模擬集成電路系統(tǒng)第3章

第三章高頻功率放大器第一節(jié)窄帶高頻功放的工作特點(diǎn)第二節(jié)丙類(lèi)調(diào)諧功放的組成原理及分析方法第三節(jié)調(diào)諧功放實(shí)用電路第四節(jié)寬帶高頻功放及功率合成

無(wú)線通信中，為了提高高頻信號(hào)的功率，需采高頻功放，根據(jù)放大信號(hào)相對(duì)頻帶的寬窄分為:1、窄帶高頻功率放大器（亦稱(chēng)調(diào)諧功放）

它是以LC回路為負(fù)載，相對(duì)帶寬<10%；2、寬帶高頻功率放大器

它以傳輸線變壓器為負(fù)載，其相對(duì)帶寬可>30%第三章高頻功率放大器按工作狀態(tài)分第一節(jié)窄帶高頻功放的工作特點(diǎn)調(diào)諧功放研究的重點(diǎn)問(wèn)題是功率和效率問(wèn)題。要提高效率必須使放大器工作在乙類(lèi)或丙類(lèi)，因此調(diào)諧功放的集電極電流導(dǎo)通角2φ<π，從而使晶體管進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。它只有負(fù)載采用調(diào)諧回路，才能選出特定頻率的信號(hào)，完成配合線性功放的任務(wù)，因而形成自己的工作特點(diǎn):.由于要求功率放大，所以工作在大信號(hào)情況下管子會(huì)進(jìn)入非線性區(qū)2.由于工作在丙類(lèi)，所以Ube處于反偏，只有在導(dǎo)通角內(nèi)才有電流流通，ic是余弦脈沖，如圖所示:調(diào)諧功放的集電極電流波形ic可用付氏級(jí)數(shù)表示如下:直流分量基波分量的幅值n次諧波分量的幅值3．LC回路配合晶體管作線性放大(1)從波形上看，uc1與ui

是倒相的，這是由于諧振時(shí)，諧振回路呈純阻。ic1Eb0000UrubeuceEcibictttt第一節(jié)窄帶高頻功放的工作特點(diǎn)uc1(2)為獲最大功率，Uc1越接近于Ec越好。ui第二節(jié)丙類(lèi)調(diào)諧功放的組成原理及分析方法實(shí)際調(diào)諧功放應(yīng)具有輸入、輸出匹配電路，合適的直流供電電路，才能有好的效果。1．匹配電路它應(yīng)能完成三項(xiàng)任務(wù)：

阻抗變換；有效的傳遞有用信號(hào)；濾除干擾信號(hào)一、丙類(lèi)調(diào)諧功放的組成原理丙類(lèi)調(diào)諧功放的原理電路如圖:uiuiCLRLEbECibicucM第二章中的三種阻抗變換電路均可完成以上的任務(wù)。第二節(jié)丙類(lèi)調(diào)諧功放的組成原理及分析方法2.基極偏置可以小于Ur的正偏置或負(fù)偏置構(gòu)成丙類(lèi)功放，偏置電路方式有四種，如圖：一、丙類(lèi)調(diào)諧功放的組成原理在丙類(lèi)功放中，通常采用自偏壓的形式：基極自偏壓饋電電路電路特點(diǎn)：

圖（a）所示是利用基極電流的直流分量在上產(chǎn)生所需的偏置電壓，是并饋電路。

圖（b）所示是利用射極電流直流分量在上產(chǎn)生所需的反向這種自給偏置的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)維持放大器的工作穩(wěn)定。當(dāng)激勵(lì)加大時(shí)，態(tài)變化不大。，是串饋電路，偏置電壓增大，使偏壓也加大，靜態(tài)工作點(diǎn)Q降低，因而又使的相對(duì)增加量減??；反之，當(dāng)激勵(lì)減小時(shí)，減小，偏壓減小，因而的相對(duì)減小量也減小，這就使放大器的工作狀圖（c）所示是利用流過(guò)高頻扼流圈的直流電阻，得到近似0V的穩(wěn)定偏置電壓，是并饋電路，由于所得到的小，因而一般只在需要小的（接近乙類(lèi)工作）時(shí)，才采用這種電路。3．集電極直流供電電路優(yōu)點(diǎn)：EC、LC、CC處于高頻地電位，分布電容不影響

LC回路。(a)串聯(lián)供電方式串聯(lián)供電方式并聯(lián)供電方式----電源、匹配網(wǎng)絡(luò)、功率管相串聯(lián)。如圖常采用的兩種方式：3．集電極直流供電電路優(yōu)點(diǎn)：LC回路處于直流地電位，L、C元件可接地，安裝方便。(b)并聯(lián)供電方式---電源、匹配網(wǎng)絡(luò)、功率管相并聯(lián)。如圖所示二、丙類(lèi)調(diào)諧功放的分析方法丙類(lèi)功放情況下，功放管子工作在非線性，因此需用非線性電路分析方法，非常困難，所以一般工程上采用一種稱(chēng)為折線分析法的近似方法。這種方法是用幾條直線組成折線近似代替非線性器件的實(shí)際曲線，使問(wèn)題分析得以簡(jiǎn)化，如下圖：折線折線下面用折線分析法圖示調(diào)諧功放進(jìn)行分析：1．集電極電流與導(dǎo)通角在截止點(diǎn)代入上式整理得（一）調(diào)諧功放的性能分析t2icmic此式只有在分母的條件下才有意義。ubeicubet2UrEbG當(dāng)時(shí),輸出電流達(dá)到最大值Icm所以，原式可表示為：這就是用脈沖幅度Icm和半導(dǎo)通角表示的余弦脈沖電流表示式。利用付氏級(jí)數(shù)分析式中直流分量Ic0、基波分量Ic1、及n次諧波振幅Icn分別為令為余弦脈沖的分解系數(shù)，表征各次諧波成分所占最大振幅的分量，則有直流分解系數(shù)：基波分解系數(shù)：n次諧波分解系數(shù)：為便于計(jì)算，將與φ關(guān)系繪成曲線如下圖：(1)φ一定時(shí)，1>2>

3,即諧波次數(shù)越高，振幅越小(表明能量分布情況);(2)各次諧波對(duì)應(yīng)φ有各自的最大幅值和零值；（所以可根據(jù)放大及抑制的諧波要求選擇φ）(4)當(dāng)φ>90時(shí)，

3為負(fù)值，此時(shí)三次諧波分量的初始相位與基波、二次諧波初始相位相反，此時(shí)ic(t)中的Ic3cos3t為負(fù)值。(3)（證明直流更多的轉(zhuǎn)換為交流輸出)2.集電極電源Ec提供的直流功率3.集電極輸出基波功率其中，—稱(chēng)為集電極電壓利用系數(shù)；R—諧振電阻4.效率5.集電極耗損功率Pc即是說(shuō)Pc也同導(dǎo)通角有關(guān)顯然，輸出功率P0、效率與和有關(guān)，P0；。由圖可知，要使P0、都較大，需使1、都較大，即應(yīng)當(dāng)取=70o80o，此時(shí)管子工作在丙類(lèi)。（二）調(diào)諧功放的動(dòng)態(tài)分析1.晶體管的集電極動(dòng)態(tài)特性列寫(xiě)輸出回路方程顯然此為直線方程令則設(shè)此點(diǎn)為B點(diǎn)因?yàn)镋b〈Ur，所以ic為負(fù)值。但電流不可能倒流，所以B點(diǎn)為虛擬點(diǎn)。如圖：ＢＡIcmicuceuceUcEc-UccosEcNG(Eb-Ur）22ttC過(guò)A,B兩點(diǎn)作動(dòng)態(tài)負(fù)載線如圖.設(shè)此點(diǎn)為A點(diǎn)令則ＢＡIcmicuceuceUcEc-UccosEcNG(Eb-Ur）22ttC所以動(dòng)態(tài)電阻顯然,Rc除取決于回路的諧振電阻R外,還是的函數(shù)注意2．諧振電阻R對(duì)集電極電流的影響為討論方便，假定Ec、Eb、Ui不變，以ib為參變量折線化后的輸出特性曲線如下頁(yè)圖:(作出不同R時(shí)三條負(fù)載線)諧振功率放大器的工作狀態(tài)

（1）R較小時(shí)（負(fù)載線1）：欠壓狀態(tài)Uc1較小，此時(shí)管子工作在放大區(qū)，ic受ib控制，Icm較大。由于電壓利用系數(shù)大，稱(chēng)為欠壓狀態(tài)。因此，Pc較大，η不高。（2）R適中（負(fù)載線2）：動(dòng)態(tài)負(fù)載線恰好經(jīng)過(guò)臨界飽和線的拐點(diǎn),此時(shí)Uc2較大，Icm減小不多。所以有較大的輸出功率和較高的效率,稱(chēng)此為臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)下，最佳電壓利用系數(shù)：最佳負(fù)載電阻：AB（3）R較大時(shí)（負(fù)載線3）：此時(shí)管子工作在飽和區(qū),ic受Uce的控制,稱(chēng)此為過(guò)壓狀態(tài)。RUc

ucemin動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)將向A移動(dòng)當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)A后,繼續(xù)增加ucemax

，這時(shí)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)將沿臨界飽和線由AB

，所以，此時(shí)電流為下凹的脈沖波，如圖所示.3.負(fù)載特性--是指Eb、Ui及Ec不變時(shí)，調(diào)諧功放的輸出電流、輸出電壓、功率、效率隨回路諧振電阻R而變化的關(guān)系。(1)Ic1、Ico、Uc隨R變化Uc=Ic1R欠壓時(shí)，RIc1、Ico基本不變UC過(guò)壓時(shí)，RIc1、IcoUc有少量增加所以，Ic1、Ico、Uc隨R變化曲線如圖。欠壓過(guò)壓臨界RIc1、Ico、UcUcIcoIc1放大器的負(fù)載特性(2)Po、Pdc、Pc、η

隨R變化欠壓過(guò)壓臨界Rη

cPdcPo、Pdc、Pc

、ηPoPc

Pdc=IcoEc因?yàn)镋c=常數(shù)，所以Pdc的變化規(guī)律類(lèi)似于Ico的變化規(guī)律。

Po=Ic1Uc/2，在欠壓區(qū)：Ic1基本不變，Uc線性增加所以Po也線性增加；在過(guò)壓區(qū)：Uc基本不變，所以Po的變化規(guī)律類(lèi)似于Ic1的變化規(guī)律。Pc=Pdc-Po

η的變化規(guī)律類(lèi)似于Uc

的變化規(guī)律。放大器的負(fù)載特性結(jié)論：(1)欠壓下，ic變化很小，相當(dāng)于恒流源。適合于作線性功放，但η

。需要注意的是，R不可過(guò)小，否則Pdc過(guò)大，管子有可能損壞。(2)臨界：Po、η都較高，適合做功放。(3)過(guò)壓下，Uc基本不變,相當(dāng)于恒壓源；η較高；適合做中間級(jí)，向后級(jí)提供穩(wěn)定的激勵(lì)電壓。但R過(guò)大，會(huì)使輸出非線性失真增加。

R過(guò)大

Uc過(guò)大uce=Ec+Uc(t)BUceR，會(huì)擊穿管子。η第三節(jié)調(diào)諧功放實(shí)用電路一、160MHZ、13W調(diào)諧功放電路基極采用自給偏壓，使之工作在丙類(lèi)。C1、C2、L1、L2、C3、C4分別為輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。集電極供電為并聯(lián)供電方式。此電路的功率增益可達(dá)9dB，可向50Ω負(fù)載提供13W的功率。電路如圖所示.二、175MHZVMOS管調(diào)諧功放電路電路如圖所示柵極采用了C1、C2、C3、L1組成的T型匹配網(wǎng)絡(luò),漏極采用L2、、L3、C6、C7、C8組成的型匹配網(wǎng)絡(luò),柵、漏極均采用并聯(lián)供電.VMOS管的主要優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍大、輸入阻抗高（可達(dá)108

）等.本電路的功率增益可達(dá)10dB,效率大于50%，可向50的負(fù)載提供10W功率三、50MHZ、25W調(diào)諧功放電路電路如圖所示L2、L3、C3、C4構(gòu)成型匹配網(wǎng)絡(luò)，集電極采用并聯(lián)供電方式。本電路的功率增益為7dB,可向50的負(fù)載提供25W功率。第四節(jié)寬帶高頻功放及功率合成它不能滿足高頻寬帶功放的需要，因此對(duì)多通道通信系統(tǒng)的寬帶高頻設(shè)備，必須采用高頻寬帶功放。前述調(diào)諧功放，優(yōu)點(diǎn):效率高缺點(diǎn):調(diào)諧復(fù)雜，相對(duì)帶寬窄.第四節(jié)寬帶高頻功放及功率合成當(dāng)要求大功率輸出時(shí)，需采用功率合成技術(shù)。高頻寬帶功放:負(fù)載是傳輸線，相對(duì)帶寬較寬，其最高f可達(dá)上千兆赫這類(lèi)功放的缺點(diǎn)：η低，功率小。一、傳輸線變壓器（一）傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)與等效電路如下圖：傳輸線變壓器與普通變壓器的傳遞能量方式不同，前者是在兩導(dǎo)線間介質(zhì)中傳播，而后者是通過(guò)磁力線感應(yīng)的能量傳遞給負(fù)載。1：1倒相傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)：用兩根等長(zhǎng)的導(dǎo)線緊靠著繞在磁環(huán)上構(gòu)成原理圖等效電路圖（二）傳輸線變壓器的寬帶特性高頻情況下，兩根導(dǎo)線上固有的分布電感、電阻和線間分布電容不可忽略，其等效電路如下圖：由等效電路，其中稱(chēng)為相移常數(shù)，：傳輸線長(zhǎng)度。

當(dāng)傳輸線無(wú)損耗或工作頻率很高時(shí),特性阻抗所以，傳輸線輸入阻抗2。當(dāng)高頻工作時(shí),，RL上得到的功率也是頻率的函數(shù),

即傳輸線有一定上限頻率。1。當(dāng)?shù)皖l工作時(shí),表明信號(hào)直接加到負(fù)載上，即傳輸功率與頻率無(wú)關(guān),下限頻率為零.其中

傳輸線變壓器依靠傳輸線傳遞能量，其上限條件取決于傳輸線、終端的匹配程度和傳輸線長(zhǎng)度，

下限條件取決于初級(jí)繞阻線圈電感量。①使即終端匹配，這樣Zi與頻率無(wú)關(guān),帶寬趨于無(wú)窮大.②使在此情況下,傳輸線上各點(diǎn)電壓,電流相等.要擴(kuò)展上限頻率,途徑有兩條:結(jié)論：（三）幾種實(shí)際的傳輸線變壓器1.1：1傳輸線變壓器（亦稱(chēng)倒相變壓器）:因?yàn)闊o(wú)耗，所以稱(chēng)為1：1倒相傳輸線變壓器。要獲得最大功率輸出，信號(hào)源與傳輸線、傳輸線與負(fù)載均應(yīng)匹配,此時(shí)如圖所示（三）幾種實(shí)際的傳輸線變壓器1.1：1傳輸線變壓器（亦稱(chēng)倒相變壓器）:實(shí)際當(dāng)中RL=Rs的情況很少，因此1：1傳輸線變壓器很少作為阻抗匹配元件，更多的是做倒相器或進(jìn)行不平衡-平衡或平衡-不平衡轉(zhuǎn)換。這兩種轉(zhuǎn)換電路分別如圖所示RsRs2Rs1usus2us1RLRL/2RL/244123123不平衡-平衡轉(zhuǎn)換平衡-不平衡轉(zhuǎn)換2．4：1或1：4傳輸線變壓器：用作阻抗變換（三）幾種實(shí)際的傳輸線變壓器如圖所示高Rs高RL低RL低RsU1U2I1ILI2(a)(b)以(a)為例進(jìn)行分析:若為理想傳輸線，并實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，則若傳輸線很短,則有U1=U2,I1=I2由圖可知，IL=I1+I2=2I2所以有因此，Ri=2ZC=4RL，實(shí)現(xiàn)了4：1的阻抗變換。3．高變換比傳揄線變壓器當(dāng)變換比高于4：1時(shí)，稱(chēng)為高變換比傳輸線變壓器，如9：1、16：1傳輸變壓器等。這里我們給出兩種不同電路形式的9：1傳輸線變壓器：（三）幾種實(shí)際的傳輸線變壓器88567567RLRSRSRL(a)(b)ILI2I1I1’I2’IiILI1由圖(a)電路可以看出，它實(shí)際上是由兩個(gè)相同的傳輸線變壓器構(gòu)成的，由于3,5端相接,所以兩初級(jí)繞組的電流是相等的,即在傳輸線無(wú)損時(shí)，U1=U1’=U2’=U2所以Ui=U1+U2+U2’=3U2’=3UL

即UL=Ui/3而IL=I1+I2+I2’=3I1=3IiU1U1’U2U2’UL圖（b）構(gòu)成原理與4:1相似,等效為匝比為3:1的變壓器，阻抗變換比為9:1。在無(wú)損匹配條件下，負(fù)載將獲得全部信號(hào)源輸入功率。即這種傳輸變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是各初級(jí)繞阻過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)由于分布參數(shù)影響，難以匹配PL=ILUL=Pi=IiUi-----(A)U3-4=U5-6=U7-8=U1-2=UI1由(A)(B)式,有

所以Ui=U3-4+U5-6+U7-8=3U---（B）即UL=ILRL=U1-2=U=Ui/3---（C）所以即Ri:RL=9:1UiUL二、寬帶功放實(shí)例第一,二級(jí)均采用分壓式電流負(fù)反饋偏置電路以保證放大器工作在甲類(lèi)線性狀態(tài)。第一級(jí)輸出接2個(gè)串接的4:1阻抗變換電路,獲得16:1的變比，以實(shí)現(xiàn)一、二級(jí)間的阻抗匹配。第二級(jí)輸出采用4:1阻抗變換電路，實(shí)現(xiàn)高阻輸出與低負(fù)載的匹配。典型電路如圖：三、功率合成技術(shù)：利用多個(gè)功放同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)放大，然后利用合成技術(shù)將多個(gè)輸出功率相加，獲得一個(gè)總功率（可達(dá)數(shù)千瓦）功率合成器的構(gòu)成是以傳輸線變壓器為基礎(chǔ)，附加電阻等元件。其原理框圖如圖：理想合成器條件：(1)無(wú)損地合成各功放的輸出功率;(2)各單元間有良好的隔離作用;(3)具有寬帶特性.（一）功率分配原理將輸入功率均等地分配給多負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為功率分配網(wǎng)絡(luò)或功率分配器。其中最常見(jiàn)的是功率二分配器，除此尚有三分配、四分配器等。其中，H1為分配網(wǎng)絡(luò)；H2為合成網(wǎng)絡(luò)。（一）功率分配原理功率二分配器原理電路如圖圖中用了1:1傳輸線變壓器,其作用是不平衡-平衡轉(zhuǎn)換,將信號(hào)源功率分配在負(fù)載電阻Ra、Rb上,由于Ra、Rb上的電流方向相同,故為同相輸出。RaRaRbRbRdRCRCRduSuSItU1U2IaIbIdIcUUIaIbIdIcIt1.兩負(fù)載均分功率的條件由上式可求得:Rd由等效電路可求電流之間的關(guān)系由于Id=0,所以Ud=0,則A,B兩點(diǎn)等電位,相當(dāng)于Ra,Rb并聯(lián).所以功率源US的總負(fù)載為使信號(hào)源提供最大功率輸出,要求信號(hào)源內(nèi)阻Rc與特性阻抗Zc、負(fù)載電阻RAB相匹配,即此時(shí)信號(hào)源最大功率輸出流過(guò)RaRb的電流為每一負(fù)載所獲得的最大功率A,B端均取得最大輸出功率的一半.-----①2.兩輸出端相互隔離的條件所謂兩輸出端相互隔離是指當(dāng)兩負(fù)載中任一負(fù)載發(fā)生變化甚至損壞時(shí),不影響另一負(fù)載所獲得的功率.現(xiàn)設(shè)Ra值增大,Rb保持不變,這使Ia<Ib,Id>0破壞網(wǎng)絡(luò)中的平衡關(guān)系.若令Rd=2R,則有Us=2R(It+Id)=2RIb,即對(duì)比①式,二者完全相同這表明:當(dāng)滿足Rd=2R=2Rb的條件時(shí),不管Ra如何變化,Rb上所獲功率并不改變,所以他們之間完全隔離的條件是:可見(jiàn),Rd的作用是吸收一端負(fù)載改變的功率,以保證另一端不變負(fù)載所獲功率不受影響.Rd=2R如果把信號(hào)功率由Rd支路引入,而Ra,Rb仍為負(fù)載,則構(gòu)成反相二分配器,分析方法相同.++--BARaRbuaubRC=R/2Rd=2RDD’IaIbIdItItUAUBC++--++--BARaRbuaubRCRdDD’IaIbIdItItUAUBC++--同相功率合成器反相功率合成器（二）功率合成原理功率合成器亦分為同相功率合成器、反相功率合成器兩種:以同相功率合成為例，分析一下它的合成條件和隔離條件：1．功率合成條件由圖可知若電路工作在平衡狀態(tài),兩功率源向回路提供同幅、同相的電功率,即:①②③++--BARaRbuaubRC=R/2Rd=2RDD’IaIbIdItItUAUBC++--將此代入②式得Id=0;代入③式得Ic=2I所以在平衡時(shí),平衡電阻Rd并不消耗功率.若則所以功率合成條件為：2．功率輸出端的隔離條件設(shè)不變,所以隔離條件為++--BARaRbuaubRC=R/2Rd=2RDD’IaIbIdItItUAUBC++--則由圖可見(jiàn)若取,則UA將只與I a有關(guān)（即只由功率源A決定），而不受功率源B的影響應(yīng)該指出：合成條件+隔離條件是功率合成器正常工作的必要條件，缺一不可。以上分析同樣適合反相功率合成。當(dāng)采用反相功率合成時(shí)，A、B兩端功率源必須輸出同頻、等值、反相的電流，輸出負(fù)