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第二節(jié)丙類調(diào)諧功放的組成原理及分析方法第三節(jié)調(diào)諧功放實用電路第四節(jié)寬帶高頻功放及功率合成

無線通信中，為了提高高頻信號的功率，需采高頻功放，根據(jù)放大信號相對頻帶的寬窄分為:1、窄帶高頻功率放大器（亦稱調(diào)諧功放）

它是以LC回路為負載，相對帶寬<10%；2、寬帶高頻功率放大器

它以傳輸線變壓器為負載，其相對帶寬可>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調(diào)諧功放研究的重點問題是功率和效率問題。要提高效率必須使放大器工作在乙類或丙類，因此調(diào)諧功放的集電極電流導(dǎo)通角2φ<π，從而使晶體管進入非線性工作狀態(tài)。它只有負載采用調(diào)諧回路，才能選出特定頻率的信號，完成配合線性功放的任務(wù)，因而形成自己的工作特點:.由于要求功率放大，所以工作在大信號情況下管子會進入非線性區(qū)2.由于工作在丙類，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，諧振回路呈純阻。ic1Eb0000UrubeuceEcibictttt第一節(jié)窄帶高頻功放的工作特點uc1(2)為獲最大功率，Uc1越接近于Ec越好。ui第二節(jié)丙類調(diào)諧功放的組成原理及分析方法實際調(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)能完成三項任務(wù)：

阻抗變換；有效的傳遞有用信號；濾除干擾信號一、丙類調(diào)諧功放的組成原理丙類調(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的正偏置或負偏置構(gòu)成丙類功放，偏置電路方式有四種，如圖：一、丙類調(diào)諧功放的組成原理在丙類功放中，通常采用自偏壓的形式：基極自偏壓饋電電路電路特點：

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)點是能夠自動維持放大器的工作穩(wěn)定。當(dāng)激勵加大時，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Q降低，因而又使的相對增加量減?。环粗?，當(dāng)激勵減小時，減小，偏壓減小，因而的相對減小量也減小，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（接近乙類工作）時，才采用這種電路。3．集電極直流供電電路優(yōu)點：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：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、丙類調(diào)諧功放的分析方法丙類功放情況下，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際曲線，使問題分析得以簡化，如下圖：折線折線下面用折線分析法圖示調(diào)諧功放進行分析：1．集電極電流與導(dǎo)通角在截止點代入上式整理得（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,輸出電流達到最大值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)：為便于計算，將與φ關(guān)系繪成曲線如下圖：(1)φ一定時，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，

3為負值，此時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ic(t)中的Ic3cos3t為負值。(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，此時管子工作在丙類。（二）調(diào)諧功放的動態(tài)分析1.晶體管的集電極動態(tài)特性列寫輸出回路方程顯然此為直線方程令則設(shè)此點為B點因為Eb〈Ur，所以ic為負值。但電流不可能倒流，所以B點為虛擬點。如圖：ＢＡIcmicuceuceUcEc-UccosEcNG(Eb-Ur）22ttC過A,B兩點作動態(tài)負載線如圖.設(shè)此點為A點令則ＢＡIcmicuceuceUcEc-UccosEcNG(Eb-Ur）22ttC所以動態(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圖:(作出不同R時三條負載線)諧振功率放大器的工作狀態(tài)

（1）R較小時（負載線1）：欠壓狀態(tài)Uc1較小，此時管子工作在放大區(qū)，ic受ib控制，Icm較大。由于電壓利用系數(shù)大，稱為欠壓狀態(tài)。因此，Pc較大，η不高。（2）R適中（負載線2）：動態(tài)負載線恰好經(jīng)過臨界飽和線的拐點,此時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)：最佳負載電阻：AB（3）R較大時（負載線3）：此時管子工作在飽和區(qū),ic受Uce的控制,稱此為過壓狀態(tài)。RUc

ucemin動態(tài)工作點將向A移動當(dāng)?shù)竭_點A后,繼續(xù)增加ucemax

，這時動態(tài)工作點將沿臨界飽和線由AB

，所以，此時電流為下凹的脈沖波，如圖所示.3.負載特性--是指Eb、Ui及Ec不變時，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，RIc1、Ico基本不變UC過壓時，RIc1、IcoUc有少量增加所以，Ic1、Ico、Uc隨R變化曲線如圖。欠壓過壓臨界RIc1、Ico、UcUcIcoIc1放大器的負載特性(2)Po、Pdc、Pc、η

隨R變化欠壓過壓臨界Rη

cPdcPo、Pdc、Pc

、ηPoPc

Pdc=IcoEc因為Ec=常數(shù)，所以Pdc的變化規(guī)律類似于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；在過壓區(qū)：Uc基本不變，所以Po的變化規(guī)律類似于Ic1的變化規(guī)律。Pc=Pdc-Po

η的變化規(guī)律類似于Uc

的變化規(guī)律。放大器的負載特性結(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不可過小，否則Pdc過大，管子有可能損壞。(2)臨界：Po、η都較高，適合做功放。(3)過壓下，Uc基本不變,相當(dāng)于恒壓源；η較高；適合做中間級，向后級提供穩(wěn)定的激勵電壓。但R過大，會使輸出非線性失真增加。

R過大

Uc過大uce=Ec+Uc(t)BUceR，會擊穿管子。η第三節(jié)調(diào)諧功放實用電路一、160MHZ、13W調(diào)諧功放電路基極采用自給偏壓，使之工作在丙類。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9dB，可向50Ω負載提供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：動態(tài)范圍大、輸入阻抗高（可達108

）等.本電路的功率增益可達10dB,效率大于50%，可向50的負載提供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:效率高缺點:調(diào)諧復(fù)雜，相對帶寬窄.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，需采用功率合成技術(shù)。高頻寬帶功放:負載是傳輸線，相對帶寬較寬，其最高f可達上千兆赫這類功放的缺點：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，而后者是通過磁力線感應(yīng)的能量傳遞給負載。1：1倒相傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)：用兩根等長的導(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，其中稱為相移常數(shù)，：傳輸線長度。

當(dāng)傳輸線無損耗或工作頻率很高時,特性阻抗所以，傳輸線輸入阻抗2。當(dāng)高頻工作時,，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,表明信號直接加到負載上，即傳輸功率與頻率無關(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度，

下限條件取決于初級繞阻線圈電感量。①使即終端匹配，這樣Zi與頻率無關(guān),帶寬趨于無窮大.②使在此情況下,傳輸線上各點電壓,電流相等.要擴展上限頻率,途徑有兩條:結(jié)論：（三）幾種實際的傳輸線變壓器1.1：1傳輸線變壓器（亦稱倒相變壓器）:因為無耗，所以稱為1：1倒相傳輸線變壓器。要獲得最大功率輸出，信號源與傳輸線、傳輸線與負載均應(yīng)匹配,此時如圖所示（三）幾種實際的傳輸線變壓器1.1：1傳輸線變壓器（亦稱倒相變壓器）:實際當(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)為例進行分析:若為理想傳輸線，并實現(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，稱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，它實際上是由兩個相同的傳輸線變壓器構(gòu)成的，由于3,5端相接,所以兩初級繞組的電流是相等的,即在傳輸線無損時，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。在無損匹配條件下，負載將獲得全部信號源輸入功率。即這種傳輸變壓器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但缺點是各初級繞阻過長時會由于分布參數(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、寬帶功放實例第一,二級均采用分壓式電流負反饋偏置電路以保證放大器工作在甲類線性狀態(tài)。第一級輸出接2個串接的4:1阻抗變換電路,獲得16:1的變比，以實現(xiàn)一、二級間的阻抗匹配。第二級輸出采用4:1阻抗變換電路，實現(xiàn)高阻輸出與低負載的匹配。典型電路如圖：三、功率合成技術(shù)：利用多個功放同時對輸入信號放大，然后利用合成技術(shù)將多個輸出功率相加，獲得一個總功率（可達數(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載的網(wǎng)絡(luò)，稱為功率分配網(wǎng)絡(luò)或功率分配器。其中最常見的是功率二分配器，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,將信號源功率分配在負載電阻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兩點等電位,相當(dāng)于Ra,Rb并聯(lián).所以功率源US的總負載為使信號源提供最大功率輸出,要求信號源內(nèi)阻Rc與特性阻抗Zc、負載電阻RAB相匹配,即此時信號源最大功率輸出流過RaRb的電流為每一負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)兩負載中任一負載發(fā)生變化甚至損壞時,不影響另一負載所獲得的功率.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,即對比①式,二者完全相同這表明:當(dāng)滿足Rd=2R=2Rb的條件時,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,Rd的作用是吸收一端負載改變的功率,以保證另一端不變負載所獲功率不受影響.Rd=2R如果把信號功率由Rd支路引入,而Ra,Rb仍為負載,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,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，A、B兩端功率源必須輸出同頻、等值、反相的電流，輸出負