高頻電子電路2.4-2.6

1、2.4 高頻功率放大器的實用電路 根根據據直直流流電電源源連連接接方方式式的的不不同同，可可分分為為：串串聯(lián)聯(lián)饋饋電電線線路路：直直流流電電源源、匹匹配配網網絡絡和和晶晶體體管管三三者者形形成成串串聯(lián)聯(lián)連連接接的的方方式式。并并聯(lián)聯(lián)饋饋電電線線路路：直直流流電電源源、匹匹配配網網絡絡和和晶晶體體管管三三者者形形成成并并聯(lián)聯(lián)連連接接的的方方式式。兩兩種種饋饋電電方方式式雖雖然然電電路路結結構構不不同同，但但對對電電路路來來說說，總總應應有有：tUEucCce cos1 交流匹配網絡：有效地傳輸交流功率信號。交流匹配網絡：有效地傳輸交流功率信號。直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；直流饋電線

2、路：為晶體管各級提供合適的偏置； 電路組成：輸入回路、晶體管、輸出回路。也可認為電路組成：輸入回路、晶體管、輸出回路。也可認為是由是由直流饋電電路直流饋電電路和和匹配網絡匹配網絡組成。組成。2.4.1 直流饋電電路 （1） 集集電電極極饋饋電電電電路路的的組組成成原原則則： ci的的直直流流分分量量COI除除晶晶體體 管管的的內內阻阻外外，應應予予以以短短路路， 以以保保證證CE全全部部加加在在集集電電極極 上上，避避免免管管外外電電路路消消耗耗電電源源 功功率率，即即CCODEIP ci的的 基基 波波 分分 量量1CI只只 應應 在在 負負 載載 回回 路路 上上 產產 生生 電電 壓壓

3、降降 ， 其其 余余 部部 分分 電電 路路 對對1CI應應 短短 路路 。 ci的的 高高 次次 諧諧 波波 分分 量量CnI 不不 應應 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此CnI對對 晶晶 體體 管管 外外 的的 電電 路路 應應 盡盡 可可 能能 短短 路路 。 IcoECIc1CLIcn 1、集電極饋電電路、集電極饋電電路 LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT（2） 常常用用的的集集電電極極串串饋饋和和并并饋饋電電路路如如下下圖圖所所示示：cL高高頻頻扼扼流流圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高頻頻旁旁路路電電容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔

4、直直電電容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上兩兩個個電電路路勻勻滿滿足足： tUEucCce cos1 ICO直流通路直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路交流通路ICniC頻譜頻譜 2 30LC回路阻抗特性回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2 基極饋電線路基極饋電線路對對基基級級饋饋電電線線路路來來說說，也也有有串串聯(lián)聯(lián)和和并并聯(lián)聯(lián)兩兩

5、種種形形式式。在在實實際際應應用用中中，由由于于基基極極饋饋電電電電路路中中采采用用單單獨獨電電源源BBU不不方方便便，通通常常采采用用自自給給偏偏壓壓的的方方式式提提供供基基極極偏偏置置。 (1) 利利用用基基極極回回路路直直流流BOI產產生生偏偏壓壓bBOBBRIU IBOUBB(2) 利利用用BOI在在bbr上上產產生生偏偏壓壓bbBOBBrIU ，注注意意：一一般般bbr 很很小小，所所以以BBU很很小小且且不不穩(wěn)穩(wěn)定定。 IBO(3) 利利用用射射極極電電流流eoI在在eR上上產產生生偏偏壓壓eeoBBRIU ，而而且且這這種種電電路路能能自自動動維維持持放放大大器器的的工工作作穩(wěn)穩(wěn)

6、定定。 Ieo +UBB -2.4.2 高頻功放的耦合回路-濾波匹配網絡RiRoRLRS功功 率率放大器放大器輸入輸入匹配匹配網絡網絡輸出輸出匹配匹配網絡網絡RLRSuS (1) 匹配匹配-使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器 傳輸?shù)截撦d的功率最大。傳輸?shù)截撦d的功率最大。 (2) 濾波濾波-抑制工作頻率范圍以外的不需要的頻率分量。抑制工作頻率范圍以外的不需要的頻率分量。 (3) 功率合成與分配功率合成與分配-保證多路保證多路輸出功率輸出功率都能有效地傳送功率到公共負都能有效地傳送功率到公共負 載，同時又盡可能地使這幾個電子

7、器件彼此隔離，互不影響。載，同時又盡可能地使這幾個電子器件彼此隔離，互不影響。 輸入匹配網絡或級間耦合網絡：輸入匹配網絡或級間耦合網絡：用以與下級放大器的輸入端相連接。用以與下級放大器的輸入端相連接。輸出匹配網絡：輸出匹配網絡：用以輸出功率至天線或其他負載。用以輸出功率至天線或其他負載。 耦合回路可使輸出功率有效地傳輸?shù)截撦d（下級輸入回耦合回路可使輸出功率有效地傳輸?shù)截撦d（下級輸入回路或天線回路）。路或天線回路）。耦合回路的任務：耦合回路的任務：L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK L1C1回路為中介并聯(lián)諧振回路，回路為中介并聯(lián)諧振回路，RA、CA分別代表天線的分別

8、代表天線的幅射電阻與等效電容；幅射電阻與等效電容； L2、C2為天線回路的調諧元件，使天線回路處于串聯(lián)諧為天線回路的調諧元件，使天線回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以使天線回路的電流振狀態(tài)，以使天線回路的電流IA達到最大值，天線幅射功率達到最大值，天線幅射功率達到最大。達到最大。 1. 輸出匹配網絡輸出匹配網絡 （1）并聯(lián)諧振回路型輸出匹配網絡并聯(lián)諧振回路型輸出匹配網絡RpRp 當天線回路調諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)當天線回路調諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時，它反映到時，它反映到L1C1中介回路的等效電中介回路的等效電阻為阻為 設初級回路的接入系數(shù)為設初級回路的接入系數(shù)為p，則晶體管輸出回路的等效負載為：則晶體管輸出回路的等

9、效負載為： rr1C1L1C1RpL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRpARMr22 L1C1中介回路的等效諧振阻抗為中介回路的等效諧振阻抗為 )(22111111APRMrCLrrCLR )(2211122APPRMrCLpRpR 可見：可見：改變改變M和和p，可以在不影響回路調諧的情況下，調整可以在不影響回路調諧的情況下，調整晶體管輸出回路的等效負載電阻晶體管輸出回路的等效負載電阻Rp，達到阻抗匹配的目的。，達到阻抗匹配的目的。 中介回路傳輸效率中介回路傳輸效率k-衡量回路傳輸能力的優(yōu)劣。衡量回路傳輸能力的優(yōu)劣。)()(1122rrrrrIrIPPkkoAk 功功率率電電子子元

10、元件件送送至至回回路路的的總總回回路路送送到到負負載載的的功功率率 111porCLR 空空載載回回路路諧諧振振阻阻抗抗)(1111rrCLRP 有載回路諧振阻抗有載回路諧振阻抗11rLQQo 值值空空載載回回路路111rrLQQL 值值有有載載回回路路OLPPkQQRRrrrrrro 11)(1)(111 rr1C1L1C1RpL1IKRp 若要提高若要提高k，則要求：，則要求： （1 1）空載）空載Qo越大越好。即中介回越大越好。即中介回路本身的損耗越小越好。路本身的損耗越小越好。 （2 2）有載有載QL越小越好。越小越好。 但從要求但從要求回路濾波作用良好來考慮，則回路濾波作用良好來考慮

11、，則QL值又值又應該足夠大。應該足夠大。 兼顧兩方面，兼顧兩方面，QL值一般不應小于值一般不應小于10。在功率很大的放大器中，。在功率很大的放大器中，QL也可也可能低到能低到10以下。以下。 圖中，圖中，R2代表終端（負載）電阻，代表終端（負載）電阻，R1則代表由則代表由R2折合到左端的等效電折合到左端的等效電阻阻，以，以 (a)為例，轉換為右圖：為例，轉換為右圖： (2) (2) 濾波器型匹配網絡濾波器型匹配網絡 兩種兩種型匹配網絡型匹配網絡(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2L1C1R1C2R21212c12c121111RRXXQRR C12C12121C1XXRRX 2

12、212c22c22RRXXR C12C22222C2XXRRX 網絡匹配時，網絡匹配時，R1= R2 ，即，即22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 由諧振條件得由諧振條件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX (2) (2) 濾波器型的匹配網絡濾波器型的匹配網絡 2222222121212122CCCCCXXRRRXRXXR121212122c12c12121RXRXXRXXRRCCC111QRXC由圖可知，由圖可知，22c2222c212c1212c1RXRXRXRX由由22221211111RXRRQC得得1)1 (122122RRQR

13、XC則有則有兩邊同乘兩邊同乘22CXRc22c22222c12c12121c2c11XXRRXXRRXXXL則則22122111111CLXQRQRQX有有1211RRQ條件：條件：111212212111QXRRQRQC例例 有一個輸出功率為有一個輸出功率為2W的高頻功率放大器、負載電阻的高頻功率放大器、負載電阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求，試求型匹配網絡的元件值。型匹配網絡的元件值。 解解 :L1R1C1R2= RLC2 R1應該是功率放大器所要求的匹配電應該是功率放大器所要求的匹配電阻阻 Rp ,即即L1C1R1C2R2 1442224222o2Co2cm1

14、1PEPURRp4 .141014411c1 QRXpF2214 .1410502116c11 XC代公式得：代公式得： 57. 8114450)101 (501)1 (212212C2 RRQRXpF37157. 810502116c22 XC )1 (1c21221111XQRQRQXL6 .22)75. 810501(110144102 nH72105026 .226L11 XL 各種形式的匹配網絡分析方法都很類似，即各種形式的匹配網絡分析方法都很類似，即從匹配與諧振從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上一個假設條件兩個條件出發(fā)，再加上一個假設條件（通常都是假定已知通常都是假定已知Q1值值），

15、即可求出電路元件的數(shù)值。即可求出電路元件的數(shù)值。 注意：考慮到晶體管的輸出電容注意：考慮到晶體管的輸出電容Co后，后，C1應減去應減去Co之值，才是所需外加的調諧電之值，才是所需外加的調諧電容值。一般，容值。一般，當當L1確定之后，用確定之后，用C2主要調主要調匹配，用匹配，用C1主要調諧振。主要調諧振。 2.6.1 寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器 以以LC諧振回路為輸出電路的功率放大器諧振回路為輸出電路的功率放大器稱為窄帶高頻功稱為窄帶高頻功率放大器率放大器，其相對通頻帶其相對通頻帶B/ fo只有百分之幾甚至千分之幾。只有百分之幾甚至千分之幾。由于調諧系統(tǒng)復雜，其應用受到很大的限制由于

16、調諧系統(tǒng)復雜，其應用受到很大的限制 。 寬帶功率放大器是一種以非調諧單元作為輸出匹配電路寬帶功率放大器是一種以非調諧單元作為輸出匹配電路的功率放大器。的功率放大器。它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替了電阻、電容或電感線圈作為其輸出電路。了電阻、電容或電感線圈作為其輸出電路。 寬頻帶功率放大器沒有選頻作用，諧波的抑制成為重寬頻帶功率放大器沒有選頻作用，諧波的抑制成為重要的問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸要的問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸變比較小的甲類或甲乙類狀態(tài)，效率較低。變比較小的甲類或甲乙類狀態(tài)，效率較低。寬帶放大器是寬

17、帶放大器是以犧牲效率作為代價來換取寬頻帶輸出的以犧牲效率作為代價來換取寬頻帶輸出的 。 1. 普通變壓器工作頻帶窄的原因普通變壓器工作頻帶窄的原因 圖圖 (b)中，中，L、Ls1、r1：初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；：初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；Ls2、r2： -次級繞組次級繞組折合到初級后的漏感和損耗電阻；折合到初級后的漏感和損耗電阻；C ：變壓器各分布電容折合到初：變壓器各分布電容折合到初級后的總和；級后的總和；RL：折合到初級后的等效負載電阻：折合到初級后的等效負載電阻。(a)原理電路原理電路(b)等效電路等效電路(c)高頻端等效電路高頻端等效電路(d)低頻端等效電路低頻端等效電路

18、(e) 頻率響應曲線頻率響應曲線usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CRLrLsLCRLRLfsfuo 在高頻端，在高頻端，在在Ls和和C組成的串聯(lián)諧振回路的串聯(lián)諧振頻率組成的串聯(lián)諧振回路的串聯(lián)諧振頻率fs的附近，負載的附近，負載兩端的電壓急劇增加，并在兩端的電壓急劇增加，并在fs上達到最大值。偏離諧振頻率上達到最大值。偏離諧振頻率fs，電壓將急劇減，電壓將急劇減小。小。 在低頻端，在低頻端，工作頻率越低，電感工作頻率越低，電感L的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工作頻率的降低而下將；著工作頻率的降低而下將；2. 2. 寬頻帶傳輸線

19、變壓器的工作原理寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理 因雙線并繞，所以導線線間電容在整因雙線并繞，所以導線線間電容在整個線上均勻分布，且任意長度處的分布電個線上均勻分布，且任意長度處的分布電容較大。其次，兩根等長導線同時繞在高容較大。其次，兩根等長導線同時繞在高磁芯上，所以導線上均勻分布的電感量也磁芯上，所以導線上均勻分布的電感量也很大，這種電路通常又叫分布參數(shù)電路。很大，這種電路通常又叫分布參數(shù)電路。 usususRLRLRLRsRsRs(a) 結構示意圖結構示意圖(c) 普通變壓器的原理電路普通變壓器的原理電路(b) 原理電路圖原理電路圖u1u2u1u2u1u2 在傳輸線變壓器中，電磁波以電、磁能

20、交換的形式在導線在傳輸線變壓器中，電磁波以電、磁能交換的形式在導線間介質中傳播的。間介質中傳播的。負載兩端的電壓是傳輸線的終端電壓。負載兩端的電壓是傳輸線的終端電壓。 傳輸線變壓器是將傳輸線變壓器是將兩根兩根等長等長的導線的導線并繞并繞在在高導磁率低損耗高導磁率低損耗的的矩形截面矩形截面的的環(huán)形鐵氧體環(huán)形鐵氧體材料材料磁芯上構成的。磁芯上構成的。最高工作頻率可擴展最高工作頻率可擴展到幾百兆赫甚至上千兆赫。到幾百兆赫甚至上千兆赫。 （1）1: :1傳輸線變壓器傳輸線變壓器-倒相變壓器。倒相變壓器。3. 常用傳輸線變壓器分析常用傳輸線變壓器分析usRLRsu1u2i1i22224iuZ 輸入端的等效阻抗為輸入端的等效阻抗為 ： ；輸出端的等效阻抗為：；輸出端的等效阻抗為： 1113iuZ 為了實現(xiàn)輸入、輸出端匹配，要求：為了實現(xiàn)輸入、輸出端匹配，要求： ，LRZ 24SRZ13則則最佳匹配狀態(tài)應該滿足最佳匹配狀態(tài)應該滿足 ：SLRRZZZ24130滿足最佳功率傳輸條件的傳輸線特性阻抗為：滿足最佳功率傳輸條件的傳輸線特性阻抗為：LSRRZ o 此時此時1: :1傳輸線變壓器有最大功率輸出。但實際應用中傳輸線變壓器有最大功率輸出。但實際應用中RL正好等于信號正好等于信號源內阻的情況是很少的。因此，源內阻的情況是很少的。因此，1: :1傳輸線變壓器很少用作阻抗匹配元件