3[1].2__射频功率放大器电路结构

3.2射频功率放大器电路结构3.2.1射频功率放大器的分类射频功率放大器的工作频率很高（从几十兆赫兹一直到几百兆赫兹，甚至到几吉赫兹），按工作频带分类，可以分为窄带射频功率放大器和宽带射频功率放大器。窄带射频功率放大器的频带相对较窄，一般都采用选频网络作为负载回路，例如LC谐振回路。宽带射频功率放大器不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作为负载。这样它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。射频功率放大器按照电流导通角的不同分类，可分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类。甲类放大器电流的导通角=180°，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的导通角=90°；丙类放大器电流的导通角90°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类状态，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。射频功率放大器除了以上几种按电流导通角来分类以外，还有使功率器件工作于开关状态的丁（D）类放大器和戊（E）类放大器。丁类放大器的效率高于丙类放大器，理论上可达100％，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗（集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则丁类放大器的工作频率可以提高，即构成所谓的戊类放大器。这两类放大器是晶体管射频功率放大器的新发展。射频功率放大器按工作状态分类可分为线性放大和非线性放大两种。线性放大器的效率最高也只能够达到50％，而非线性放大器则具有较高的效率。射频功率放大器通常工作于非线性状态，属于非线性电路，因此不能用线性等效电路来分析。通常采用的分析方法是图解法和解析近似分析法。图解法利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；解析近似分析法将电子器件的特性曲线用某些近似解析式来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计算。最常用的解析近似分析法是用折线来表示电子器件的特性曲线，称为折线法。总的来说，图解法是从客观实际出发，计算结果比较准确，但对工作状态的分析不方便，步骤比较烦冗；折线近似法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。3.2.2A类射频功率放大器电路A类射频功率放大器电路属于线性放大器，放大器电流的导通角=180°，即在正弦信号一周期内，放大器电路的功率管是处于全导通工作状态，适合放大AM,SSB等非恒定包络已调波。晶体管A类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图3.2.1所示。为了输出大的功率，一般采用如下措施：集电极采用扼流圈（或线圈）馈电；让晶体管工作于可能的最大输出功率状态；在实际负载RL和最佳负载Ropt间采用一个阻抗变换网络，使放大器输出最大功率。对于A类射频功率放大器，为使功率管能有最大交流信号摆幅，从而获得最大输出功率，需要将直流工作点Q选择在交流负载线的中点，如图3.2.1（b）所示。需要注意的是激励信号幅度不能过大，以避免输出波形产生失真。对于正弦信号输入时，iC由直流分量ICQ和交流分量iL组成，即令iC=ICQ+iL，其中交流分量iL=ILmsint，而ILm≤ICQ。设实际负载RL=最佳负载Ropt，则A类功放的输出功率Po为（3.2.1）22oLmLCQL1≤2PIRIR电源供给功率Pdc为（3.2.2）因此，效率为％（3.2.3）当ILm=ICQ时，效率为最高，=50％。A类射频功率放大器在没有输入信号时，电源供给的全部功率都消耗在功率管上，即管耗达到最大，这是人们所不希望的。2CCdcCQCCL≤VPIV222oLmLLmL2dcCQCCCC≤≤5022PIRIRPIVVA类射频功率放大器电路的效率不仅与输入信号的幅度有关，而且还与输入信号的波形有关。对于输入信号为一个方波的情况，输出集电极电流必然也是一个方波。分析表明：A类射频功率放大器电路在输入/输出均为方波的情况下，理想效率可达到100％。为实现不失真放大，通常用LC并联谐振回路做集电极负载。如果LC回路调谐在基波选出基波频率分量，则输出功率Po为（3.2.4）式中，ILm为iL中的基波电流振幅；Re为LC回路谐振阻抗。2oLme12PIR基波最大输出功率Pomax为Pomax（3.2.5）最高效率max为％（3.2.6）可见，A类射频功率放大器在方波工作时的最大效率比正弦工作时的理想效率还高出31％。如果把LC回路调谐在n次谐波上，就可实现n次倍频。但效率将随次数n很快下降，即n=8/n22。2CQCCLme2288IVIRomaxmax2dc881PP3.2.3B类射频功率放大器电路晶体管B类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图3.2.2所示。电路中，偏置电压VBB=Von，当正弦波信号输入时，功率管在输入波形的半个周期内导通，而在另半个周期则是截止的。显然静态时，集电极电流iC为零，集射极间电压为VCC。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角=/2，所以输出是一个半波正弦信号，如图3.2.2（b）所示。B类射频功率放大器电路采用双管B类推挽工作，即用两只B类工作的功率管各放大半个正弦波，然后在负载上合成一个完整的正弦波（图中仅给出了VT1的波形）。输出功率Po为（3.2.7）电流可用开关函数表示，其直流分量为电源供给功率为（3.2.8）效率为％（3.2.9）oCMCCcesat1()2PIVVC1CM1cos()iItStdc1CM1IIdcdc1CC2PIVoCdc≈78.5PP如图3.2.2所示，当正弦信号输入时，功率管在输入波形的半个周期内导通，而在另半个周期则是截止的。显然静态时，集电极电流iC为零，集射极间电压为VCC。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角为/2，所以输出是一个半波正弦信号，如图3.2.2（b）所示。B类射频功率放大器常采用双管B类推挽工作，即用两只B类工作的功率管各放大半个正弦波，然后在负载上合成一个完整的正弦波。采用两只互补功率MOSFET组成的B类推挽射频功率放大器如图3.2.3所示。图中VT1为NDMOSFET（N沟道耗尽型MOSFET），VT2为PDMOSFET（P沟道耗尽型MOSFET），恒流源IQ和Rb是VT1和VT2的偏置电路。在输入信号电压超过功率管的门限电压前，MOSFET不导通。图3.2.3两只互补功率MOSFET组成的B类推挽射频功率放大器功率场效应晶体管（MOSFET，MetallicOxideSemiconductorFieldEffecttransistor）与功率双极晶体管（BJT）相比有很多优点。场效应晶体管的ID为负温度系数，它随温度升高而减小，这使功率管温度上升以后仍能保证安全工作。而双极晶体管的IC为正温度系数，如果不采用复杂的保护电路，则温度上升后功率管将烧坏。双极晶体管是少数载流子工作器件，它是靠少数载流子在基区的聚集（扩散）和排除（漂移）来进行工作的。因为这些电荷的聚集和排除都需要时间和能量，所以，双极晶体管的功耗随工作频率的增加而增加。场效应晶体管是多数载流子工作器件，是靠栅区电场控制多数载流子运动来进行工作的。场效应晶体管栅区不存储电荷，在导通、截止之间的转换极为迅速，所以场效应晶体管功耗小、工作频率高。另外，由于场效应晶体管的输入阻抗高，所以激励功率小，功率增益高，而且场效应晶体管易于集成，所以在集成功率放大器集成电路芯片内的输出级常常采用这种互补场效应晶体管B类推挽功放电路。3.2.4C类射频功率放大器电路晶体管C类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图3.2.4所示。C类射频功率放大器又称为谐振功率放大器，放大器电流的导通角90°，属于非线性功率放大器，只适合放大恒定包络的信号。电路中基极偏置，与输入信号Vim决定导通角，导通角，集电极电流iC为脉冲形式（见图3.2.4（b）），集电极的LC输出谐振回路完成选频与阻抗变换功能，输出电压为正弦波。BBonVVBBVonBBim≈VVV图3.2.5C类射频功率放大器电路集电极电流iC的波形C类射频功率放大器电路的功率管的导通时间小于半个周期，即导通角/2。显然，这种工作状态的集电极电流iC的波形为小于半个周期的正弦脉冲，如图3.2.5所示。对于这一电流脉冲，可以用如下关系表示（3.2.10）式中：cmD12C12sin,≤≤0,,ItItittcmDcm1sinIIIC类功放电路的输出功率Po为（3.2.11）式中，ILm为集电极电流iC中的基波分量，有（3.2.12）222cmLoLmLcmLmcmcm11(2sin2)228(2sin2)4IRPIRVIVIcmLmcmD02(cos)cosd()=(2sin2)2IIItItt电源供给功率Pdc为（3.2.13）C类功放的效率为（3.2.14）式（3.2.14）表明，C类功放的效率是导通角的函数。减小导通角，效率增加。相反增大导通角，效率将减小。导通角=90°，电路工作于B类放大器状态。CCcmdcCCC0(sincos)VIPVI2LmLcmLmodcCCC0CCC0cmCC112212sin24sincosIRVIPPVIVIVVC类射频功率放大器的主要设计参数为：输出功率Po、电源供给功率Pdc、功率管的管耗PT、功率管的最大集射（漏源）极间电压和功率管最大输出电流等。C类射频功率放大器效率高，主要作为发射机末级功率放大器。由于C类射频功率放大器的电流脉冲中含有很丰富的谐波分量，因此只要把负载并联LC回路调谐在某次谐波上，C类射频功率放大器可构成一个倍频功放电路。在Icm为定值时，各次谐波的振幅Icm与导通角有关。在设计倍频器时，对应倍频次数应选择合适的导通角。值得指出的是倍频次数越高，相应的谐波最大幅值越小，而且效率也越低，因此实践中常限于2～3次倍频。用音频信号改变C类射频功率放大器的集电极馈电方式，C类射频功率放大器可以实现调幅功能。