微波電路CAD-重慶郵電大學(xué)-4

1、微波電路微波電路CAD 主 講 ：王王 斌斌 光電工程學(xué)院光電工程學(xué)院4.高頻功率放大器高頻功率放大器41 概述概述一、功率放大器的工作特點(diǎn)一、功率放大器的工作特點(diǎn)功率放大器的主要目標(biāo)是要得到功率放大器的主要目標(biāo)是要得到足夠大的信號(hào)功率足夠大的信號(hào)功率輸出。在滿輸出。在滿足這個(gè)目標(biāo)的前提下，還要盡量追求具有比較足這個(gè)目標(biāo)的前提下，還要盡量追求具有比較高的效率高的效率、比較、比較小的失真小的失真、比較、比較低的電源電壓低的電源電壓等方面的指標(biāo)。等方面的指標(biāo)。 從功放的使用要求來看，根據(jù)其工作頻率范圍大體上可分為從功放的使用要求來看，根據(jù)其工作頻率范圍大體上可分為兩類：兩類：寬帶功放寬帶功放（f0

2、/BW0.710)。在在RF頻率范圍內(nèi)，多數(shù)采用窄帶功放電路。頻率范圍內(nèi)，多數(shù)采用窄帶功放電路。 高頻功率放大器由：晶體管、偏置電路、扼流圈、阻抗變換高頻功率放大器由：晶體管、偏置電路、扼流圈、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載共同構(gòu)成。其工作特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載共同構(gòu)成。其工作特點(diǎn)是：低電壓、大電流低電壓、大電流。4.高頻功率放大器高頻功率放大器高頻大電流工作引起的幾個(gè)問題：高頻大電流工作引起的幾個(gè)問題：a、大電流工作對(duì)晶體管的制作工藝提出了特定要、大電流工作對(duì)晶體管的制作工藝提出了特定要求，大電流與芯片面積、極間電容間的矛盾；求，大電流與芯片面積、極間電容間的矛盾；b、高頻率工作所引起的電路寄生參數(shù)影響增大

3、的、高頻率工作所引起的電路寄生參數(shù)影響增大的問題，以射極引線電感為代表；問題，以射極引線電感為代表；c、大功率與晶體管相對(duì)較小的輸入輸出阻抗引起、大功率與晶體管相對(duì)較小的輸入輸出阻抗引起的匹配上的問題；的匹配上的問題；d、大電流引起的消耗功率。、大電流引起的消耗功率。高頻放大器實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用高頻放大器實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用單管放大單管放大，并使用，并使用共射共射（共源）組態(tài)（共源）組態(tài)。4.高頻功率放大器高頻功率放大器二、高頻功率放大器性能指標(biāo)二、高頻功率放大器性能指標(biāo)dcoutcPP/cPdcinoutPAEAPPP)11 ( 集電極效率集電極效率功率增加效率功率增加效率雜散輸出與噪聲雜散輸出與

4、噪聲線性特性線性特性功率：手持機(jī)功率一般為功率：手持機(jī)功率一般為0.30.6W, 基站為基站為10100W效率：效率：功放的重要指標(biāo)功放的重要指標(biāo)。直流電源提供的能量一部分轉(zhuǎn)。直流電源提供的能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)輸出，另一部分則消耗在晶體管及耦合電變?yōu)榻涣餍盘?hào)輸出，另一部分則消耗在晶體管及耦合電路上。損耗的存在不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的下降，更重要的路上。損耗的存在不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的下降，更重要的是它轉(zhuǎn)換成熱能后會(huì)使晶體管的溫度迅速上升，對(duì)電路是它轉(zhuǎn)換成熱能后會(huì)使晶體管的溫度迅速上升，對(duì)電路的正常工作造成嚴(yán)重影響。的正常工作造成嚴(yán)重影響。4.高頻功率放大器高頻功率放大器01121122dccccoc

5、oomc mcdccCCECCEPVIPPPVIPPi v d ti v d t 從Pc的表達(dá)式可以看出，對(duì)于工作在放大區(qū)的晶體管電路來講，減小晶體管的導(dǎo)通時(shí)間減小晶體管的導(dǎo)通時(shí)間是提高效率的一個(gè)有效途徑。 B類放大器：90o ，放大/截止區(qū)工作，推挽輸出。 C類放大器：D類放大器：飽和/截止區(qū)工作，低通濾波(續(xù)流)輸出。下面是計(jì)算功率和效率的一些主要關(guān)下面是計(jì)算功率和效率的一些主要關(guān)系式：系式：n提高效率的途徑提高效率的途徑 4.高頻功率放大器高頻功率放大器42 高頻功率放大器的分類高頻功率放大器的分類按照晶體管導(dǎo)通情況按照晶體管導(dǎo)通情況按照晶體管等效電路按照晶體管等效電路A類類在信號(hào)的一周

6、期內(nèi)管子均導(dǎo)通在信號(hào)的一周期內(nèi)管子均導(dǎo)通B類類在信號(hào)的一周期內(nèi)管子只有一半時(shí)間導(dǎo)通在信號(hào)的一周期內(nèi)管子只有一半時(shí)間導(dǎo)通C類類導(dǎo)通時(shí)間小于一半周期導(dǎo)通時(shí)間小于一半周期A、B、C屬于一類，晶體管等效為一個(gè)受控電流源屬于一類，晶體管等效為一個(gè)受控電流源D、E、F屬于一類，晶體管等效為受輸入信號(hào)控制的開關(guān)。屬于一類，晶體管等效為受輸入信號(hào)控制的開關(guān)。4.高頻功率放大器高頻功率放大器43 A、B類功率放大器類功率放大器A類功率放大器類功率放大器為了獲得最大輸出功率，設(shè)置：為了獲得最大輸出功率，設(shè)置：最佳負(fù)載為：最佳負(fù)載為：maxmax2,2DDDSDQDVVII最大輸出功率：最大輸出功率：max2opt

7、DDDRVI電源供給功率：電源供給功率：maxmax0.5 (0.5)oDDDPIV最大集電極效率最大集電極效率：dcDQDDPIVmax50%codcPP4.高頻功率放大器高頻功率放大器B類功率放大器類功率放大器AB類放大器B類放大器半周導(dǎo)通半周截止，類放大器半周導(dǎo)通半周截止，通常做成推挽形式，兩個(gè)半波通常做成推挽形式，兩個(gè)半波在負(fù)載上合成完整的正弦波。在負(fù)載上合成完整的正弦波。212,LLnNNRn R電源供給功率：電源供給功率：222outDDLPVn R集電極效率集電極效率：()22DDdcDD avgDDDDLVPIVVn R78.54%c兩管總功率：兩管總功率：4.高頻功率放大器高

8、頻功率放大器44 C類功率放大器類功率放大器C類功率放大器類功率放大器由于由于C類放大器的集電極電流波形是類放大器的集電極電流波形是余弦脈沖余弦脈沖形的，要在負(fù)載形的，要在負(fù)載上得到完整的正弦電壓波形輸出，必須要借助于濾波器。上得到完整的正弦電壓波形輸出，必須要借助于濾波器。集電集電極接諧振回路極接諧振回路是最常見的方式，因此也稱為是最常見的方式，因此也稱為C類諧振功率放大類諧振功率放大器。器。4.高頻功率放大器高頻功率放大器器件的轉(zhuǎn)移特性為器件的轉(zhuǎn)移特性為:0()cBEDcmBEDBEDivVigvVvV其中( )cosiimv tVtcosBEBBimvVVt器件的轉(zhuǎn)移特性器件的轉(zhuǎn)移特性

9、vBE iC:輸入信號(hào)輸入信號(hào)vBE : VBB + vi: 當(dāng)輸入信號(hào)幅度當(dāng)輸入信號(hào)幅度Vim1時(shí)，晶體管的轉(zhuǎn)移特性可以用時(shí)，晶體管的轉(zhuǎn)移特性可以用折線表示折線表示.4.高頻功率放大器高頻功率放大器(1cos )mmBBimDmimIgVVVg V)cos0cosarccosBEDBBimDDBBDBBimimvVVVtVVVVVVV時(shí)的時(shí)的t對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通角導(dǎo)通角余弦尖峰脈沖電流最大值：余弦尖峰脈沖電流最大值：在信號(hào)的整周期內(nèi)輸出端不進(jìn)入飽和區(qū)的情況下，求解在信號(hào)的整周期內(nèi)輸出端不進(jìn)入飽和區(qū)的情況下，求解步驟如下：步驟如下：（VBB,VD,Vim=,Icm) (ic(t),Ic0,Ic1

10、,Ic2,.,Ze(n0) (Vom,Po,Pdc,c)4.高頻功率放大器高頻功率放大器( )(cos)(coscos )(coscos )1 coscmBBimDmmimi tgVVtVIg Vtt導(dǎo)通時(shí)，集電極輸出電流：導(dǎo)通時(shí)，集電極輸出電流：將將ic展開為傅里葉級(jí)數(shù)：展開為傅里葉級(jí)數(shù)：012( )coscos2coscccccni tIItItIn t 由余弦電壓分解系數(shù)有：由余弦電壓分解系數(shù)有：( )cnnmII 0100( )( )( )cos( )cosccmni tItnt 4.高頻功率放大器高頻功率放大器 集電極負(fù)載集電極負(fù)載Ze(n 0):0222()(1)11()eeeLL

11、RnRZjnQ nQnn其中其中x為集電極電源電壓利用率，隨著為集電極電源電壓利用率，隨著x 上升，輸出功率上升，輸出功率和效率都會(huì)上升。和效率都會(huì)上升。002221111( )( )( )112222dcccccmccocecmecmccccmPIVI VPI RIRV IV I x1010( )( )|()|( )cosccecmev titZ nIRt 10( )1,2( )occmccdcPVVP xx 其中， 4.高頻功率放大器高頻功率放大器圖中畫出了圖中畫出了03的曲線，其中的曲線，其中 g1()1()/0()，與效率有關(guān)，與效率有關(guān)4.高頻功率放大器高頻功率放大器各級(jí)電流電壓波形

12、如圖。各級(jí)電流電壓波形如圖。C類放大器的窄帶特性也常類放大器的窄帶特性也常用于用于放大窄帶信號(hào)，放大窄帶信號(hào)，作為作為AM、FM通信機(jī)的末級(jí)射頻通信機(jī)的末級(jí)射頻功放使用。功放使用。4.高頻功率放大器高頻功率放大器集電極動(dòng)態(tài)特性集電極動(dòng)態(tài)特性C類功放的集電極電壓是由其電流的類功放的集電極電壓是由其電流的基波分量在回路的諧振電阻上得到的?；ǚ至吭诨芈返闹C振電阻上得到的。實(shí)際上集電極電壓的波形會(huì)反過來影實(shí)際上集電極電壓的波形會(huì)反過來影響集電極電流的波形，最后達(dá)到某種響集電極電流的波形，最后達(dá)到某種動(dòng)態(tài)平衡。動(dòng)態(tài)平衡。作出以作出以vBE為參變量的輸出特性曲線如圖為參變量的輸出特性曲線如圖由輸入信號(hào)的

13、變化可以得到各時(shí)間點(diǎn)上的由輸入信號(hào)的變化可以得到各時(shí)間點(diǎn)上的 vBE(ti)值；由于回路的選頻作用，集電極電壓始終為直流疊值；由于回路的選頻作用，集電極電壓始終為直流疊加余弦的形式，設(shè)其幅度恰好達(dá)到平衡時(shí)的值，可由此得加余弦的形式，設(shè)其幅度恰好達(dá)到平衡時(shí)的值，可由此得到各時(shí)間點(diǎn)上的到各時(shí)間點(diǎn)上的vCE(ti)值，與值，與vBE(ti)對(duì)應(yīng)描點(diǎn)聯(lián)線，得到的對(duì)應(yīng)描點(diǎn)聯(lián)線，得到的曲線稱為動(dòng)態(tài)線。由動(dòng)態(tài)線可以得到曲線稱為動(dòng)態(tài)線。由動(dòng)態(tài)線可以得到ic波形，其基波分量與波形，其基波分量與Re的乘積應(yīng)當(dāng)?shù)扔诘某朔e應(yīng)當(dāng)?shù)扔赩cm。4.高頻功率放大器高頻功率放大器nC類功放的類功放的3種工作狀態(tài)和種工作狀態(tài)和4

14、個(gè)電路要素個(gè)電路要素 隨著輸入幅度的增加，可以看出集電極電流脈沖的幅度和電隨著輸入幅度的增加，可以看出集電極電流脈沖的幅度和電壓幅度也會(huì)增加，當(dāng)電壓幅度增大到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入壓幅度也會(huì)增加，當(dāng)電壓幅度增大到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入飽和區(qū)，即飽和區(qū)，即vCEmin(vBEmax)的情況稱為的情況稱為欠壓狀態(tài)欠壓狀態(tài)。仔細(xì)考慮仔細(xì)考慮C類功放的工作過程可以看出，放大器的工作狀類功放的工作過程可以看出，放大器的工作狀態(tài)由態(tài)由4個(gè)要素個(gè)要素決定：決定：VBB,Vim,Vcc,Re 。改變?nèi)魏我粋€(gè)要。改變?nèi)魏我粋€(gè)要素都有可能使電路的狀態(tài)變化。素都有可能使電路的狀態(tài)變化。4.高頻功率放大器高頻功率放大

15、器負(fù)載特性負(fù)載特性負(fù)載特性是指負(fù)載特性是指VBB,Vim,Vcc保持不變，放大器的輸出電流、保持不變，放大器的輸出電流、電壓、功率、效率等隨電壓、功率、效率等隨Re變化的特性。變化的特性。 右圖給出了右圖給出了Re變化變化時(shí)時(shí)ic波形的變化情況。波形的變化情況。 Re小，在欠壓區(qū)，小，在欠壓區(qū)，Icm大，大， Re大，在過大，在過壓區(qū)，壓區(qū)，ic出現(xiàn)凹陷。出現(xiàn)凹陷。 下面的曲線給出了下面的曲線給出了隨隨Re變化各個(gè)主要指變化各個(gè)主要指標(biāo)的變化情況。標(biāo)的變化情況。4.高頻功率放大器高頻功率放大器欠壓：欠壓：Ic1 基本不隨基本不隨Re變化，功率和效率隨變化，功率和效率隨Re增大而增大；增大而增大

16、； Re太小時(shí)太小時(shí)Pc 急劇增加，超過急劇增加，超過PcM會(huì)導(dǎo)致過熱毀壞。用于調(diào)幅信會(huì)導(dǎo)致過熱毀壞。用于調(diào)幅信號(hào)放大。號(hào)放大。臨界：臨界：輸出功率和效率都比較高，最常采用。用于輸出功率和效率都比較高，最常采用。用于FM信號(hào)信號(hào)放大。放大。過壓：過壓：效率高、管耗小、輸出功率小。推動(dòng)級(jí)調(diào)到弱過壓，效率高、管耗小、輸出功率小。推動(dòng)級(jí)調(diào)到弱過壓，有穩(wěn)幅作用。有穩(wěn)幅作用。 4.高頻功率放大器高頻功率放大器n集電極調(diào)幅特性集電極調(diào)幅特性Ic1在過壓區(qū)隨在過壓區(qū)隨Vcc近似線性變化，可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能近似線性變化，可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能高電平調(diào)幅。高電平調(diào)幅。VBB,Vim, Re 不變，不變， 輸出電流電壓隨輸出

17、電流電壓隨Vcc變化的特性。變化的特性。4.高頻功率放大器高頻功率放大器n基極調(diào)幅特性基極調(diào)幅特性輸出電流電壓在欠壓區(qū)隨輸出電流電壓在欠壓區(qū)隨VBB近似線性變化，可用來實(shí)近似線性變化，可用來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。現(xiàn)調(diào)幅。Vim,Vcc,Re 不變，不變， 輸出電流電壓隨輸出電流電壓隨VBB變化的特性。變化的特性。4.高頻功率放大器高頻功率放大器n倍頻倍頻C類放大器的輸出回路調(diào)諧到類放大器的輸出回路調(diào)諧到2次或其它高次諧波頻率上時(shí)，回次或其它高次諧波頻率上時(shí)，回路選出高次諧波電壓輸出，得到路選出高次諧波電壓輸出，得到n倍頻器。倍頻器。 2倍頻器的電流電壓波形如圖。倍頻器的電流電壓波形如圖。 =120o/n時(shí)

18、有最大諧波輸出。時(shí)有最大諧波輸出。 可采用陷波電路減小低次諧波可采用陷波電路減小低次諧波的影響。的影響。4.高頻功率放大器高頻功率放大器nC類放大器的饋電電路類放大器的饋電電路饋電電路的作用是為晶體管提供合適的集電極回路和基饋電電路的作用是為晶體管提供合適的集電極回路和基極回路的直流供電。兩種集電極饋電電路如下圖。極回路的直流供電。兩種集電極饋電電路如下圖。根據(jù)饋電電路與回路的連接關(guān)系，可分為串饋與并饋兩根據(jù)饋電電路與回路的連接關(guān)系，可分為串饋與并饋兩種形式。種形式。串饋：串饋：饋電電路（電源、饋電電路（電源、扼流圈等）與回路、晶扼流圈等）與回路、晶體管串連。體管串連。并饋：并饋：饋電電路與回

19、路、饋電電路與回路、晶體管并連。晶體管并連。兩種電路均滿足：兩種電路均滿足：( )CECCcvVv t4.高頻功率放大器高頻功率放大器基極饋電電路用基極饋電電路用VBB時(shí)，也有串饋和并饋兩種形式。時(shí)，也有串饋和并饋兩種形式。討論基極偏置時(shí)，也常用偏置來源進(jìn)行分類：討論基極偏置時(shí)，也常用偏置來源進(jìn)行分類：外偏置：外偏置：通過外加偏置電路給基極提供合適偏置；通過外加偏置電路給基極提供合適偏置；自偏置：自偏置：通過射極或基極反饋電阻獲得直流負(fù)向偏壓；通過射極或基極反饋電阻獲得直流負(fù)向偏壓；信號(hào)偏置：信號(hào)偏置：由信號(hào)引起電容充放電獲得直流負(fù)向偏置；由信號(hào)引起電容充放電獲得直流負(fù)向偏置；4.高頻功率放大

20、器高頻功率放大器基極饋電經(jīng)常采用基極饋電經(jīng)常采用自給偏壓自給偏壓（自偏置）的形式。由于基極（自偏置）的形式。由于基極電流脈沖的平均值一般不為電流脈沖的平均值一般不為0，在偏置電阻（或扼流圈內(nèi)，在偏置電阻（或扼流圈內(nèi)阻）上會(huì)生一個(gè)負(fù)的偏壓，可用作為基極直流偏置電壓。阻）上會(huì)生一個(gè)負(fù)的偏壓，可用作為基極直流偏置電壓。若基極電流脈沖幅度增大，所產(chǎn)生的負(fù)偏壓就增大，會(huì)導(dǎo)若基極電流脈沖幅度增大，所產(chǎn)生的負(fù)偏壓就增大，會(huì)導(dǎo)致基極的激勵(lì)信號(hào)減小，從而抑制了基極電流增大的趨勢(shì)，致基極的激勵(lì)信號(hào)減小，從而抑制了基極電流增大的趨勢(shì)，具有自穩(wěn)幅的效果。具有自穩(wěn)幅的效果。4.高頻功率放大器高頻功率放大器n諧振功率放大

21、器的調(diào)諧和調(diào)諧振功率放大器的調(diào)諧和調(diào)整整 調(diào)諧：失諧時(shí)調(diào)諧：失諧時(shí)Vcm減小，減小，Po下降，下降，Pc上升，上升，燒管。燒管。 以以Ic0為標(biāo)志，為標(biāo)志，1/3Vcc 下改變下改變回路元件參數(shù)使回路元件參數(shù)使Ic0達(dá)到最小。達(dá)到最小。 調(diào)整：在保證回路諧振的條調(diào)整：在保證回路諧振的條件下調(diào)整元件參數(shù)，改變件下調(diào)整元件參數(shù)，改變Re以保證放大器工作在最佳的狀以保證放大器工作在最佳的狀態(tài)下。以態(tài)下。以IA最大（或功率計(jì)指最大（或功率計(jì)指示最大）為標(biāo)志進(jìn)行調(diào)整。示最大）為標(biāo)志進(jìn)行調(diào)整。注意：儀表必須連接到高頻地電位處。直流表應(yīng)當(dāng)加旁路注意：儀表必須連接到高頻地電位處。直流表應(yīng)當(dāng)加旁路電容。電容。4.高頻功率放大器高頻功率放大器n諧振功率放大器的實(shí)用電路諧振功率放大器的實(shí)用電路4