高頻功率放大電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1、高頻功率放大電路結(jié)構(gòu)和工作原理 高頻電子技術(shù)高頻功率放大電路結(jié)構(gòu)和工作原理 1.1 高頻功率放大電路的分類 （1）小功率射頻功放 微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定附件所列的各項(xiàng)微功率無線電設(shè)備，其無線發(fā)射功率一般都在1W以下，這些設(shè)備所包含的射頻放大電路即屬于小功率射頻功放。（2）大功率射頻功放移動電話基站的發(fā)射功率約幾十瓦，一個(gè)城市的電視信號發(fā)射功率達(dá)到幾kW，省級廣播電臺的發(fā)射功率在幾kW至幾十kW之間。此外，微波通信中繼站、雷達(dá)站等都屬于大功率射頻功放的范圍。 為了實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸，任何無線發(fā)射電路都需要一定的發(fā)射功率，這一用于使待發(fā)射高頻信號具有一定功率的電路，就稱為高頻功率放

2、大電路。 1、按輸出功率分類 高頻功率放大電路結(jié)構(gòu)和工作原理 1.1 高頻功率放大電路的分類 （1）窄帶功率放大電路 以選頻網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載的功放電路，稱為窄帶功率放大電路。 2、按功放電路的負(fù)載分類 只有頻率等于LC回路諧振頻率的成分才被有效地放大。以LC回路為負(fù)載的功率放大電路具有頻率選擇性，因此也稱選頻放大電路。優(yōu)點(diǎn)：選頻作用可來抑制干擾。缺點(diǎn)：非線性失真比較大。LC選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率的調(diào)節(jié)也不方便。 1.1 高頻功率放大電路的分類2、按功放電路的負(fù)載分類 （2）寬帶功率放大電路 以寬帶傳輸線變壓器為負(fù)載的，稱為寬帶功率放大電路 1、傳輸線變壓器既是功放電路的負(fù)載，同時(shí)又起著將高頻信號傳輸?shù)较乱?/p>

3、級的作用。 2、傳輸線變壓器沒有選頻的作用，同時(shí)又有很好的頻率特性，其上限頻率可以擴(kuò)展到幾百兆赫乃至幾千兆赫。 1.1 高頻功率放大電路的分類3、按功率放大管導(dǎo)通角分類 （1）甲類功放電路 在信號的正負(fù)半周，功放管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣所組成的功放電路也就稱為甲類功放電路。處于甲類工作狀態(tài)的功放管，為了避免負(fù)半周時(shí)管子進(jìn)入截止區(qū)而造成失真。處于甲類工作狀態(tài)的功放管，靜態(tài)時(shí)就有較大的電流通過。 （2）乙類功放電路 在信號的負(fù)半周截止，正半周時(shí)導(dǎo)通，就說功放管處于乙類工作狀態(tài)，這樣所組成的功放電路稱為乙類功放電路。處于乙類工作狀態(tài)的功放管，靜態(tài)是電流為零。 （3）丙類功放電路 功放管只在正半周的一

4、部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，信號負(fù)半周及正半周輸入信號幅度較小時(shí)均不導(dǎo)通，就說功放管處于丙類工作狀態(tài)，所組成的功放電路稱為丙類功放電路。處于丙類工作狀態(tài)的功放管，靜態(tài)時(shí)基極是負(fù)偏置的。 1.1 高頻功率放大電路的分類3、按功率放大管導(dǎo)通角分類 功放管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間可以用相位角來表示。我們將管子導(dǎo)通時(shí)間一半所對應(yīng)相位角定義為功放管的導(dǎo)通角。各類功放導(dǎo)通角如下： （1）甲類功放電路 功放管在360的時(shí)間內(nèi)均導(dǎo)通，其導(dǎo)通角即為=360/2=180 （2）乙類功放電路 功放管正半周導(dǎo)通，導(dǎo)通角=90 （3）丙類功放電路 功放管在正半周輸入信號較大時(shí)才導(dǎo)通，因此導(dǎo)通導(dǎo)通角 90 甲類、乙類和丙類功率放大電路

5、也稱A類、B類和C類功率放大電路。 1.2 高頻功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo) 1、頻率范圍 各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都符合要求的情況下功放電路的工作頻率范圍。 射頻功放模塊BGY916為例，工作頻率的最大值為960MHz，最小值為920MHz。 1.2 高頻功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo) 2、輸出功率Po 設(shè)一個(gè)射頻功放電路的輸出功率為P，定義P與1mW(或1W)比值的對數(shù)乘10為該電路以dBm（或dBW）為單位的功率值，該輸出功率的功率電平為 也可以根據(jù)功率電平值求出電路的絕對功率值，以dBm為例，設(shè)一功放電路的功率電平等于Px（單位dBm），則其絕對功率P等于例如，電路功率電平Px=20dBm，代入上式，可

6、求得其絕對功率為100mW。 1.2 高頻功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo) 4、效率 功率放大電路的效率定義為輸出信號功率與電源供給功率之比。 式中Po為功放輸出信號功率，Pu電源提供的功率，效率的大小反映電源所提供的能量多大程度上被轉(zhuǎn)換為無線電波的能量。模塊BGY916效率的最小值為35%，典型值為40%。 1.3 C類諧振功率放大電路原理 1、純電阻為負(fù)載的C類功率放大電路 電路結(jié)構(gòu)： 三極管VT1被接成共射極電路，集電極負(fù)載是電阻RC,輸入信號ui經(jīng)電容C1耦合加到基極和發(fā)射極之間，放大后的信號uo從集電極輸出。其特點(diǎn)是基極靜態(tài)電壓UBQ小于發(fā)射結(jié)開啟電壓Uon，即UBQUon。 1.3 C類

7、諧振功率放大電路原理 1、純電阻為負(fù)載的C類功率放大電路 工作原理：設(shè)輸入信號ui為余弦波，振幅為Uim，角頻率為基極靜態(tài)偏置電壓為UBQ，加入信號電壓后，加在發(fā)射結(jié)之間的總電壓是交流信號ui和直流偏置電壓之和，因此基極-發(fā)射極間電壓為 式中UBQ是基極靜態(tài)電壓，Uim是余弦波的峰值 1、純電阻為負(fù)載的C類功率放大電路 工作原理：討論工作原理的做法是：求出輸入信號ui為余弦波時(shí)集電極負(fù)載電阻上的輸出電壓1、首先根據(jù)輸入信號求出集電極電流icuBE必須大于開啟電壓Uon 三極管才導(dǎo)通，也只有這時(shí)，集電極電流才不等于零，因此得出集電極電流曲線如圖所示。1、純電阻為負(fù)載的C類功率放大電路 工作原理：

8、2、根據(jù)集電極電流ic求出集電極電壓uc 集電極電壓uc和集電極電流ic的關(guān)系是由此即可畫出集電極電壓uc曲線如圖所示。uC(t)為脈動性的電壓，顯然不符合功率放大的要求。 2、C類LC諧振功率放大電路 電路結(jié)構(gòu)： 用LC并聯(lián)回路取代電阻Rc,所組成的電路稱為C類LC諧振功率放大電路。它由三極管VT1、LC并聯(lián)諧振回路、輸入信號耦合電容C1、基極偏置電壓UBQ和集電極偏置電壓VCC組成。 ic是周期性函數(shù)，可以分解為許多余弦波的疊加： 第一項(xiàng)是直流分量，第二項(xiàng)為基波分量，其余為高次諧波。只有基波分量才是與輸入信號ui成正比的量。 如何改善輸出電壓波形：2、C類LC諧振功率放大電路 選擇LC回路

9、的諧振頻率等于基頻，含有多種頻率成分的電流iC(t)流經(jīng)LC回路時(shí)，只有基頻才表現(xiàn)出最大的輸出電壓，因此，可以求得集電極交流信號電流為 集電極交流信號電壓等于交流電流與諧振阻抗RT的乘積，因此求得集電極輸出電壓 如何改善輸出電壓波形： 于是就實(shí)現(xiàn)了輸入余弦波信號的功率放大，可以畫出輸出波形如下。 2、C類LC諧振功率放大電路 這一交變電流形成交流輸出信號為 脈動性電流經(jīng)LC回路的選頻作用，形成正弦波交流電流 如何改善輸出電壓波形：2、C類LC諧振功率放大電路 通過復(fù)雜的計(jì)算，可以證明， ic的峰值Ic1m與脈動電流峰值Icmax及導(dǎo)通角有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用下面的曲線來表示。 求解集電極交

10、流信號峰值Ic1m 脈動性電流ic如圖所示，用Icmax表示脈動電流的峰值。 通過LC回路的選頻作用，可從脈動電流中選出基波信號 為了計(jì)算上述C類LC諧振功放的輸出功率和效率，需要求出基波分量ic的峰值Ic1m。2、C類LC諧振功率放大電路 求解集電極交流信號峰值Ic1m 曲線0表示直流分量Ic0隨導(dǎo)通角變化的情況 曲線1表示基波分量Ic1m隨導(dǎo)通角變化的情況 曲線g1表示基波分量與直流分量比值Ic1m/Ic0隨導(dǎo)通角變化的情況3、LC諧振功率放大電路的效率 放大電路信號輸出功率等于集電極信號電流有效值與集電極信號有效值的乘積，可以求得輸出功率Po為 另一方面，直流電源供給的功率PDC等于集電

11、極直流分量Ic0與電源電壓VCC的乘積，即 功放電路效率公式 功率放大電路的效率等于輸出功率Po和直流電源供給功率PDC之比，即 Ic1m-基波電流分量振幅式中3、LC諧振功率放大電路的效率 設(shè)電壓利用系數(shù)=1，則效率為 功放電路效率與導(dǎo)通角之間的關(guān)系 由圖可以求出以下關(guān)系： =180，g1=1，=50%；=90，g1=1.57，=78.5%；=60，g1=1.8，=90% 由圖看出，波形系數(shù)g1隨導(dǎo)通角的增加而增加，=0時(shí)效率將達(dá)到100%。但注意輸出功率和1有關(guān)， =0 時(shí)1 =0，P0也等于零，因此宜取6070。 4、簡單LC諧振功率放大電路存在的問題 （1）功放的直流饋電為高頻功率放電路提供直流電源，并形成符合要求的基極和集電極靜態(tài)電壓，這部分電路稱為直流饋電電路。高頻功放直流饋電要比低頻放大電路復(fù)雜，饋電方式也較多，需要專門加以討論。 上述LC諧振功率放大電路付諸實(shí)用