微波电路CAD-重庆邮电大学-4

1、微波电路微波电路CAD 主 讲 ：王王 斌斌 光电工程学院光电工程学院4.高频功率放大器高频功率放大器41 概述概述一、功率放大器的工作特点一、功率放大器的工作特点功率放大器的主要目标是要得到功率放大器的主要目标是要得到足够大的信号功率足够大的信号功率输出。在满输出。在满足这个目标的前提下，还要尽量追求具有比较足这个目标的前提下，还要尽量追求具有比较高的效率高的效率、比较、比较小的失真小的失真、比较、比较低的电源电压低的电源电压等方面的指标。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：两类：宽带功放宽带功放（f0

2、/BW0.710)。在在RF频率范围内，多数采用窄带功放电路。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：网络和负载共同构成。其工作特点是：低电压、大电流低电压、大电流。4.高频功率放大器高频功率放大器高频大电流工作引起的几个问题：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、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；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

3、的、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；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、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；的匹配上的问题；d、大电流引起的消耗功率。、大电流引起的消耗功率。高频放大器实现时，通常采用高频放大器实现时，通常采用单管放大单管放大，并使用，并使用共射共射（共源）组态（共源）组态。4.高频功率放大器高频功率放大器二、高频功率放大器性能指标二、高频功率放大器性能指标dcoutcPP/cPdcinoutPAEAPPP)11 ( 集电极效率集电极效率功率增加效率功率增加效率杂散输出与噪声杂散输出与

4、噪声线性特性线性特性功率：手持机功率一般为功率：手持机功率一般为0.30.6W, 基站为基站为10100W效率：效率：功放的重要指标功放的重要指标。直流电源提供的能量一部分转。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。的正常工作造成严重影响。4.高频功率放大器高频功率放大器01121122dccccoc

5、oomc mcdccCCECCEPVIPPPVIPPi v d ti v d t 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：90o ，放大/截止区工作，推挽输出。 C类放大器：D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下面是计算功率和效率的一些主要关系式：系式：n提高效率的途径提高效率的途径 4.高频功率放大器高频功率放大器42 高频功率放大器的分类高频功率放大器的分类按照晶体管导通情况按照晶体管导通情况按照晶体管等效电路按照晶体管等效电路A类类在信号的一周

6、期内管子均导通在信号的一周期内管子均导通B类类在信号的一周期内管子只有一半时间导通在信号的一周期内管子只有一半时间导通C类类导通时间小于一半周期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。属于一类，晶体管等效为受输入信号控制的开关。4.高频功率放大器高频功率放大器43 A、B类功率放大器类功率放大器A类功率放大器类功率放大器为了获得最大输出功率，设置：为了获得最大输出功率，设置：最佳负载为：最佳负载为：maxmax2,2DDDSDQDVVII最大输出功率：最大输出功率：max2opt

7、DDDRVI电源供给功率：电源供给功率：maxmax0.5 (0.5)oDDDPIV最大集电极效率最大集电极效率：dcDQDDPIVmax50%codcPP4.高频功率放大器高频功率放大器B类功率放大器类功率放大器AB类放大器B类放大器半周导通半周截止，类放大器半周导通半周截止，通常做成推挽形式，两个半波通常做成推挽形式，两个半波在负载上合成完整的正弦波。在负载上合成完整的正弦波。212,LLnNNRn R电源供给功率：电源供给功率：222outDDLPVn R集电极效率集电极效率：()22DDdcDD avgDDDDLVPIVVn R78.54%c两管总功率：两管总功率：4.高频功率放大器高

8、频功率放大器44 C类功率放大器类功率放大器C类功率放大器类功率放大器由于由于C类放大器的集电极电流波形是类放大器的集电极电流波形是余弦脉冲余弦脉冲形的，要在负载形的，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。上得到完整的正弦电压波形输出，必须要借助于滤波器。集电集电极接谐振回路极接谐振回路是最常见的方式，因此也称为是最常见的方式，因此也称为C类谐振功率放大类谐振功率放大器。器。4.高频功率放大器高频功率放大器器件的转移特性为器件的转移特性为:0()cBEDcmBEDBEDivVigvVvV其中( )cosiimv tVtcosBEBBimvVVt器件的转移特性器件的转移特性

9、vBE iC:输入信号输入信号vBE : VBB + vi: 当输入信号幅度当输入信号幅度Vim1时，晶体管的转移特性可以用时，晶体管的转移特性可以用折线表示折线表示.4.高频功率放大器高频功率放大器(1cos )mmBBimDmimIgVVVg V)cos0cosarccosBEDBBimDDBBDBBimimvVVVtVVVVVVV时的时的t对应于对应于导通角导通角余弦尖峰脉冲电流最大值：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：步骤如下：（VBB,VD,Vim=,Icm) (ic(t),Ic0,Ic1

10、,Ic2,.,Ze(n0) (Vom,Po,Pdc,c)4.高频功率放大器高频功率放大器( )(cos)(coscos )(coscos )1 coscmBBimDmmimi tgVVtVIg Vtt导通时，集电极输出电流：导通时，集电极输出电流：将将ic展开为傅里叶级数：展开为傅里叶级数：012( )coscos2coscccccni tIItItIn t 由余弦电压分解系数有：由余弦电压分解系数有：( )cnnmII 0100( )( )( )cos( )cosccmni tItnt 4.高频功率放大器高频功率放大器 集电极负载集电极负载Ze(n 0):0222()(1)11()eeeLL

11、RnRZjnQ nQnn其中其中x为集电极电源电压利用率，随着为集电极电源电压利用率，随着x 上升，输出功率上升，输出功率和效率都会上升。和效率都会上升。002221111( )( )( )112222dcccccmccocecmecmccccmPIVI VPI RIRV IV I x1010( )( )|()|( )cosccecmev titZ nIRt 10( )1,2( )occmccdcPVVP xx 其中， 4.高频功率放大器高频功率放大器图中画出了图中画出了03的曲线，其中的曲线，其中 g1()1()/0()，与效率有关，与效率有关4.高频功率放大器高频功率放大器各级电流电压波形

12、如图。各级电流电压波形如图。C类放大器的窄带特性也常类放大器的窄带特性也常用于用于放大窄带信号，放大窄带信号，作为作为AM、FM通信机的末级射频通信机的末级射频功放使用。功放使用。4.高频功率放大器高频功率放大器集电极动态特性集电极动态特性C类功放的集电极电压是由其电流的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。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，最后达到某种响集电极电流的波形，最后达到某种动态平衡。动态平衡。作出以作出以vBE为参变量的输出特性曲线如图为参变量的输出特性曲线如图由输入信号的

13、变化可以得到各时间点上的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到各时间点上的vCE(ti)值，与值，与vBE(ti)对应描点联线，得到的对应描点联线，得到的曲线称为动态线。由动态线可以得到曲线称为动态线。由动态线可以得到ic波形，其基波分量与波形，其基波分量与Re的乘积应当等于的乘积应当等于Vcm。4.高频功率放大器高频功率放大器nC类功放的类功放的3种工作状态和种工作状态和4

14、个电路要素个电路要素 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，即饱和区，即vCEmin(vBEmax)的情况称为的情况称为欠压状态欠压状态。仔细考虑仔细考虑C类功放的工作过程可以看出，放大器的工作状类功放的工作过程可以看出，放大器的工作状态由态由4个要素个要素决定：决定：VBB,Vim,Vcc,Re 。改变任何一个要。改变任何一个要素都有可能使电路的状态变化。素都有可能使电路的状态变化。4.高频功率放大器高频功率放大

15、器负载特性负载特性负载特性是指负载特性是指VBB,Vim,Vcc保持不变，放大器的输出电流、保持不变，放大器的输出电流、电压、功率、效率等随电压、功率、效率等随Re变化的特性。变化的特性。 右图给出了右图给出了Re变化变化时时ic波形的变化情况。波形的变化情况。 Re小，在欠压区，小，在欠压区，Icm大，大， Re大，在过大，在过压区，压区，ic出现凹陷。出现凹陷。 下面的曲线给出了下面的曲线给出了随随Re变化各个主要指变化各个主要指标的变化情况。标的变化情况。4.高频功率放大器高频功率放大器欠压：欠压：Ic1 基本不随基本不随Re变化，功率和效率随变化，功率和效率随Re增大而增大；增大而增大

16、； Re太小时太小时Pc 急剧增加，超过急剧增加，超过PcM会导致过热毁坏。用于调幅信会导致过热毁坏。用于调幅信号放大。号放大。临界：临界：输出功率和效率都比较高，最常采用。用于输出功率和效率都比较高，最常采用。用于FM信号信号放大。放大。过压：过压：效率高、管耗小、输出功率小。推动级调到弱过压，效率高、管耗小、输出功率小。推动级调到弱过压，有稳幅作用。有稳幅作用。 4.高频功率放大器高频功率放大器n集电极调幅特性集电极调幅特性Ic1在过压区随在过压区随Vcc近似线性变化，可实现调幅功能近似线性变化，可实现调幅功能高电平调幅。高电平调幅。VBB,Vim, Re 不变，不变， 输出电流电压随输出

17、电流电压随Vcc变化的特性。变化的特性。4.高频功率放大器高频功率放大器n基极调幅特性基极调幅特性输出电流电压在欠压区随输出电流电压在欠压区随VBB近似线性变化，可用来实近似线性变化，可用来实现调幅。现调幅。Vim,Vcc,Re 不变，不变， 输出电流电压随输出电流电压随VBB变化的特性。变化的特性。4.高频功率放大器高频功率放大器n倍频倍频C类放大器的输出回路调谐到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，得到路选出高次谐波电压输出，得到n倍频器。倍频器。 2倍频器的电流电压波形如图。倍频器的电流电压波形如图。 =120o/n时

18、有最大谐波输出。时有最大谐波输出。 可采用陷波电路减小低次谐波可采用陷波电路减小低次谐波的影响。的影响。4.高频功率放大器高频功率放大器nC类放大器的馈电电路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。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。种形式。串馈：串馈：馈电电路（电源、馈电电路（电源、扼流圈等）与回路、晶扼流圈等）与回路、晶体管串连。体管串连。并馈：并馈：馈电电路与回

19、路、馈电电路与回路、晶体管并连。晶体管并连。两种电路均满足：两种电路均满足：( )CECCcvVv t4.高频功率放大器高频功率放大器基极馈电电路用基极馈电电路用VBB时，也有串馈和并馈两种形式。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：讨论基极偏置时，也常用偏置来源进行分类：外偏置：外偏置：通过外加偏置电路给基极提供合适偏置；通过外加偏置电路给基极提供合适偏置；自偏置：自偏置：通过射极或基极反馈电阻获得直流负向偏压；通过射极或基极反馈电阻获得直流负向偏压；信号偏置：信号偏置：由信号引起电容充放电获得直流负向偏置；由信号引起电容充放电获得直流负向偏置；4.高频功率放大

20、器高频功率放大器基极馈电经常采用基极馈电经常采用自给偏压自给偏压（自偏置）的形式。由于基极（自偏置）的形式。由于基极电流脉冲的平均值一般不为电流脉冲的平均值一般不为0，在偏置电阻（或扼流圈内，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。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，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。具有自稳幅的效果。4.高频功率放大器高频功率放大器n谐振功率放大

21、器的调谐和调谐振功率放大器的调谐和调整整 调谐：失谐时调谐：失谐时Vcm减小，减小，Po下降，下降，Pc上升，上升，烧管。烧管。 以以Ic0为标志，为标志，1/3Vcc 下改变下改变回路元件参数使回路元件参数使Ic0达到最小。达到最小。 调整：在保证回路谐振的条调整：在保证回路谐振的条件下调整元件参数，改变件下调整元件参数，改变Re以保证放大器工作在最佳的状以保证放大器工作在最佳的状态下。以态下。以IA最大（或功率计指最大（或功率计指示最大）为标志进行调整。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。电容。4.高频功率放大器高频功率放大器n谐振功率放大器的实用电路谐振功率放大器的实用电路4