第五章高频功率放大器

1、第六章 高频功率放大器1振荡器振荡器倍频器倍频器缓冲器缓冲器放大器放大器调制器调制器功率功率放大器放大器低频功低频功率放大率放大低频低频放大器放大器信号源信号源n高频功放用于发射机末级高频功放用于发射机末级（大信号非线性电路）（大信号非线性电路）高高频谐振功放：发频谐振功放：发射机中的高频放大器射机中的高频放大器小信号小信号大信号大信号高频谐振功放应用在什么地方？高频谐振功放应用在什么地方？2放大高频大信号使发射机末级获得足够大的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。发射功率。高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出为什么要使用高频功放？为什么要使用高频功放？使用高频功率放器的目的使

2、用高频功率放器的目的高频功率信号放大器使用中需要解决的两高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：个问题：34功率功率放器放器的指标的指标1.工作频率范围工作频率范围指放大器满足各级指标的工作频率范围。放指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。工作频率范围。2.功率增益功率增益指放大器输出功率和输入功率的比值，单位指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用常用“dB”3.噪声系数噪声系数5功率功率放器放器的指标的指标4.增益平坦度增益平坦度(G)指在一定温度下，在整个工作频率范围内，指在一定温度下，在整个

3、工作频率范围内，放大器增益变化的范围放大器增益变化的范围65.线性度线性度(1dB压缩点压缩点)放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线性放大器，功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线性放大器，这两个功率之比就是功率增益这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大，。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的线性增加，也就是说，其输出功率低于

4、小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义时的输出功率值定义为输出功率的为输出功率的1dB压缩点压缩点76.效率效率87.交调失真交调失真(intermodulation )交调失真是具有不同频率的两个或更多的输入信号经过功率放大器而产生的混合分量，它是由于功率放大器的非线性造成的。若输入 l 个信号，其角频率分别是1、2、l，由于功率放大器的非线性作用，输出分量中将包含许多混合分量, 2 , 1 , 0,21pnmpnml各分量分别称为（m+n+p）阶交调分量。功率放大器的非线性越强，交调分量越大。交调分量的大小可以用交调系数表

5、示，假如输入 l 个等幅信号， （m+p）阶交调系数可以写成dBc lg10lg101lpmpmpmPPPPM式中，P1、Pl分别对应于角频率1、l的波输入功率；Pm+p是（m+p）阶交调功率。Mm+p的单位是 dBc，它的含义是交调分量比载频分量的分贝数。9107.邻道失真（邻道失真（ACPR）ACPR主要应用在象主要应用在象CDMA这样的宽频谱信号的研究上。邻道这样的宽频谱信号的研究上。邻道功率（功率（ACP）定义为当主信道加一信号时，紧邻主信道的两）定义为当主信道加一信号时，紧邻主信道的两个信道内的功率大小。邻道功率的产生主要来自两个方面，个信道内的功率大小。邻道功率的产生主要来自两个方

6、面，一是由于器件的非线性作用产生，二是由于主信道信号本身一是由于器件的非线性作用产生，二是由于主信道信号本身频谱较信道宽。频谱较信道宽。ACPR定义为定义为ACP功率与主信道功率的比值。功率与主信道功率的比值。11一个典型的多载波线性功放的参数如下：参数参数规格规格频率2110-2170MHz输出功率30W（每模块）增益501dB（在整个频率范围内）增益平坦度1dB（在整个温度和频率范围内）信道带内平坦度0.2dB（在任一5MHz信道内）输出取样增益502 dB邻信道泄漏功率比48dBc5MHz53dBc10MHz频谱辐射模板见规范3gpp25.104。谐波2nd：45dBc，3rd：60dB

7、c带外杂散 10%动态范围25dB内波动小于0.5dBMTBF100000小时电压增益：电压增益：1)/(beLcrRR1)/)(1 ()/()1 (LebeLeRRrRR1)/(beLcrRR电流增益：电流增益：+1 三种组态的基本放大电路三种组态的基本放大电路CECCCB1. 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点omomomomo2122IVIVP输出功率输出功率 ABQ 功率三角形功率三角形 允许轻微非线性波形失真。允许轻微非线性波形失真。 要想要想Po大，应使大，应使Vom 和和Iom都要大。都要大。非线性非线性(大信号大信号)1. 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点

8、 非线性非线性(大信号大信号) 管子工作在接近极限状态。管子工作在接近极限状态。2. 要解决的问题要解决的问题163. 提高效率的途径提高效率的途径PPo=率直流电源提供的直流功输出功率)()(=)(T o直流功耗交流功率直流电源功率PPPvi= 0 0vi= V V0 0sinsint tToo=PPPtVTPCTCCd10i 17(a)甲类甲类 class-A amplifier(b)乙类乙类 class-B amplifier(c)甲乙类甲乙类 class-AB amplifier(d)丙类丙类 class-C amplifier4. 分类分类18各类功放的特点n甲类功放：全部工作与线性

9、区，理论上无失真，输出信号为全周期，但由于静态工作点电流大，故管耗大，放大电路效率低，所以它主要用于小功率放大电路中。n乙类功放：输出信号为半周期，一半工作于线性区由于乙类与甲乙类放大输出波形失真严重，所以在实际电路中均采用两管轮流导通的推挽电路来减少失真n甲乙类功放界于甲类和乙类之间max50%max78%n丙类功放：输出信号的导通时间小于半周期n丁类功放：三极管处于开关状态，也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理

10、论上失真低、线性佳。但这种功放工作复杂度高。max90% 丙类丙类(C类类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。5. 效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0Clowhigh3n2 2021通通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。5. 效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器丙类丙类32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管2

11、26. 高频功高频功放放与低频功与低频功放的比较放的比较相同相同: 要求输出功率大，效率高要求输出功率大，效率高不同不同:低频（音频）低频（音频）: 20Hz20kHz1000minmaxff高频（射频）高频（射频）:3minmaxff（以调幅为例（以调幅为例 ） ttmVtcoscos1)(fomov已调信号已调信号lowhighAM广播信号广播信号: 535kHz1605kHz，BW=10kHz1001k1000k100fBW2k10k200fBW高频窄带信号高频窄带信号工作频率与相对频宽不同工作频率与相对频宽不同,QffB.0702谐振谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处功率放大器

12、与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQVbetooicticVbetooictVBZVbb谐振谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处: :都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率

13、高。 功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。器的效率。 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号( (信号的通信号的通带宽度只有其中心频率的带宽度只有其中心频率的1%1%或更小或更小) )，其工作状态通常选为，其工作状态通常选为丙类工作状态丙类工作状态( ( c c18180 0 ) )，为了不失真的放大信号，它的，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。负载必须是谐振回路。 非谐振放大器可

14、分为低频功率放大器和宽带高频功率放非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。7. 功放设计中各方面的折中关系功放设计中各方面的折中关系（1） 丙类导通角丙类导通角回路损耗电阻回路损耗电阻r1 11. 输出匹配网络输出匹配网络图图中，中，r为等效到谐振回路的负载电阻，为等效到谐振回路的负载电阻，r1为谐振回路本身的为谐振回路本身的损耗电阻损耗电阻。中介回路效率可以表示为：。中介回路效率

15、可以表示为：212110112=11=11()2kkpLpkI rRrQrrrrrRQIrr 回路送至负载的功率电子器件送至回路的总功率732. 输入匹配网络与级间耦合网络输入匹配网络与级间耦合网络 现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。为能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器，它不需要调谐回路，就能在很宽的高频功率放大器，它不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。波段范围内获得线

16、性放大。 最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器器做耦合电路的放大器。宽带变压器有两种形式：一种做耦合电路的放大器。宽带变压器有两种形式：一种是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁心，可工是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁心，可工作到短波波段；另一种是利用传输线原理与变压器原作到短波波段；另一种是利用传输线原理与变压器原理二者结合的所谓传输线变压器，这是最常用的一种理二者结合的所谓传输线变压器，这是最常用的一种宽带变压器。宽带变压器。理想变压器理想变压器阻抗变换比阻抗变换比LLRNNR221)(带宽无穷带宽无穷无损耗、无漏感、初无损耗、无漏感、初

17、 级电感量级电感量 L L1 1无穷无穷实际变压器：实际变压器：II1I2热损耗热损耗理想变压器理想变压器SR磁芯损耗磁芯损耗0R分布电容分布电容0C初级电感量初级电感量1L漏感漏感SL影响频带主要因素影响频带主要因素低端低端高端高端1L00CR、2 . 传输线变压器结构与特点传输线变压器结构与特点传输线变压器传输线变压器用传输线（相互绝缘的双导线扭绞在用传输线（相互绝缘的双导线扭绞在一起、细同轴电缆）绕制在磁环上而成一起、细同轴电缆）绕制在磁环上而成 传输线传输线用来传输高频信号的双导线、同轴线等用来传输高频信号的双导线、同轴线等（当其线长与传输信号的波长可以比拟时，即称为传输（当其线长与传

18、输信号的波长可以比拟时，即称为传输线）线）无损耗无损耗（2）.传输线变压器的结构传输线变压器的结构传输线、高导磁率磁芯、传输线、高导磁率磁芯、iRCZV1V2I2I1V1=V2、I1=I2线长线长8l（3）.传输线变压器传输能量的方式传输线变压器传输能量的方式高频段高频段传输线方式传输线方式低频段低频段变压器方式变压器方式（4）. 影响传输线变压器频带的因素影响传输线变压器频带的因素特点：特点：频带宽频带宽高频宽带变压器高频宽带变压器低端：低端：初级线圈电感量初级线圈电感量高端：高端：线长线长 ？8l三、传输线变压器功能三、传输线变压器功能1对称与不对称变换对称与不对称变换对称对称 不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换为对不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号，如地不对称的单端输出信号，如图图 146( (a) )所示。所示。图图 1-4-6对称与不对称变压器对称与不对称变压器( (a) ) 对称对称- -不对称不对称( (b) ) 不对称不对称- -对称对称不对称不对称 对称变换，将对地不对称的单端输入信号转换为对称变换，将对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号，如图对地对称的双端输出信号，如图 146( (b