gIUcmbmcoscos(1 cos)CmBBonbmonIUUUUg31所以,當甲類工作時(=180),根據式(3.2.11),(3.2.4),111(180)20 0.5101110 126022200.61.6210 2c mCmoc mcmCmBBonIImAPIUmWIUUVg 在乙類工作時(=90)，有VUUmWPmAIIonBBoCmmc6.060121021105.020)90(1132 當丙類工作

14、時(=60),有%8686.0124.4126.721214.422.020)60(6.45126.7216.738.020)60(010101CCCcmmccCmCoCmmcUIUImAIImWPmAII33由式(3.2.9)可)cos1(gIUcmbmVgIUUUUCmonbmonBB4.1)60cos1(1060cos206.0)cos1(coscos所以由式(3.2.8)可求得:343.2.2 性能分析性能分析 若丙類諧振功放的輸入是振幅為Ubm的單頻余弦信號,那么輸出單頻余弦信號的振幅Ucm與Ubm有什么關系?Ucm的大小受哪些參數影響?式(3.2.1)、(3.2.2)和(3.2.6

15、)分別給出了諧振功放輸入回路、輸出回路和晶體管轉移特性的表達式。由這些公式可以看出,當晶體管確定以后,Ucm的大小與的大小與VBB、VCC、R和和Ubm四個參數有關。利用圖3.2.5所示折線化轉移特性和輸出特性曲線,借助以上三個表達式,我們來分析以上兩個問題。在分析之前,讓我們先確定動態線的情況。35圖 3.2.5 折線化轉移特性和輸出特性分析 36 由式(3.2.1)和式(3.2.2)可寫出：cmCECCbmBBBEUuUUUu代入式(3.2.6),經過整理可得到動態線表達式:iC=gd(uCEU0)其中0bmdcmCCbmBBcmoncmbmUggUUUU UU UUU(3.2.14)37

16、由圖3.2.5中的轉移特性和式（3.2.14）可知，在靜態工作點，因為因為uBE=UBB，故有，故有uCE=UCC，這也是，這也是Q點應該滿足的條點應該滿足的條件。件。綜上所述，輸出特性中的Q點位置應該是在動態線AB的延長線與uCE=UCC的相交處。Q點位于第四象限內并非表示此時iC為負值，而是說明此時iC=0，因為集電極電流不可能反向流動。在丙類工作狀態，Q點是為了作圖的需要而虛設的一個輔助點點是為了作圖的需要而虛設的一個輔助點。38由圖(3.2.5)可以寫出斜率值gd的另一種形式:)cos1(dcmCmUIg因為 Ic1m=ICm1(),R=Ucm/Ic1md11()(1 cos)dRRg

17、(3.2.15)可見，放大區內動態線的斜率是負的，其數值gd（動態電導）與R、兩個參數都有關系，且動態電阻Rd與回路等效總電阻R不相等39 1.負載特性負載特性 若若UBB、UCC和和Ubm三個參數固定三個參數固定,R發生變化,動態線、Ucm以及Po、c等性能指標會有什么變化呢?這就是諧振功放的負載特性。由圖3.2.6可知,UBB和UCC固定意味著Q點固定,Ubm固定進一步意味著也固定。根據式(3.2.14),放大區動態線斜率放大區動態線斜率1/Rd將僅隨將僅隨R而變化而變化。圖中給出了三種不同斜率情況下的動態線。40圖 3.2.6 三種不同斜率情況下的動態線及波形分析41圖 3.2.7 諧振

18、功放的負載特性曲線 42n由圖3.2.7可以看到,隨著R的逐漸增大,動態線的斜率逐漸減小,由欠壓狀態進入臨界狀態,再進入過壓狀態。n在臨界狀態時在臨界狀態時,輸出功率輸出功率Po最大最大,集電極效率集電極效率c接近最大接近最大,所以是最佳工作狀態所以是最佳工作狀態。43 2.放大特性放大特性 若若UBB、UCC、R三個參數固定三個參數固定,輸入Ubm變化變化,此時輸出Ucm以及Po、c等性能指標隨之變化的規律被稱為放大特性放大特性。圖3.2.8是利用折線化轉移特性分析丙類工作時iC波形隨Ubm變化的關系,并給出了Ucm、Ic1m和Ic0與Ubm的關系曲線。由由于于Ubm的變化將導致的變化將導致

19、的變化的變化,從而使輸出特性欠壓區內動態線從而使輸出特性欠壓區內動態線的斜率發生變化的斜率發生變化,所以利用輸出特性分析放大特性不方便44圖 3.2.8 放大特性分析 45 由圖3.2.8可以看到,在欠壓狀態時,Ucm隨隨Ubm增大而增大增大而增大,但不成線性關系但不成線性關系,因為也會隨之增大,使iC脈沖的寬度和高度都隨之增大。僅當處于甲類或乙類甲類或乙類工作狀態時,固定為固定為180或或90,不不會隨會隨Ubm的變化而變化的變化而變化,此時Ucm與Ubm才成正比關系。在過壓狀態,隨著Ubm增加,Ucm幾乎保持不變。46 3.調制特性調制特性 (1)基極調制特性。若若UCC、R和和Ubm固定

20、固定,輸出電壓振幅Ucm隨基極偏壓UBB變化變化的規律被稱為基極調制特性基極調制特性。由于由于UBB和和ub是以串聯迭加方式處于功放的輸入回路是以串聯迭加方式處于功放的輸入回路,所以UBB的變化的變化與ub的振幅Ubm的變化的變化對輸出電流iC和輸出電壓振幅Ucm的影響是類似類似的,可以將圖3.2.9和圖3.2.8(b)進行對照分析?；鶚O調制基極調制的目的是使Ucm隨UBB的變化規律而變化,所以功放應工作在欠壓狀態欠壓狀態,才能使UBB對Ucm有控制作用。47圖 3.2.9 基極調制特性 48 (2)集電極調制特性。若若UBB、R和和Ubm固定固定,輸出電壓振幅Ucm隨集電極電壓UCC變化變化

21、的規律被稱為集電極調制特性。由圖3.2.10(a)可以看到,UCC的變化使得靜態工作點左右平移,從而使欠壓區內的動態線左右平移,動態線的斜率不變。由圖 3.2.10(b)可以看到，在欠壓狀態時,當UCC改變時,Ucm幾乎不變。在過壓狀態時在過壓狀態時,Ucm隨隨UCC而單調變化而單調變化。所以,此時功放應工作在過壓狀態過壓狀態,才能使UCC時對Ucm有控制作用,即振幅調制作用。49圖 3.2.10 集電極調制特性50 4.小結小結 根據以上對丙類諧振功放的性能分析,可得出以下幾點結論:(1)若對等幅信號等幅信號進行功率放大,應使功放工作在臨界狀態臨界狀態,此時輸出功率最大,效率也接近最大。比如

22、對第7章將介紹的調頻信號進行功率放大。(2)若對非等幅信號非等幅信號進行功率放大,應使功放工作在欠壓狀欠壓狀態態,但線性較差。若采用甲類或乙類工作,則線性較好。比如對第6章將介紹的調幅信號進行功率放大。51 (3)丙類諧振功放在進行功率放大的同時,也可進行振幅調制。若調制信號加在基極基極偏壓上,功放應工作在欠壓狀態在欠壓狀態；若調制信號加在集電極集電極電壓上,功放應工作在過壓狀態過壓狀態。(4)回路等效總電阻總電阻R直接影響功放在欠壓區內的動態線動態線斜率斜率,對功放的各項性能指標關系很大,在分析和設計功放時應重視負載特性。52 【例3.3】已知一諧振功放工作在欠壓狀態，如果要將它調整到臨界狀

23、態，需要改變哪些參數？不同調整方法所得到的輸出功率Po是否相同？為什么？解解：可以有四種調整方法。設原輸出功率為Po0，原放大區內動態線及其延長線為AQ1，四種方法得到的輸出功率分別為Po1、Po2、Po3、Po4。53圖3.2.11 例3.3圖 2012cmUPR543.2.3直流饋電線路與匹配網絡直流饋電線路與匹配網絡 1.直流饋電線路直流饋電線路 在高頻功放的輸入回路和輸出回路應分別加上合適的直流偏壓,有關的直流饋電線路可分為串聯饋電串聯饋電和并聯饋電并聯饋電兩種基本電路形式。前者是指晶體管晶體管、直流電源直流電源和回路回路三部分串聯,后者是指這三部分并聯。但無論哪種電路形式,直流偏壓與

24、交流電壓總是串聯迭加的,假定交流電壓是單頻信號,即滿足uBE=UBB+Ubmcost,uCE=UCC-Ucmcost的關系式。55(1)集電極饋電線路。圖3.2.11給出了集電極饋電線路的兩種基本形式。圖 3.2.12 集電極饋電線路(a)串聯饋電；(b)并聯饋電 56串聯串聯饋電方式的優點是Lc和Cc處于高頻地電位,它們對地的分布電容不會影響回路的諧振頻率不會影響回路的諧振頻率,缺點是電容器C的動片不能直接接地,安裝調整不方便安裝調整不方便。并聯并聯饋電方式的優缺點正好相反優缺點正好相反。由于Lc和Cc1不處于高頻地電位,它們對地的分布電容直接影響回路的諧振頻率,但回路處于直流地電位,L、C

25、元件可接地,故安裝調整方便。57 (2)基極饋電線路?；鶚O饋電也有串饋與并饋兩種形式,但對于丙類丙類諧振功放,通常采用自給偏壓方式自給偏壓方式。圖3.2.13給出了幾種基極饋電線路,均為自給偏壓形式。(a)，(b)實現負偏壓負偏壓，Rb，Re分別是負反饋電阻負反饋電阻，可以穩定輸出電壓幅度。(c)是零偏壓58圖 3.2.13諧振功放的基極偏置電路 592.匹配網絡匹配網絡 為了使諧振功放的輸入端能夠從信號源或前級功放得到有有效的功率效的功率,輸出端能夠向負載輸出不失真的最大功率輸出不失真的最大功率或滿足后級功放的要求,在諧振功放的輸入和輸出端必須加上匹配網絡。匹配網絡的作用是在所要求的信號頻帶

26、內進行有效的阻抗變換(根據實際需要使功放工作在臨界點、根據實際需要使功放工作在臨界點、過壓區或欠壓區過壓區或欠壓區),并充分濾除無用的雜散信號。第1章已介紹了幾種基本LC選頻匹配網絡,具體應用時為了產生良好的選頻匹配效果,常采用多節匹配網絡級聯的方式。60 1.高頻諧振功率放大電路可以工作在甲類、乙類或丙類狀態。相比之下,丙類諧振功放的輸出功率雖不及甲類和乙類丙類諧振功放的輸出功率雖不及甲類和乙類大大,但效率高但效率高,節約能源節約能源,所以是高頻功放中經常選用的一種電路形式。2.丙類諧振功放效率高的原因在于導通角小,也就是晶體管導通時間短,集電極功耗減小。但導通角越小,將導致輸出功率越小。所

27、以選擇合適的選擇合適的角角,是丙類諧振功放在兼顧效是丙類諧振功放在兼顧效率和輸出功率兩個指標時的一個重要考慮率和輸出功率兩個指標時的一個重要考慮。3.5 章末小結章末小結61 3.折線分析法是工程上常用的一種近似方法折線分析法是工程上常用的一種近似方法。利用折線分析法可以對丙類諧振功放進行性能分析,得出它的負載特性、放大特性和調制特性。若丙類諧振功放用來放大等幅信號等幅信號(如調頻信號如調頻信號)時時,應該工作在臨界狀態臨界狀態；若用來放大非等幅信號非等幅信號(如調幅信號如調幅信號)時時,應該工作在欠壓欠壓狀態狀態；若用來進行基極調幅基極調幅,應該工作在欠壓狀態欠壓狀態；若用來進行集電極調幅集電極調幅,應該工作在過壓狀態過壓狀態。折線化的動態線在性能分析中起了非常重要的作用。62 4丙類諧振功放的輸入回路輸入回路常采用自給負偏壓自給負偏壓方式,輸輸出回路出回路有串饋串饋和并饋并饋兩種直流饋電方式。為了實現和前后級電路的阻抗匹配前后級電路的阻抗匹配,可以采用LC分立元件、微帶線或傳輸線變壓器幾種不同形式的匹配網絡,分別適用于不同頻段和不同工作狀態。63課后習題n3.2n3.4