通信电子电路-第三章-第5～8节

3.5调谐功率放大器的实用电路高频功率放大器电路包括直流馈电电路，偏置电路、输出和输入匹配电路（或网络）。一、直流馈电电路直流馈电电路分为串馈和并馈两种。所谓串馈是指电源、晶体管和负载是串联连接；而并馈是把三者并联在一起。虽然串馈和并馈电路形式不同，但输出电压都是直流电压和交流电压的叠加，关系式均为tUEucoscmcce图3-14直流馈电电路并馈电路中由于有C2隔断直流，谐振回路处于直流地电位上，因而滤波元件可以直接接地，这样它们在电路板上的安装比串馈电路方便。但高频扼流圈ZL、隔直电容C2又都处在高频电压下，对调谐回路又有不利影响。特别是馈电支路与谐振回路并联，馈电支路的分布电容，将使放大器c-e端总电容增大，限制了放大器在更高频段工作。1.优缺点串馈电路中，由于谐振回路通过旁路电容直接接地，所以馈电支路的分布参数不会影响谐振回路的工作频率。串馈电路适于工作在频率较高的情况。但串馈电路的缺点是谐振回路处于直流高电位上，谐振回路元件不能直接接地，调谐时外部参数影响较大，调整不便。由于丙类放大器电流脉冲中的各次谐波分量，当它们通过具有一定内阻的电源时，会在电源两端叠加高频电压，对其他线路造成影响。所以，串、并馈电路中都有高频扼流圈和旁路电容。高频扼流圈对高频有“扼制”作用，而旁路电容对高频有短路作用。2.扼流圈和旁路电容的选取原则扼流圈和旁路电容的选取原则：扼流圈阻抗应比相应支路的阻抗大一个数量级（即大10倍），而旁路电容应比相应支路阻抗小一个数量级。这样，就算有扼制和短路作用了。例如，串馈电路集电极电路旁路电容C1的电抗可按下式计算，即（3-36）式中Rc是输出回路的有载等效阻抗。扼流圈ZL的电抗应比Rc大，即（3-37）对于并馈电路，隔直电容C2的容抗对工作频率应近似短路，即（3-38）而扼流圈，则应为（3-39）c1c20~51RxcL1)20~5(Rxcc220~21Rxc2L)20~2(Rx以上各经验公式的系数主要为不同使用条件而设的。高扼圈的电感量，原则上是大一些好，但太大线圈圈数过多，分布电容增大，影响扼流作用。因此当工作频率较高时，系数应取下限，即5~10为宜，当工作频率较低时系数应取上限或更大一些如20~100。二、自给偏压环节丙类放大器电路的电源Eb，很少使用独立电源，而多采用射极或基极电流的直流成分，通过一定数值的电阻而造成的压降作为放大器的自给偏压。这种方法叫自给偏压法。自给偏压可分为射极电流自给偏压和基极电流自给偏压。射极电流自给偏压环节和基极电流自给偏压环节均可从以下5个方面进行分析1)电路2）工作原理3）参数选取4）信号源有无直流通路——高频扼流圈？高频扼流圈的作用是将射极偏压引向基极，同时也为基极直流提供通路。5）使用⒈射极电流自给偏压环节1）电路2）工作原理射极电流的直流成分Ie0通过偏置电阻Re形成Ie0Re，其极性对晶体管是一个反偏压，偏压的大小可通过调节Re来达到。如所需的偏压为Eb，则Eb由下式确定，即3）参数选取Ce对交流旁路，为了保证偏压不随交流波动，其放电时间常数应足够大，要求f是放大器的工作频率。e0beIERfCR5ee4）信号源有无直流通路如果信号源无直流通路，则应加一个高频扼流圈ZL，ZL的作用是将射极偏压引向基极，同时也为基极直流提供通路。5）使用——欠压射流偏压环节对Ieo的变化起负反馈作用。（相当于有效激励增大）ee0be0RIEI0eI⒉基极电流自给偏压环节1）电路2)工作原理基极直流成分Ib0通过Rb造成的电压Ib0Rb，对基极是个反偏压。调整Rb可以改变偏压的大小，故Eb应根据所需的偏压来选取，即3）参数选取为了减小电压Eb随交流电流波动，CbRb的时间常数应满足0bbbIERfRC5bb4）信号源有无直流通路如果信号源无直流通路，则应加一个高频扼流圈ZL。5）使用——过压基流偏压环节对Ib0的变化起负反馈作用。bb0bcb0bmaxRIEIIR过压过压（相当于有效激励减小）为了使功率放大器具有最大的输出功率，除了正确设计晶体管的工作状态外，还必须具有良好的输入、输出匹配电路。输入匹配电路的作用是实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以期获得最大的激励功率。输出匹配电路的作用是将负载RL变换为放大器所需的最佳负载电阻，以保证放大器输出功率最大。三、输入、输出匹配网络可以完成这两种作用的匹配电路形式有多种，但归纳起来有两种类型，即具有并联谐振回路形式的匹配电路和具有滤波器形式的匹配电路。前者多用于前级、中间级放大器以及某些需要可调电路的输出级，后者多用于大功率、低阻抗宽带输出级，如无线电发射机多用此种电路。图3-17是一个具有单谐振的变压器耦合匹配电路，其中（a）为电路原理图。（b）是晶体管输出端的等效回路图。由于调谐功率放大器的晶体管工作在非线性状态，匹配的概念与线性电路完全不相同。由于调谐功率放大器工作在临界状态输出功率最大，效率也较高。因此，放大器工作在临界状态的等效电阻，就是放大器阻抗匹配所需的最佳负载电阻，以Rcp表示。⒈并联谐振回路匹配电路图3-17单谐振变压器耦合匹配回路o2cesco2cmcp2)(2PUEPUR（3-45）在实际电路中，如何达到集电极等效负载cpcRRLQRNNLcp10LQRLRQQQQNNLLTLL0L012（3-46）（3-47）式中，0L0TQQQ是槽路效率。在甚高频或大功率输出级，广泛利用L，C变换网络来实现调谐和阻抗匹配。这种电路形式很多，就其结构来看，可概括为L型、T型、П型三种类型。⒉滤波器型匹配网络RL是负载电阻，RS是信号源输出电阻。当电路用作级间匹配网络时，RL是下一级放大器的输入电阻，RS是前一级放大器的输出电阻。当电路用在输入级或输出级时，RS、RL的具体含义视工作情况确定。图3-19T型电路及其变换下面以T型匹配网络为例进行讲解。Sc1c2L2c2LLc2c22c2SLS1c111RxQRQxRQxQRRRx、、以RS和RL以及QC2表示的T型网络元件参数从xc1的计算式中知道，当时，xc1的解是一虚数，即无法选择合理的电容，使负载和信号源阻抗匹配。因此，T型网络的工作条件为112c2SLQRR（3-65）112c2SLQRR由式可知，只要满足上式要求，即可实现网络匹配的条件。实际中，采用不同馈电电路和输入输出匹配网络可以构成各种实用的谐振功率放大器。图为工作频率为160MHz的高频谐振功率放大器四、高频功率放大器实用电路举例四、高频功率放大器实用电路举例高频谐振功率放大器3.6功率晶体管的高频效应晶体管工作在高频时，性能变得非常复杂。（一）晶体管的高频效应定性介绍1．在低频情况下，认为共发射极晶体管电流放大倍数是一个常数。当工作频率升高时，将随f升高而减小；2．晶体管在低频工作时，总认为ic、ib是同时发生的，ic仅仅在数值上比ib大倍。但实际上，由于基区载流子渡越时间的影响，ic比ib、ie滞后一个相角，幅值也比低频小的多。、、、图3-22高频输入等效电路图3-23高频工作时晶体管电压、电流波形3．当工作频率增加时，由于晶体管集电区集肤效应的影响，使电流趋向半导体材料的表面，减小了半导体材料的有效导电面积，使集电区欧姆体电阻大为增加，从而使饱和压降显著增加。（二）结论⑴由于、ic、ie随频率增高而减小。因此，为了获得同样的输出功率，就需要加大高频激励电压Ubm、激励功率Pbm的数值。⑵由于ic脉冲展宽，导致了Ic1m/Ic0比值的下降，集电极效率降低。⑶由于饱和压降增大，电压利用系数降低，使输出功率减小，集电极效率降低，管子损耗增大。⑷由于激励电压Ubm和输出电压Ucm有相移，设计放大器时必须考虑它的影响。⑸基极电流的直流分量减小，甚至可能出现反向电流。ebu3.7倍频器倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（2倍、3倍n倍）增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备。一、为什么采用倍频器二、倍频器的种类三、丙类倍频器的工作原理四、使用时注意问题一、为什么采用倍频器(1)降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。一般基音体体频率不高于20MHz，具有高稳定性的晶体频率通常不超过5MHz。所以工作频率高，要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频。(2)对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。(3)可以提高发射机的工作频率稳定性。二、倍频器的种类1.丙类倍频器2.参变量倍频器本节主要介绍用丙类放大器构成的倍频器，即所谓“丙类倍频器”。三、丙类倍频器的工作原理丙类放大器晶体管集电级电流脉冲中含有丰富的谐波分量。如果集电极调谐回路谐振在二次或三次谐波频率上，放大器就主要有二次或三次谐波电压输出。这样丙类放大器就成了二倍频器或三倍频器。innff图3-24丙类倍频器的原理电路从电路形式看，它与丙类高频放大器基本相同。不同之处在于丙类倍频器的集电极谐振回路是对输入频率fi的n倍频谐振，而对基波和其它谐波失谐，因而ic中的n次谐振通过谐振回路获得最大电压，而基波和其他谐波被滤除。例如，二倍频器的负载谐振回路的fo为2fi，所以，回路可以选出二次谐波、输出频率为2fi的电压信号，并滤除基波和其他谐波信号。二倍频器的主要波形如图3-25所示。图3-25二倍频器的主要波形借助丙类高频放大器的分析方法，分析丙类倍频器的工作原理。设倍频器的输入电压为输出电压为式中是谐振回路两端n次谐波电压幅值，利用前面分析的结果知道n次倍频器输出的功率和效率为bbmbecosEtUutnUEucoscnmccecnmUcnmaxcnmcnmcnmon2121IUUIPnccnm0ccnm0ccnmcn2121EUEUIIn（3-69）（3-70）由余弦脉冲分解系数可知，无论导通角为何值，均小于，即在其他情况相同条件下，丙类倍频器的输出功率和效率将远低于丙类放大器，且随着次数的增大而迅速降低。为了提高倍频器的输出功率和效率，要选择适当的导通角。由图可见，导通角为60°或40°时，二次或三次谐波系数最大，即此时输出的功率和效率也最大。最佳导通角与倍频次数的关系为n0n120n1（3-71）因此，单级丙类倍频器一般只作二倍频器或三倍频器使用，最多也不超过4~5次，若要提高倍频次数，可采用多级倍频器。四、使用时注意问题1.选择适当的导通角导通角为60°或40°时，二次或三次谐波系数最大，即此时输出的功率和效率也最大。最佳导通角与倍频次数的关系为谐波次数2.谐波次数越高，越小3.波形差n0n120,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。3.8集成高频功率放大电路及应用简介三菱公司的M57704系列高频功放是一种厚膜混合集成电路，它包括多个型号，频率范围为335MHz～512MHz（其中M57704H为450MHz～470MHz），可用于频率调制移动通信系统。它的电特性参数为：当Ec=12.5V，Pin=0.2W，ZL=50Ω时，输出功率Po=13W，功率增益Ap=18.1dB，效率35%～40%。图所示是M57704系列功放的等效电路图，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。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