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第3章 高频功率放大电路 ３.１ 概述 ３.２ 丙类谐振功率放大电路 ３.３ 宽带高频功率放大电路与功率合成电路
第3章 高频功率放大电路 ３.１ 概述 ３.２ 丙类谐振功率放大电路 ３.３ 宽带高频功率放大电路与功率合成电路 ３.４ 集成高频功率放大电路及应用简介 ３.５ 章末小结 返回主目录
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第3章 功率放大电路 3.1概述 与低频功率放大电路一样, 输出功率、效率和非线性失真同样是高频功率放大电路的三个最主要的技术指标。不言而喻, 安全工作仍然是首先必须考虑的问题。在通信系统中, 高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分, 用于对高频已调波信号进行功率放大, 然后经天线将其辐射到空间, 所以要求输出功率很大。输出功率大, 从节省能量的角度考虑, 效率更加显得重要。因此, 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态, 即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。 同时, 为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量, 采用LC谐振回路作为选频网络, 故称为丙类谐振功率放大电路。
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显然,谐振功放属于窄带功放电路。对于工作频带要求较宽, 或要求经常迅速更换选频网络中心频率的情况, 可采用宽带功率放大电路。宽带功放工作在甲类状态, 利用传输线变压器等作为匹配网络, 并且可以采用功率合成技术来增大输出功率。 本章着重讨论丙类谐振功放的工作原理、动态特性和电路组成, 对于甲类和乙类谐振功放的性能指标也作了适当介绍, 接着再讨论高频宽带功率放大电路, 最后给出了集成高频功率放大电路的一些实例。
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3.2丙类谐振功率放大电路 3.2.1 工作原理 图3.2.1是谐振功率放大电路原理图。
假定输入信号是单频正弦波, 输出回路调谐在输入信号的相同频率上。 根据基尔霍夫电压定律, 可得到以下表达式: uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcosωt (3.2.1) uCE=VCC+uc=VCC-Ic1mRΣcosωt=VCC-Ucmcosωt (3.2.2)
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其中ub和uc分别是输入信号和输出信号,RΣ是回路等效总电阻, IC0和Ic1m分别是集电极电流iC中的直流分量和基波振幅。 由此可以得到集电极电源提供的直流功率PD, 谐振功放输出交流功率Po、集电极效率η和集电极功耗PC: PD=VCCIC (3.2.3) Po= Ic1mUcm= η= PC=PD-Po
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从公式(3.2.1)～(3.2.5)可知, 如果要增大输出功率, 在回路等效总电阻不变的情况下, 需增大Ic1m, 当器件确定时, 就是要增大输入信号振幅Ubm；如果要提高效率, 需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗, 通过降低静态工作点可以实现)。所以, 增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。 图3.2.2是三种不同静态工作点情况时晶体管转移特性分析。其中QA、QB和QC分别是甲类、乙类和丙类工作时的静态工作点。
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在甲类工作状态时, 为保证不失真, 必须满足Ic1m≤IC0, 又Ucm≤VCC(忽略晶体管饱和压降), 所以由公式(3. 2
在乙类工作状态时, 集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲, 可以用傅氏级数展开为: iC=IC0+Ic1mcos 2ω0t+Ic2mcos2ω0t+… = 其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度, 即集电极电流最大值。 由此 可求得在Ucm=VCC时的最高效率 η=
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在图3.2.2中, 随着基极偏置电压VBB逐渐左移, 静态工作点逐渐降低, 晶体管的工作状态由甲类、乙类而进入丙类。由刚才的分析可知, 乙类的效率确实高于甲类。
功率放大电路是大信号工作, 而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性, 这样将使分析比较复杂。为简化分析, 可以将晶体管特性曲线理想化, 即用一条或几条直线组成折线来代替, 称为折线近似分析法。 图3.2.3是将晶体管转移特性折线化, 由此来分析丙类工作状态的有关参数。
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图 丙类状态转移特性分析
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由图3.2.3可以得到集电极电流iC的分段表达式：
iC=g(uBE-Uon) uBE≥Uon uBE＜Uon (3.2.6) 如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2θ来表示, 则称θ为导通角。可见, 0°≤θ≤180°。 在放大区, 将式(3.2.1)代入式(3.2.6), 可以得到: iC=g(VBB+Ubmcosωt-Uon) 当ωt=θ时, iC=0, 由式(3.2.7)可求得:
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θ=arccos (3.2.8) 当ωt=0时, iC=ICm, 由式(3.2.7)和(3.2.8)可求得: gUbm=ICm／(1-cosθ) (3.2.9) 所以, 式(3.2.7)可写成: iC=gUbm 从集电极电流iC的表达式可以看出, 这是一个周期性的尖顶余弦脉冲函数, 因此可以用傅里叶级数展开, 即 iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos 2ωt+…+Icnmcos nωt+…。
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由于iC是ICm和θ的函数, 所以它的各次谐波的振幅也是ICm和θ的函数, 若ICm固定, 则只是θ的函数, 通常表示为：
IC0=ICmα0(θ), Ic1m=ICmα1(θ), Ic2m=ICmα2(θ), … (3.2.11) 其中α0(θ), α1(θ), α2(θ), …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。 图3.2.4给出了θ在0°～180°范围内的分解系数曲线和波形系数曲线。 波形系数g1(θ)= 若定义集电极电压利用系数ξ=UcmVCC, 可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式:
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由图3.2.4可以看出, α1(90°)=α1(180°)=0.5, 这两种情况分别对应于乙类和甲类工作状态, 均比丙类(θ＜90°)的数值高, 而α1的最大值是α1(120°)=0.536, 处于甲乙类状态。这意味着当回路等效总电阻RΣ和脉冲高度ICm相同时, 丙类的输出功率比甲类、甲乙类和乙类都要小一些, 但是丙类的集电极效率比它们都要高。
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分析式(3.2.12)、 (3.2.13)可知, 增大ξ和g1的值是提高效率的两个措施, 增大α1是增大输出功率的措施。然而图3.2.4告诉我们, 增大g1与增大α1是互相矛盾的。导通角θ越小, g1越大, 效率越高, 但α1却越小, 输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面, 选取合适的导通角θ。若取θ=70°, 此时的集电极效率可达到85.9%, 而θ=120°时的集电极效率仅为64%左右。因此, 一般以70°作为最佳导通角, 可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。 例3.1在图3.2.3中, 若Uon=0.6 V, g=10mA／V, ICm=20mA, 又VCC=12V, 求当θ分别为180°, 90°和60°时的输出功率和相应的基极偏压VBB, 以及θ为60°时的集电极效率。(忽略集电极饱和压降)
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解： 由图3.2.4可知: α0(60°)=0.22,α1(180°)=α1(90°)=0.5, α1(60°)=0.38 因为 Ucm=VCC=12V 所以, 当甲类工作时(θ=180°), 根据式(3.2.11), (3.2.4), Ic1m=0.5×20=10mA,Po= ×10×12=60 mW VBB= =1.6 V 当乙类工作时(θ=90°), Ic1m=0.5×20=10mA, Po= ×10×12=60mW VBB=0.6V
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当丙类工作时(θ=90°), Ic1m=0.38×20=7.6mA,Po= ×7.6×12=45.6mW IC0=0.22×20=4.4mA, η= × 由式(3.2.9)可知: Ubm= 所以由式(3.2.8)可求得: VBB=Uon-Ubmcosθ=Uon- = =-14 V
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2.2性能分析 若丙类谐振功放的输入是振幅为Ubm的单频余弦信号, 那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系?Ucm的大小受哪些参数影响? 式(3.2.1)、 (3.2.2)和(3.2.6)分别给出了谐振功放输入回路、 输出回路和晶体管转移特性的表达式。由这些公式可以看出, 当晶体管确定以后, Ucm的大小与VBB、VCC、RΣ和Ubm四个参数有关。利用图3.2.5所示折线化转移特性和输出特性曲线, 借助以上三个表达式, 我们来分析以上两个问题。在分析之前, 让我们先确定动态线的情况。
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在输出特性图中, 表示输出电压uCE随集电极电流iC变化的轨迹线称为动态线, 又称为交流负载线。由于谐振功放的负载是选频网络, 故输出交流电压uc必然是一个完整的余弦信号。由图3.2.5可以看到, 截止区和饱和区内的动态线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为gcr), 而放大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。 放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求出。 由式(3.2.1)和(3.2.2)可写出：
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代入式(3.2.6), 经过整理可得到动态线表达式: iC=-gd(uCE-V0) 其中 由图(3.2.5)可以写出斜率值gd的另一种形式: gd= 因为 Ic1m=ICmα1(θ), RΣ= 所以Rd= (3.2.14)
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1 负载特性 若VBB、VCC和Ubm三个参数固定, RΣ发生变化, 动态线、Ucm以及Po、η等性能指标会有什么变化呢?这就是谐振功放的负载特性。 由图3.2.6可知, VBB和VCC固定意味着Q点固定, Ubm固定进一步意味着θ也固定。根据式(3.2.14), 放大区动态线斜率 将仅随RΣ而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。 动态线A1B1的斜率最大,即对应的负载RΣ最小, 相应的输出电压振幅Ucm1也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。
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图 三种不同斜率情况下的动态线及波形分析
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动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点), 相应的输出电压振幅Ucm2增大, 晶体管工作在临界点、放大区和截止区。动态线A3B3的斜率最小, 即对应的负载RΣ最大, 相应的输出电压振幅Ucm3比Ucm2略为增大, 晶体管工作在饱和区、 放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同, 这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态, 而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。 注意, 在过压状态时, iC波形的顶部发生凹陷, 这是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。
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图 给出了负载特性曲线。 参照图3.2.6和式(3.2.3)～(3.2.5), 对于图3.2.7中各参数曲线随RΣ变化的规律将很容易理解。 由图3.2.7可以看到, 随着RΣ的逐渐增大, 动态线的斜率逐渐减小, 由欠压状态进入临界状态, 再进入过压状态。在临界状态时, 输出功率Po最大, 集电极效率η接近最大, 所以是最佳工作状态。 2 放大特性 若VBB、VCC、RΣ三个参数固定, 输入Ubm变化, 此时输出Ucm以及Po、η等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。
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图3.2.8是利用折线化转移特性分析丙类工作时iC波形随Ubm变化的关系, 并给出了Ucm、Ic1m和Ic0与Ubm的关系曲线。 由于Ubm的变化将导致θ的变化, 从而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化, 所以利用输出特性分析放大特性不方便。 由图3.2.8可以看到, 在欠压状态时, Ucm随Ubm增大而增大, 但不成线性关系, 因为θ也会随之增大, 使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类或乙类工作状态时, θ固定为180°或90°, 不会随Ubm的变化而变化, 此时Ucm与Ubm才成正比关系。在过压状态, 随着Ubm增加, Ucm几乎保持不变。 3 调制特性 (1) 基极调制特性。
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参照图3.2.6和式(3.2.3)～(3.2.5), 对于图3.2.7中各参数曲线随RΣ变化的规律将很容易理解。
由图3.2.7可以看到, 随着RΣ的逐渐增大, 动态线的斜率逐渐减小, 由欠压状态进入临界状态, 再进入过压状态。 在临界状态时, 输出功率Po最大, 集电极效率η接近最大, 所以是最佳工作状态。 2 放大特性 若VBB、VCC、RΣ三个参数固定, 输入Ubm变化, 此时输出Ucm以及Po、η等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。
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若VCC、RΣ和Ubm固定, 输出电压振幅Ucm随基极偏压VBB变化的规律被称为基极调制特性。 由于VBB和ub是以串联迭加方式处于功放的输入回路, 所以VBB的变化与ub的振幅Ubm的变化对输出电流iC和输出电压振幅Ucm的影响是类似的, 可以将图3.2.9和图3.2.8(b)进行对照分析。 基极调制的目的是使Ucm随VBB的变化规律而变化, 所以功放应工作在欠压状态, 才能使VBB对Ucm有控制作用。 (2) 集电极调制特性。 若VBB、RΣ和Ubm固定, 输出电压振幅Ucm随集电极电压VCC变化的规律被称为集电极调制特性。
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图3.2.8是利用折线化转移特性分析丙类工作时iC波形随bm变化的关系, 并给出了Ucm、Ic1m和Ic0与Ubm的关系曲线。 由于Ubm的变化将导致θ的变化, 从而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化, 所以利用输出特性分析放大特性不方便。 由图3.2.8可以看到, 在欠压状态时, Ucm随Ubm增大而增大, 但不成线性关系, 因为θ也会随之增大, 使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。 仅当处于甲类或乙类工作状态时, θ固定为180°或90°, 不会随Ubm的变化而变化, 此时Ucm与Ubm才成正比关系。在过压状态, 随着Ubm增加, Ucm几乎保持不变。
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3 调制特性 (1) 基极调制特性。 若VCC、RΣ和Ubm固定, 输出电压振幅Ucm随基极偏压VBB变化的规律被称为基极调制特性。 由于VBB和ub是以串联迭加方式处于功放的输入回路, 所以VBB的变化与ub的振幅Ubm的变化对输出电流iC和输出电压振幅Ucm的影响是类似的, 可以将图3.2.9和图3.2.8(b)进行对照分析。 基极调制的目的是使Ucm随VBB的变化规律而变化, 所以功放应工作在欠压状态, 才能使VBB对Ucm有控制作用。
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(2) 集电极调制特性。 若VBB、 RΣ和Ubm固定, 输出电压振幅Ucm随集电极电压VCC变化的规律被称为集电极调制特性。 由图3.2.10(a)可以看到, VCC的变化使得静态工作点左右平移, 从而使欠压区内的动态线左右平移, 动态线的斜率不变。 由图 (b)可以看到， 在欠压状态时, 当VCC改变时, Ucm几乎不变。 在过压状态时, Ucm随VCC而单调变化。所以, 此时功放应工作在过压状态, 才能使VCC时对Ucm有控制作用, 即振幅调制作用。
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4 小结 根据以上对丙类谐振功放的性能分析, 可得出以下几点结论: (1) 若对等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在临界状态, 此时输出功率最大, 效率也接近最大。比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大。 (2) 若对非等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在欠压状态, 但线性较差。若采用甲类或乙类工作, 则线性较好。比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大。 (3) 丙类谐振功放在进行功率放大的同时, 也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上, 功放应工作在欠压状态； 若调制信号加在集电极电压上, 功放应工作在过压状态。
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(4) 回路等效总电阻RΣ直接影响功放在欠压区内的动态线斜率, 对功放的各项性能指标关系很大, 在分析和设计功放时应重视负载特性。
例3.2某高频功放工作在临界状态, 已知VCC=18V, gcr=0.6 A／V, θ=60°, RΣ=100Ω, 求输出功率Po、直流功率PD和集电极效率η。 解： 由式(3.2.14)可求得: Rd=α1(60°)(1-cos 60°)×100=19 Ω 所以 gd= 由图3.2.6可以写出以下关系式:
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ICm=gcr(VCC-Ucm)=gdUcm(1-cos θ)
故 Ucm=gc 所以 ICm=
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3.2.3直流馈电线路与匹配网络 1. 直流馈电线路 在高频功放的输入回路和输出回路应分别加上合适的直流偏压, 有关的直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联, 后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式, 直流偏压与交流电压总是串联迭加的, 假定交流电压是单频信号, 即满足uBE=VBB+Ubmcosωt, uCE=VCC-Ucmcosωt的关系式。 (1) 集电极馈电线路。 图3.2.11给出了集电极馈电线路的两种基本形式。
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由于集电极电流是脉冲形状, 包括直流、基频及各次谐波分量, 所以集电极馈电线路除了应有效地将直流电压加在晶体管的集电极与发射极之间外, 还应使基频分量流过负载回路产生输出功率, 同时有效地滤除高次谐波分量。 图中的高频扼流圈Lc和高频短路电容Cc、Cc1、Cc2的作用在于阻止高次谐波流过直流电源并为其提供短路通道, 以免高次谐波影响直流电源的稳压性能。 串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片不能直接接地, 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、C元件可接地, 故安装调整方便。
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(2) 基极馈电线路。 基极馈电也有串馈与并馈两种形式, 但对于丙类谐振功放, 通常采用自给偏压方式。图3.2.12给出了几种基极馈电线路, 均为自给偏压形式。 在无输入信号时, 自给偏压电路的偏置为零。 随着输入信号的逐渐增大, 加在晶体管be结之间的偏置电压向负值方向增大。由此可见, 乙类功放不能采用自给偏压方式。 2 匹配网络 为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率, 输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求,在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。
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2 匹配网络 为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率, 输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求, 在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。 匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换(根据实际需要使功放工作在临界点、 过压区或欠压区), 并充分滤除无用的杂散信号。 第1章已介绍了几种基本LC选频匹配网络, 具体应用时为了产生良好的选频匹配效果, 常采用多节匹配网络级联的方式。 例3.3 分析图例3.3所示工作频率为175 MHz的两级谐振 功率放大电路的组成及元器件参数。
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解： 两级功放的输入馈电方式均为自给负偏压, 输出馈电方式均为并馈。
此电路输入功率Pi=1W, 输出功率Po=12W, 信号源阻抗Rs=50 Ω, 负载RL=50Ω。其中第一级输出功率Po1=4W, 电源电压VCC=135 V。 两级功放管分别采用3DA21A和3DA22A, 均工作在临界状态, 饱和压降分别为1V和15V。各项指标满足安全工作条件。 可以计算出各级回路等效总阻抗分别应该为:
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由于3DA21A和3DA22A的输入阻抗分别为R2=7 Ω和R4=5Ω, 故Rs≠R2, R1≠R4, R2≠RL, 即不满足匹配条件, 所以在信号源与第一级放大器之间、第一级放大器与第二级放大器之间分别加入T型选频匹配网络(C1、C2、L1和C3、C4、L2), 在第二级放大器与负载之间加入倒L型选频匹配网络(C5、L3、C6)。 三个选频匹配网络的输入阻抗分别是R1、R3和R5。 匹配网络中各电感与电容的值可根据相应的公式计算得出。 由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响, C1～C6均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的2～3倍。通过实验调整, 最后确定匹配网络元件的精确值。
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电路中四个高扼圈的电感量为0.1μH～0.2 μH, 其中两个作为基极直流偏置的组成元件, 另外两个在集电极并馈电路中对iC中的高次谐波分量起阻挡作用, 并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容C7和C9的值均为0.05μF, 穿心电容C8和C10为1500pF, 它们使高次谐波分量短路接地。 一般来说, 在400MHz以下的甚高频(VHF)段, 匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成, 而在400 MHz以上的超高频(UHF)段, 则需使用分布参数的微带线组成匹配网络, 或使用微带线和LC元件混合组成。
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一般来说, 在400MHz以下的甚高频(VHF)段, 匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成, 而在400MHz以上的超高频(UHF)段, 则需使用分布参数的微带线组成匹配网络, 或使用微带线和LC元件混合组成。 微带线又称微带传输线, 是用介质材料把单根带状导体与接地金属板隔离而构成, 图3.2.13给出了结构示意图。 微带线的电性能, 如特性阻抗、带内波长、损耗和功率容量等, 与绝缘基板的介电系数、基板厚度H和带状导体宽度W有关。实际使用时, 微带线是采用双面敷铜板, 在上面作出各种图形, 构成电感、电容等各种微带元件, 从而组成谐振电路、 滤波器以及阻抗变换器等。
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3.3 宽带高频功率放大电路与功率合成电路 宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络, 能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输线变压器, 它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫, 并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。 由于无选频滤波性能, 故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态, 效率较低。所以, 宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽。
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3.3.1传输线变压器 1 宽频带特性 普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。为了扩展下限频率, 就需要增大初级线圈电感量, 使其在低频段也能取得较大的输入阻抗, 如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数, 但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大, 降低了上限频率；为了扩展上限频率, 就需要减小漏感和分布电容, 减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数, 但这样做又会使下限频率提高。 传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的, 以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。
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利用图3.3.1所示一种简单的1∶1传输线变压器, 可以说明这种特殊变压器能同时扩展上、下限频率的原理。
在图3.3.1中, (a)图是结构示意图, (b)图和(c)图分别是传输线方式和变压器方式的工作原理图, (d)图是用分布电感和分布电容表示的传输线分布参数等效电路。 在以传输线方式工作时, 信号从①、 ③端输入, ②、 ④端输出。如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟, 两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的, 则传输线的特性阻抗 Z c=
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其中ΔL、ΔC分别是单位线长的分布电感和分布电容。 当Zc与负载电阻RL相等, 则称为传输线终端匹配。
在此无耗、 匹配情况下, 若传输线长度l与工作波长λ相比足够小(l＜λmin／8)时, 可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等, 且输入阻抗Zi=Zc=RL, 故为1∶1变压器。 可见, 此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。 在以变压器方式工作时, 信号从①、②端输入, ③、④端输出。由于输入、输出线圈长度相同, 从图(c)可见, 这是一个1∶1的反相变压器。
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当工作在低频段时, 由于信号波长远大于传输线长度, 分布参数很小, 可以忽略, 故变压器方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量, 保证了传输线变压器的低频特性较好。 当工作在高频段时, 传输线方式起主要作用, 在无耗匹配的情况下, 上限频率将不受漏感、 分布电容、 高导磁率磁芯的限制。 而在实际情况下, 虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的, 但上限频率仍可以达到很高。 由以上分析可以看到, 传输线变压器具有良好的宽频带特性。
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2 阻抗变换特性 与普通变压器一样, 传输线变压器也可以实现阻抗变换, 但由于受结构的限制, 只能实现某些特定阻抗比的变换。 图3.3.2给出了一种4∶1传输线阻抗变换器的原理图。 在无耗且传输线长度很短的情况下, 传输线变压器输入端与输出端电压相同, 均为 , 流过的电流均为 。 由此可得到特性阻抗Zc和输入端输入阻抗Zi分别为： Zc= Zi =
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所以,当负载RL为特性阻抗Zc的 时, 此传输线变压器可以实现4∶1的阻抗变换。故此时的终端匹配条件是RL= 。 其中Zi是指①、 ④端之间的等效阻抗。
利用传输线变压器还可以实现其它一些特定阻抗比的阻抗变换。 注意不同阻抗比时的终端匹配条件不一样。 图3.3.3给出了一个两级宽带高频功率放大电路, 其匹配网络采用了三个传输线变压器。 由图可见, 两级功放都工作在甲类状态, 并采用本级直流负反馈方式展宽频带, 改善非线性失真。 三个传输线变压器均为4∶1阻抗变换器。 前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络, 总阻抗比为16∶1, 使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高输出阻抗与50Ω的负载电阻实现匹配。
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3.3.2功率合成 利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大, 然后设法将各个功放的输出信号相加, 这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。 利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。 理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能, 还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离, 即当其中某一个功率放大器损坏时, 相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响, 仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。 图3.3.4给出了一个功率合成器原理方框图。
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由图可见, 采用7个功率增益为2, 最大输出功率为10 W的高频功放, 利用功率合成技术, 可以获得40W的功率输出。 其中采用了三个一分为二的功率分配器和三个二合一的功率合成器。 功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干份, 然后分别提供给后级若干个功放电路。 利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器, 且具有频带宽、 结构简单、插入损耗小等优点, 然后可进一步组成宽频带大功率高频功放电路。
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3.4 集成高频功率放大电路及应用简 在VHF和UHF频段, 已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件体积小, 可靠性高, 外接元件少, 输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列便是其中的代表产品。 表3.4.1列出了Motorola公司集成高频功率放大器MHW系列中部分型号的电特性参数。图3.4.1给出了其中一种型号的外形图。
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MHW系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的, 可用于移动通信系统中的功率放大, 也可用于工商业便携式射频仪器。使用前, 需调整控制电压, 使输出功率达到规定值。在使用时, 需在外电路中加入功率自动控制电路, 使输出功率保持恒定, 同时也可保证集成电路安全工作, 避免损坏。 控制电压与效率、 工作频率也有一定的关系。 三菱公司的M57704系列高频功放是一种厚膜混合集成电路, 同样也包括多个型号, 频率范围为335 MHz～512 MHz(其中M57704H为450 MHz～470 MHz), 可用于频率调制移动通信系统。它的电特性参数为：当VCC=12.5V, Pin=0.2 W, Zo=ZL=50Ω时, 输出功率Po=13 W, 功率增益Gp=18.1dB, 效率35%～40%。
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图3.4.2是M57704系列功放的等效电路图。由图可见, 它包括三级放大电路, 匹配网络由微带线和LC元件混合组成。
图3.4.3是TW-42超短波电台中发信机高频功放部分电路图。 此电路采用了日本三菱公司的高频集成功放电路M57704H。 TW-42电台是采用频率调制, 工作频率为4577MHz～458 MHz, 发射功率为5W。由图3.4.3可见, 输入等幅调频信号经M57704H功率放大后, 一路经微带线匹配滤波后, 再经过V115送多节LC的π型网络, 然后由天线发射出去；另一路经V113、 V114检波, V104、V105直流放大后, 送给V103调整管, 然后作为控制电压从M57704H的第②脚输入, 调节第一级功放的集电极电源, 可以稳定整个集成功放的输出功率。第二三级功放的集电极电源是固定的138 V。
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3.5 章 末小结 1. 高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下, 丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类大, 但效率高, 节约能源, 所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。 2. 丙类谐振功放效率高的原因在于导通角θ小, 也就是晶体管导通时间短, 集电极功耗减小。但导通角θ越小, 将导致输出功率越小。 所以选择合适的θ角, 是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。 3. 折线分析法是工程上常用的一种近似方法。 利用折线分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析, 得出它的负载特性、 放大特性和调制特性。若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时, 应该工作在临界状态；
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若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时, 应该工作在临界状态； 若用来放大非等幅信号(如调幅信号)时, 应该工作在欠压状态； 若用来进行基极调幅, 应该工作在欠压状态； 若用来进行集电极调幅, 应该工作在过压状态。折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的作用。 4 丙类谐振功放的输入回路常采用自给负偏压方式, 输出回路有串馈和并馈两种直流馈电方式。为了实现和前后级电路的阻抗匹配, 可以采用LC分立元件、微带线或传输线变压器几种不同形式的匹配网络, 分别适用于不同频段和不同工作状态。
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5 谐振功放属于窄带功放。 宽带高频功放采用非调谐方式, 工作在甲类状态, 采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配, 并可利用功率合成技术增大输出功率。 6 目前出现的一些集成高频功放器件如M57704系列和MHW系列等, 属窄带谐振功放, 输出功率不很大, 效率也不太高, 但功率增益较大, 需外接元件不多, 使用方便, 可广泛用于一些移动通信系统和便携式仪器中。
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