微波電路西電雷振亞老師的第8章放大器設計ppt課件

1、第第8 8章章 放大器設計放大器設計 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 第第8章章 放大器設計放大器設計 8.1 放大器的根本原理8.2 小信號微帶放大器的設計8.3 MMIC引見8.4 射頻/微波功率放大器第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.1 8.1 放大器的根本原理放大器的根本原理放大器可分為低噪聲放大器、 高增益放大器、 中功率放大器和大功率放大器。電路組態(tài)按任務點的位置依次為A類、 B類、 C類,如圖 8-1(a)、 (b)、 (c)所示。A類放大器用于小信號、 低噪聲,通常是接納機前端放大器或功率放大器的前級放大。B類和C類放大器電源效率高,輸出信號諧波成分高,需求有外部

2、混合電路或濾波電路。由B類和C類放大器還可派生出D類、 E類、 F類等放大器。為了獲得更大的輸出功率,就要運用功率合成器,將許多功放單元組合起來?？梢韵胂?合成的效率不能夠是百分之百。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-1 放大器電路組態(tài)ICIB0AIpeakUbctIC0AUbcICA0Ubc(a)(b)(c)tt第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.1.1 放大器的目的放大器有以下性能目的：(1) 頻率范圍: 放大器的任務頻率范圍是選擇器件和電路拓撲設計的前提。(2) 增益: 它是放大器的根本目的。按照增益可確定放大器的級數和器件類型。(3) 噪聲系數: 放大器的噪聲系數是輸

3、入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值,表示信號經過放大器后信號質量的變壞程度。級聯(lián)網絡中,越靠前端的元件對整個噪聲系數的影響越大。在接納前端,必需做低噪聲設計。放大器的設計要遠離不穩(wěn)定區(qū)。噪聲的好壞主要取決于器件和電路設計。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 (4) 動態(tài)范圍: 放大器的線性任務范圍。最小輸入功率為接納靈敏度,最大輸入功率是引起1 dB緊縮的功率。動態(tài)范圍影響運動系統(tǒng)的作用間隔范圍8.1.2 放大器的設計原理思索圖8 - 2 所示二端口網絡, 它代表單級放大器,其輸入端接信號源,輸出端接負載。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-2 二端口網絡和放大器的增益定義Z

4、sUssinU1(Z0)SoutLU2ZL1U1U輸入匹配Gs晶體管SG0輸出匹配GLZ0sinoutLZ0(a)(b)2U2UUs第第8 8章章 放大器設計放大器設計 1. 三個增益的定義根據信號源阻抗Zs和負載阻抗ZL與網絡的關系,可以有以下三個功率增益:(1) 實踐功率增益:負載吸收功率與二端口網絡輸入端吸收功率之比,與源阻抗無關,與負載阻抗有關,即(2) 資用功率增益: 二端口網絡輸入資用功率與輸出資用功率之比,源端和負載端均共軛匹配,與源阻抗有關,與負載阻抗無關。它是放大器增益的最大潛力,即inLPPG avsavnAPPG 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 (3) 轉換功率增益

5、:負載吸收功率與二端口網絡輸入端的資用功率之比, 與兩端阻抗都有關, 即 三個增益與電路參數的關系為 avsLTPPG 22222221221122212222222111)1)(1 (11)1 (1)1 ()1 (LinsLsinLToutssavsavnALLLinLSSPPGSSPPGSSPPG(8 - 1) 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 式中SSoutoutoutLLinininLLLLLLSSSSZZZZSSSSZZZZZZZZZZZZ112112220022211211000000118 - 2a 8 - 2b 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 放大器電路中輸入、 輸出

6、端都匹配,L=s=0和單向化S12=0,轉換功率增益變?yōu)?可以把單向轉換功率增益分為輸入、 器件、 輸出三部分。 2222112222122111)1)(1 (LLLsTUTSSSGSG8 - 3 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 2. 穩(wěn)定性判據 圖8-2所示電路產生振蕩的條件是|in|1或|out|1,這意味著輸入口或輸出口有負阻。由于in 或out取決于s或L,故定義穩(wěn)定條件為11111121122222211211ssoutLLinSSSSSSSS8 - 4 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 穩(wěn)定性判據為式中, =S11S22-S12S21。實踐放大器設計中有兩種情況：(1)

7、晶體管為單向器件：S12=0,絕對穩(wěn)定,|S11|1,|S22|1。對輸入和輸出匹配電路的設計沒有限定條件,根據噪聲和增益目的進展設計。 (2) 晶體管為雙向器件, 也就是S120時,又分兩種情況：112121122222211SSSSK第第8 8章章 放大器設計放大器設計 滿足穩(wěn)定判據,是絕對穩(wěn)定。對輸入和輸出匹配電路的設計沒有限定條件,根據噪聲和增益目的進展設計。不滿足穩(wěn)定判據,是條件穩(wěn)定。要用圓圖找出s和L的取值范圍,也就是采用穩(wěn)定圓判別法,如圖8 - 3 所示。穩(wěn)定圓可以直接計算,也可用商業(yè)軟件,如Ansoft, MicrowaveOffice, SUPER COMPACT等。第第8

8、8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-3 條件穩(wěn)定下的輸入平面上的輸出穩(wěn)定圓 (a) |S11|1|in| 1(穩(wěn) 定 )CLRLCLRL|in| 1(穩(wěn) 定 )(a)(b)第第8 8章章 放大器設計放大器設計 輸入平面上, 輸出穩(wěn)定圓的圓心和半徑為輸出平面上,輸入穩(wěn)定圓的圓心和半徑為 2222211222221122)(SSSRSSSCLL2211211222222211)(SSSRSSSCss第第8 8章章 放大器設計放大器設計 絕對穩(wěn)定判據的另一種方式為8.1.3 放大器的設計思緒1. 單向化設計S120或S120(1) 確定反射系數: in=S11，out=S22。(2) 單向轉換功率

9、功率增益分為輸入、 器件、 輸出三部分,即GTU=GsG0GL 8 - 91112211122211SSSSS第第8 8章章 放大器設計放大器設計 其中 (3) 最大增益設計: 輸入、輸出端共軛匹配,即s=*inL=out,給定了兩端匹配網絡。 2222221021121111LsLLssSGSGSG8 - 10222221211max1111SSSGTU8 - 11第第8 8章章 放大器設計放大器設計 (4) 單向化因子: 由于S12=0的情況設計,計算過程簡單,實踐設計中可以把|S12|比較小的情況按S12=0計算,最后再估計帶來的增益誤差。定義那么誤差滿足2222112211211211

10、SSSSSSU8 - 1222)1 (1)1 (1UGGUTUT8 - 13第第8 8章章 放大器設計放大器設計 2. 雙向設計S120 (1) 滿足判據,絕對穩(wěn)定。確定反射系數：22222212221111211222222221121111242411CCBBCCBBSSSSSSSSSSLsssoutLLin8 - 148 - 15第第8 8章章 放大器設計放大器設計 B1=1+|S11|2-|S22|2-|2B2=1+|S22|2-|S11|2-|2C1=S11-S*22C2=S22-S*11 8 - 16 (2) 最大增益設計: 輸入、 輸出端兩邊共軛匹配,即s=*inL=*out,給

11、定了兩端匹配網絡。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 (3) 低噪聲時按源最正確反射系數設計輸入匹配網絡。放大器的噪聲系數與源反射系數有關,每個器件都有一個最小噪聲系數,并要求有一個最正確源反射系數。任一噪聲系數都對應一系列反射系數,在輸入平面上是個圓,稱為等噪聲系數圓,圓心和半徑見式8 - 17。噪聲系數圓結合穩(wěn)定圓和等增益圓運用,用來分析放大器的頻帶特性。2021/4min11)1(optNFoptFZRFFNNoptCNNNR8 - 17第第8 8章章 放大器設計放大器設計 (4) 不滿足穩(wěn)定條件,利用圓圖找出穩(wěn)定區(qū),確定s和L的取值范圍。8.1.4 放大器設計中的其他問題1. 圓圖中

12、的五個圓 放大器設計實際中會遇到穩(wěn)定判別圓、 等噪聲系數圓、等增益圓、等Q值圓、等駐波比圓等特殊圓。在條件穩(wěn)定的放大器設計中,用這五個圓來確定輸入輸出匹配網絡的反射系數的取值,才干滿足放大器的一切目的。如今所能得到的器件根本上都是滿足穩(wěn)定條件的。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 2. 多級放大器單級放大器的增益無法滿足目的要求時,可用多級級聯(lián), 前級為低噪聲,后級為高增益。 級間匹配網絡可以簡化為兩個阻抗的變換, 而不是分別變換到特性阻抗。3. 寬帶放大器 寬帶放大器的設計在器件確定后,要添加電抗性頻率補償網絡或電阻反響網絡。在低頻端失配或衰減,在高頻端接高增益設計,放大器的增益在寬帶內

13、動搖不大。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 4. 大功率放大器 采用平衡放大器或功率合成技術,可實現大功率輸出。功率合成的效率是功率合成器的關鍵。5. MMIC 微波低端MMIC技術曾經相當成熟,個人挪動通訊領域的放大器大量運用這種電路。其他頻段各種用途的MMIC電路也有商品可選。直接選擇MMIC產品,按照器件手冊,合理運用,曾經成為微波電路設計的一個主要途徑。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.1.5 放大器的設計步驟放大器的設計步驟總結如下：步驟一: 在頻率、 增益、 噪聲目的條件下選擇器件, 得到偏置條件下器件的S 參數。步驟二: 滿足判據,那么進入步驟三； 不滿足判據,在

14、圓圖中畫出穩(wěn)定區(qū),必要時畫出等增益圓和等噪聲圓。步驟三： 確定輸入輸出反射系數in及out。步驟四: 設計輸入輸出匹配網絡。匹配網絡拓撲參見第3章。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.2 8.2 小信號微帶放大器的設計小信號微帶放大器的設計8.2.1 射頻/微波晶體管射頻/微波放大器的中心器件是晶體管,常用的晶體管有BJT、 FET、 MMIC。從上面的原理可知,設計放大器的根底是器件的S參數。無論器件的內部原理如何,在一定偏置下,就會呈現一組網絡參數。設計微波放大器,應該關懷器件的偏置和S參數。在偏置確定的條件下， 可用網絡分析儀結合公用測試夾具丈量 S參數。圖8 - 4 給出了常用

15、的BJT和FET偏置電路。分壓電阻值由滿足S參數的任務點決議,表8 - 1給出了偏置點的參考值。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-4 常用的BJT和FET偏置電路UCCRcRbL2RF I/PRF O/PL1UCCUCCRcL1RF O/PUCCRb3RF I/P(a)(b)Rb1Rb2Ub1第第8 8章章 放大器設計放大器設計 R3R1R4R5R2UbR6L1微波I/PL2O/PR7微波GaAs FET(c)(d)UrefRF I/PRF器件LF器件L2R3RF O/PR1R2UrefLF器件L1圖 8-4 常用的BJT和FET偏置電路第第8 8章章 放大器設計放大器設計 RF

16、I/PUg UDDRF O/P UDDRF I/PRF O/PR5(e)( f )圖 8-4 常用的BJT和FET偏置電路第第8 8章章 放大器設計放大器設計 表8-1 偏置點參考值第第8 8章章 放大器設計放大器設計 在射頻/微波電路中,接地對目的的影響很大,要把該接地的點就近接地,如圖8 - 5所示。扼流電感的大小視位置尺寸而定。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-5 就近接地UDD第一接地RF I/P第二接地RF O/PUDD第三接地第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.2.2 三種射頻/微波放大器設計原那么表8 - 2歸納出了低噪聲放大器、 高增益放大器和高功率放大器的

17、設計條件和設計原那么。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 表 8-2 三種射頻/微波放大器設計原那么abcd最 佳 DC偏 置f 1.8 GHzUC E 2 VIC 15 mA特 征 參 數最 佳 源反 射 系 數電 路 結 構輸 入電 路級 間電 路級 間電 路輸 出電 路低 噪 聲高 增 益高 線 性 輸 出 功 率 /低 高 調 失 真噪 聲 系 數資 用 功 率 增 益三 階 交 調線 性 輸 出 功 率dB2.01.51.00.500.151.0IC / ICm a xdB1210500.7IC / ICm a xdB30201000.51.0IC/m A3002001000102

18、0IC / ICm a xUC E / V0.4 m A0.8 m A1.2 m A1.6 m A2 m AFm in ,o p t , RnS1 2S2 2S1 1S2 1S1 2S2 2S1 1S2 1S1 2S2 2S1 1S2 1G H z432 .41 .80 .90o p tyy0yy0G H z0 .91 .82 .434sm0yy0sp0 .92 .41 .834G H z0f 4 G H zk 1LZ0Rg4或R100.85第第8 8章章 放大器設計放大器設計 下面以實例方式給出放大器的設計步驟。設計過程中運用Mathcad進展計算,運用Ansoft進展仿真圖解。 設計實例一

19、： 穩(wěn)定判別圓知GaAs FET散射參數如表8 - 3 所示,判別晶體管的穩(wěn)定性,畫出穩(wěn)定圓。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 表 8-3 GaAs FET的散射參數 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 由式8 - 5用Mathcad軟件計算得出K0.6071和|=0.6961 和 |=0.4881,絕對穩(wěn)定。 s=*in,L=*out由式(8 -14)、 式8 - 15和式8 - 16求得L=0.872123.407, s=0.87661.026 采用開路單枝節(jié)匹配,拓撲構造和頻帶傳輸反射參數如圖8 - 7所示。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-7 高增益放大器 (a)

20、(b)3.003.504.004.505.00FREQGHz20.0012.004.004.0012.0020.00Y1第第8 8章章 放大器設計放大器設計 由式(8-9)和式8 - 10求增益：Gs=6.17 dB, G0=8.299 dBGL=2.213 dB, GTmax=16.71 dB設計實例三： 低噪聲設計知 GaAs FET參數如表 8 - 5 所示,設計4.0 GHz放大器,保證噪聲為2 dB, 增益最大。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 表 8-5 GaAs FET的器件參數 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 由式(8 -17)計算2 dB噪聲圓的圓心和半徑: 245

21、. 01|)(|11102. 0|)1(|4)(1020min102NNNRNCRZFFNFoptFoptFoptN (|CF|=0.563, arg (CF)=100deg)第第8 8章章 放大器設計放大器設計 如圖 8-8 所示,當s=opt時,噪聲最小。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-8 噪聲系數圓與穩(wěn)定圓r0, .2, .5, 1, 2, 5x0, .2, .5, 1, 2, 5, .2, .5, 1, 2, 5噪聲系數圓噪聲系數圓心源穩(wěn)定圓源穩(wěn)定圓心第第8 8章章 放大器設計放大器設計 按照下式計算等增益圓,借助Mathcad軟件, 給gs不同試探值,直到與等噪聲系數圓

22、相切。realCs(step):=Re(f(Rs, 2step)+Cs)imagCs(step):=Im(f(Rs, 2step)+Cs) 21121121111|)1 (1)|1 (1|)1 (1SgSgRSgSgCssssss第第8 8章章 放大器設計放大器設計 相切點的源反射系數為s0.141035+j0.522189=0.54174.886 由式(8 -10)計算增益： 輸入匹配噪聲為Gs=1.702,輸出匹配共軛為GL=1.249, 器件增益為G0=5.575, 放大器增益為GTU=8.527 dB。分別用開路單枝節(jié)實現輸入輸出匹配網絡,電路構造和仿真結果見圖8-9。 第第8 8章章

23、 放大器設計放大器設計 圖 8-9 低噪聲放大器設計結果 (a)(b) 30.0020.0010.000.0010.00Y13.004.004.505.003.50FREQGHz第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.3 MMIC8.3 MMIC引見引見 微電子工業(yè)的快速開展,給射頻/微波技術帶來了革命。單片微波集成電路的設計原那么是保證各項目的,使功率耗費盡能夠的少。低噪聲接納前端的LNA開展最為成熟。現代挪動通訊接納機MMIC不僅包含LNA,而且包括本振、混頻等。曾經有整個射頻前端的MMIC如圖8 - 10、圖8 - 11和圖8-12所示。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-1

24、0 900 MHz和1900 MHz CMOS低噪放 inUbiasUb2400 180 255 UDDout10 k300 10 kinUDD2 k20 k2 pF1 pFout(a)(b)第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-11 2 GHz內置選頻LNAin5 pF13 nH偏置1 pF18 nH13 nH10 50 UDD13 nH13 nHout0.7 pF13 nHUT13 nHLC帶阻偏置1.3pF(a)UT第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-11 2 GHz內置選頻LNA頻率/GHz回波損耗/dB0.00.51.01.52.02.53.028242016128

25、40S11S22(b)第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-12 5GHz接納前端低噪放+混頻LO1LO1CtV3V4V5V6IF1CCUCCT2RIFCe50 IF1IFOT3CeRIF50 IFOUCCCCV7V8V9V10LOOLOOLO BufferCtCtCtCpCpT1RFRBBUBBLCCRBBUBBRFV1V2第第8 8章章 放大器設計放大器設計 57第第8 8章章 放大器設計放大器設計 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 鎳鉻系電阻具有良好的粘附性，多用蒸發(fā)工藝，但較難控制合金成分比例。 ， 鉭系電阻，充氮反響濺射制備氮化鉭電阻， 金屬陶瓷系電阻。如Cr-Si電阻、

26、NiCr-Si電阻和CrNi- 體電阻是利用GaAs N型層的本征電阻第第8 8章章 放大器設計放大器設計 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.4 8.4 射頻射頻/ /微波功率放大器微波功率放大器 8.4.1 放大器的任務效率和功率緊縮任務效率和功率緊縮是功率放大器要處理的兩個非?，F實的問題。1. 任務效率任務效率描畫供電電源的能量轉化為信號功率的程度。小信號放大器是A類,在沒有信號時,器件的集電極漏極不斷有電流,耗費能量。功率放大器電路中這種耗費是不能容忍的,電池的運用時間是任何一種設備的質量根底。回想一下放大器的效率與導通角的關系,如圖8-13

27、所示。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 A類線性放大器: 360全波導通,最大效率為50；B類：180半波導通,最大效率為78.5；C類: 180半波導通,效率為78.5100；AB類：效率為050?？梢韵胂?效率與輸出功率有關,圖8-14給出了導通角與輸出功率的關系,效率越高,輸出功率越小。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-13導通角與效率關系 100.090.080.070.060.004590135180315225270360BABC50.0A第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-14 導通角與輸出功率的關系 0.1500.1250.1000.0750.0500

28、.0250.00004590135180225270315360ABBC第第8 8章章 放大器設計放大器設計 2. 功率緊縮和交調輸入功率大到一定值時,放大器就會飽和,輸出功率不隨輸入功率線性添加,堅持一個定值。定義 1 dB緊縮點為描畫這個特性的參數,如圖8 - 15 所示的線性增益與緊縮起點相差 1 dB時的輸入功率值。交調也是輸入大信號時的一個特性。大信號時,輸出端會有干擾信號輸出,尤以三階干擾突出。在雙頻信號輸入時,必需思索三階交調。這里,三階是功率的變換倍數,并非頻率的倍數。假設直角坐標中,信號是11線性,那么三階干擾是13線性,干擾信號的輸出就會很快與信號的輸出幅度一樣并超越,由于

29、頻率接近,輸出濾波器無法抑制此干擾。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 如圖 8 - 1所示,用無失真動態(tài)范圍描畫這個特性,靈敏度門限與三階信號的交點到信號的間隔為動態(tài)范圍。從圖8 - 15還可看出,干擾信號由背景噪聲變?yōu)檩敵鲂盘柕倪^程很短,要防止輸入信號接近這一區(qū)域，否那么輸出信號就會有干擾。輸出信號比交調干擾高的量度就是 1 dB緊縮點與三階交調線的間隔,稱為交調干擾IMD。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-15 雙頻功率放大器的緊縮和交調輸出功率基波信號雙頻三階交調DRIMD靈敏度信噪比背景噪聲最大不失真電平1dB壓縮點輸出功率三階交調點二階交調輸入功率f1f2功放輸出 f

30、1輸出 f22f1f22f2f1f2f1f2f1(IM2)2f2f1(IM1)2f1f2O第第8 8章章 放大器設計放大器設計 設計實例:雙頻放大器的增益為 10 dB,輸入信號為10 dBm時,干擾輸出IM3=-50 dBm, 計算輸入信號為20 dBm時的干擾輸出IM3以及信號與干擾信號的差值。 IM3=-50 dBm320 dBm-(-10 dBm)=-80 dBm 輸出信號20 dBm10 dB 10 dBm 信號與干擾信號的差值10 dBm-80 dBm70 dB 圖8-16 是計算過程的圖解。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-16 三階交調計算 80 70 60 50

31、40 30 20 1013三 階 交 調11 20 10Pout / dBm基 波Pin / dBm0第第8 8章章 放大器設計放大器設計 8.4.2 各類功率放大器1. B類功率放大器這類放大器的導通角為180,效率為78.5,半周任務。采用正負半周疊加的方法可以恢復輸入信號波形。為了彌補疊加時管子開通電壓帶來的誤差,可采用AB類。1) 互補型B類放大器NPN/PNP互補電路中兩個管子分別任務于正負半周,是一種成熟的實例,如圖8 - 17 所示。圖a,V3是驅動器,V1和V2是互補對管,兩個管子的BE結共有1.4V左右的交叉區(qū)帶來信號損耗。圖b和圖c都可以補償這種損耗,還可以補償整個組件的溫

32、度特性。圖c中的R1和R2分別調整正半周和負半周的大小。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-17 NPN/PNP互補B類放大電路UinUbUCCV1V2UCCRLUCCIQIQV1UinUCCV2RLR1R2UinV3V4IQUCCV1V2RLUCC(a)(b)(c)V3UbV3第第8 8章章 放大器設計放大器設計 2) 復合晶體管互補型電路要求有兩個嚴厲一樣的晶體管,而且電路尺寸較大,可用圖8 - 18 所示復合型晶體管實現。電路中V1是高功率管,V2是低管,兩個管子不會同時任務,從而實現了正負半周的疊加。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-18 NPN/PNP復合管B

33、類放大電路BIBIC1V1V2IEICECECIEICBIB(a)(b)第第8 8章章 放大器設計放大器設計 3) 全NPN晶體管B類放大器要構成兩個特性一樣的NPN和PNP晶體管,工藝難度很大。兩個管子都用NPN型(或PNP)可以降低對管子的要求,采用變壓器網絡構成疊加電路,如圖8 - 19 所示。這種電路構造復雜,任務頻率不太高。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-19 全NPN晶體管B類放大器LRUinUB BV1RLUC CCLV21n濾 波 器第第8 8章章 放大器設計放大器設計 2. C類功率放大器在高功率CW和FM輸出中C類放大器用途很廣,在AM放大器中可以改動偏置來調

34、整幅度的變化。由前所述知,C類功率放大器的導通角小于180,非線性任務輸出信號不是輸入信號的簡單倍乘,A類放大器用一個管子,B類用兩個管子,C類用一個管子,只是偏置點不同,B類放大器輸出電路中可以經過添加濾波器改良信號質量,而C類輸出電路中必需有諧振回路來恢復基波信號，C類放大器的最大優(yōu)勢是效率高。如圖8 - 20 所示,晶體管可用功率BJT,也可用FET,諧振回路的Q值影響放大器的帶寬。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-20 C類功率放大器tU sinGRGCBRFCUbbCBRFCUCCC0L0RL第第8 8章章 放大器設計放大器設計 普通地,廠家會給出一定頻率和頻帶上放大器的

35、最正確源阻抗和負載阻抗。這種電路的設計有兩個內容: (1) 諧振回路: (2) 輸入偏置：Ubb=UBE-UGcos QRLRQCffQLL00000第第8 8章章 放大器設計放大器設計 3. D類功率放大器C類功率放大器的效率可以到達100,但輸出功率是零。改動B類功率放大器的偏置,使得輸出不是半周線性而是非線性削波,輸出為正負方波,再經過諧振回路恢復正弦,如圖8 - 21 所示。在D類放大器中,管子接近處于開關形狀。假設開關時間為零,那么漏源電壓為零時,漏電流為最大,實際上可以得到100的效率。現實上,BJT可任務到幾MHz,FET可任務到幾十MHz,不能夠無限快。第第8 8章章 放大器設

36、計放大器設計 圖 8-21 D類功率放大器UinM2M11n濾波器RLLCLRUCC第第8 8章章 放大器設計放大器設計 4. E類功率放大器前述功率放大器可稱為開關功率放大器。為了防止開關器件的并聯(lián)電容放電,降低開關瞬間的功率損耗, 可以給放大器設計一個負載網絡,決議關斷后器件兩端的電壓, 這就是E類功率放大器,如圖8 - 22 所示。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-22 E類功率放大器根本構造開關器件負載網絡負載ILoadC2L2L1C1IcapIin第第8 8章章 放大器設計放大器設計 設計E類功率放大器的原那么是:(1) 電壓關斷后緩慢上升,關斷瞬間不耗費功率。(2) 電

37、壓在后半周末降為零,保證開通瞬間器件的并聯(lián)寄生電容上沒有電荷,就不會放電。(3) 后半周末的變化率為零。當開通時,保證器件上的電壓為零可以緩慢降低開通瞬間的功率損耗。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8 - 22 中,負載網絡中C1的部分或全部是器件的并聯(lián)寄生電容。諧振回路的頻率低于任務頻率,在任務頻率上可以看作一個與外部電抗負載串聯(lián)的調諧回路。調諧電路經過正弦波負載電流時,電抗性負載導致了這個電流與電壓基波分量相移。輸入電流與正弦波負載電流的差在器件導通時經過器件,在關斷時經過C1,這個電流差也是正弦波,但是它與負載電流有180相差,且含有經過扼流電感的直流成分。電流的關系見圖8-2

38、3。開關電壓是C1電流的積分,相移量可以用諧振回路調整,這樣就可以保證滿足上述三個原那么。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-23 E類功率放大器負載回路的電流關系201.0202.0203.0204.0205.0206.0207.0208.0200.050.040.030.020.010.00.010.020.030.040.050.0I/mAT/nsILoadISwitchIinIcap開關電壓第第8 8章章 放大器設計放大器設計 5. F類功率放大器在C類放大器中,輸出網絡諧振于輸入信號的基波和一個或多個高次諧波上就是F類放大器。圖8-24為一個三次諧波峰值功率放大器,串聯(lián)諧振

39、器為三次諧波振蕩,并聯(lián)諧振器諧振于基波頻率。延續(xù)波鼓勵放大器后,放大器近似為半周通斷形狀。串聯(lián)諧振回路阻斷三次諧波,使其前往放大器C極。假設相位和幅度適宜,可以使C極方波電壓比UCC的平均值高兩倍,加強開關效果,增大基波的幅度。三次諧波是基波幅度的九分之一時,效果最好,效率可達88。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-24 三次諧波反射的F類功率放大器UCCCBL3C3L1C1RL第第8 8章章 放大器設計放大器設計 方波的傅立葉分析為奇次項,要想在C極構成好的方波,負載必需對偶次成分呈現低阻,對奇次成分呈現高阻。圖中, CB對二次諧波起短路作用,同時有隔直流作用。C類放大器的設計也

40、是從Q值入手。Q由RL以及基波諧振回路的L1和C1決議。1201110011CLRCRCffQLL第第8 8章章 放大器設計放大器設計 輸出回路對2f0呈現短路,有 思索兩個諧振回路的參數與諧振頻率的關系, CB和串聯(lián)諧振回路對基波是短路,可得而L3、 L1 由3f0和f0與上述兩個電容的關系決議。 0)2(122)2(12211120103320300CLLCLLCB13316081,8CCCCB第第8 8章章 放大器設計放大器設計 串聯(lián)諧波諧振器可以用基頻四分之一波長傳輸線取代,對射頻/微波功率放大器的設計和加工都是比較方便的。傳輸線對偶次諧波而言,是四分之一波長的偶次倍,是半波長諧振器,

41、相當于短路; 對奇次諧波而言,是四分之一波長的奇次倍,是四分之一波長諧振器,相當于開路,符合構成良好方波的要求。仿真實例：900 MHz, 18 MHz帶寬F類功率放大器如圖8 - 25 所示。計算后電路中CB=1 F, Z0=20, C1=936.6pF, L1=33.39 pH, RL=42.37 , UCC=24 V, R1=5 k, R2=145 k。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-25 傳輸線F類功率放大器CBR1R2CBRFCZ0L1C1RLtU sininUCCLZ4第第8 8章章 放大器設計放大器設計 集電極電流、電壓和負載功率的結果見圖8 - 26。輸入功率為

42、2.363 mW, 電壓為0.11 V,輸出功率為5.5 W,這是最好情況。這類放大器的輸出功率對輸入功率非常敏感,有個最正確值。 6. 線性功率放大器為了改善前述開關類功率放大器的線性特性,目前也有兩種方法： LINC和S類放大器。LINCLinear Amplification with Non Linear Components)是用非線性元件實現線性放大,把大功率調幅信號分成兩路相位固定的信號送入開關高效率放大器,然后再組合。每個放大器都是深度開關形狀,整體放大器線性非常好,與C類效率相當,線性比A類還好,電路構造如圖8 - 27所示。第第8 8章章 放大器設計放大器設計 S類是用帶通

43、-調制輸入信號,這是音視頻功率放大器向微波技術的開展。圖8-28a為經典的S類放大器,圖b為微波S類放大器。微電子技術使得這類微波功率放大器得到突破性進展。 第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-26 900 MHzF類功率放大器的輸出信號70.070.571.071.572.072.573.073.574.01.000.500.000.501.001.502.002.503.003.504.00IC/AT/ns70.070.571.071.572.072.573.073.574.0T/ns30.0020.0010.000.0010.0020.0030.0040.0050.00UL / V第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-27 LINC功率放大器SCSuin(t)AA1800S2S1SSCSuin(t)AAS1S2S44(a)(b)SCS：信號分配器 A：開關模放大器第第8 8章章 放大器設計放大器設計 圖 8-28 S類放大器構造PWM產生器驅動電流-調制器UCC 高 Q濾波器負載UoutPWMUCC 高 Q濾波器負載Us(a)(b)00tt第第8 8章章 放大器設計放大器設計 7. 前饋式功率放大器前饋放大器的思想是抵消發(fā)射機中產生的雜波。發(fā)射機的失真主要來源于功率放大器的諧波、 交調和噪聲。圖8