通信电子电路(第10章)2008

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第十章 高频功率放大器(RF Power Amplifier )
n输出、输入与极间耦合回路 对耦合回路的主要要求为： 1）实现阻抗变换，与晶体管的 输入阻抗和输出阻抗相匹配。 2）选频输出，滤除谐波分量。 3）匹配网络的损耗尽量小。 耦合回路的形式可以有许多种， 下面讨论几种常用的电路。 1，复合输出回路
第十章 高频功率放大器(RF Power Amplifier )
10.2 丙类谐振功率放大器工作状态的分析 nC类功放的集电极动态特性 C类功放的集电极电压是由其电 流的基波分量在回路的谐振电阻 上得到的。实际上集电极电压的 波形会反过来影响集电极电流的 波形，最后达到某种动态平衡。 作出以vBE为参变量的输出特性 曲线如图，由输入信号的变化可 以得到各时间点上的vBE(ti)值；由 于回路的选频作用，集电极电压 始终为直流叠加余弦的形式，设 其幅度恰好达到平衡时的值，可 由此得到各时间点上的vCE(ti)值，与vBE(ti)对应描点联线，得到的 曲线称为动态线。由动态线可以得到ic波形，其基波分量与Re的乘 积应当等于Vcm。 8
α12 (θ ) 2 α (θ ) 1 2 1 Po = I c1 Re = I cm Re = Vcm I c1 = 1 ξVcc I cm 2 2 2 2 Po 1 α1 (θ ) Vom ηc = = ξ ,ξ = Pdc 2 α 0 (θ ) Vcc
其中ξ为集电极电源电压利用率，随着ξ 上升，输出功率和效率都 7 会上升。
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nC类功放的3种工作状态和4个电路要素 随着输入幅度的增加，可以看出集电极电流脉冲的幅度和电 压幅度也会增加，当电压幅度增大到一定程度时就会导致进入 饱和区，即vCEmin<vBEmax，在这一段时间内集电极电流会不升反 降，动态线上端回落，电流波形出现凹陷。我们把这种状态称 为过压状态。相应的把vCEmin＝vBEmax的情况称为临界状态；把 vCEmin>vBEmax的情况称为欠压状态。 仔细考虑C类功放的工作过程可以看出，放大器的工作状态 由4个要素决定：VBB,Vim,Vcc,Re 。改变任何一个要素都有可能 使电路的状态变化。
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n集电极调幅特性 VBB,Vim, Re 不变， 输出电流电压随Vcc变化的特性。
Ic1在过压区随Vcc近似线性变化，可实现调幅功能－－高电平调 幅。
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n基极调幅特性 Vim,Vcc,Re 不变， 输出电流电压随VBB变化的特性。
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nC类功放的负载特性 负载特性是指VBB,Vim,Vcc保持不变，放大器的输出电流、电 压、功率、效率等随Re变化的特性。 右图给出了Re变化时ic波形的 变化情况。 Re小，在欠压区， Icm大， Re大，在过压区，ic出 现凹陷。 下面的曲线给出了随Re变化 各个主要指标的变化情况。
第十章 高频功率放大器 (RF Power Amplifier )
10.1 谐振功率放大器的工作原理 10.2 丙类谐振功率放大器工作状态的分析 10.3 谐振功率放大器的电路组成 10.4 倍频器 10.5 D类功率放大器 10.6 功率合成与分配
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n提高效率的途径 下面是计算功率和效率的一些主要关系式：
Pdc = Vcc × I c 0 = Po + Pc 1 Po = Vom × I c1m = ηc Pdc 2 1 π 1 Pc = iC vCE dω t = 2π ∫−π 2π Po Po 1 ηc = = = Pdc Po + Pc 1 + Pc Po
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欠压：Ic1 基本不随Re变化，功率和效率随Re增大而增大； Re太小 时Pc 急剧增加，超过PcM会导致过热毁坏。用于调幅信号放大。 临界：输出功率和效率都比较高，最常采用。用于FM信号放大。 过压：效率高、管耗小、输出功率小。推动级调到弱过压，有稳 幅作用。 有反向击穿问题。
r'=
RL’
ω 2M 2
RA L1 = C1 (r1 + r ') L1 C1 (r1 +
Re =
ω 2M 2
RA
)
改变M可以改变Re。
Baidu Nhomakorabea
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2，L型匹配网络 利用串并联转换方法，
1 1 1 + = R p jX p Rs + jX s Rs2 + X s2 Rp = = Rs (1 + Qe2 ) Rs Rs2 + X s2 Rs2 (1 + Qe2 ) Xp = = Xs Xs = Qe = R p Rs Xs = X s (1 + 1 ) 2 Qe
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下面给出了乙类放大器和丙类放大器的各级波形图，比较可以看 出，丙类导通时间更小，管耗也就更小。
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nC类放大器的工作原理 由于C类放大器的集电极电流波形是余弦脉冲形的，要在负载 上得到完整的正弦电压波形输出，必须要借助于滤波器。集电极 接谐振回路是最常见的方式。这也就决定了C类放大器一般都用 来放大窄带信号，作为AM、FM通信机的末级射频功放使用。
10.1谐振功率放大器的工作原理 功率放大器的主要目标是要得到足够大的信号功率输出。在满 足这个目标的前提下，还要尽量追求具有比较高的效率、比较小 的失真、比较低的电源电压等方面的指标。 从功放的使用要求来看，根据其工作频率范围大体上可分为两 类：宽带功放（f0/BW0.7<5)和窄带功放（ f0/BW0.7>10)。在RF频 率范围内，多数采用窄带功放电路。 效率是功放的重要指标。直流电源提供的能量一部分转变为交 流信号输出，另一部分则消耗在晶体管及耦合电路上。损耗的存 在不仅导致经济指标的下降，更重要的是它转换成热能后会使晶 体管的温度迅速上升，对电路的正常工作造成严重影响。
R | Xs | = p | Xp | Rs
可以求得24页上的结果。图a适用于Re>RL 的情况，图b适用于Re<RL的情况，
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3，T型匹配网络 变换推导过程见下图
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n谐振功率放大器的调谐和调整 谐振功率放大器的调谐和调整 调谐：失谐时V 减小， 下降， 调谐：失谐时 cm减小，Po下降， Pc上升，＝ 烧管。 上升，＝ 烧管。 ，＝>烧管 为标志， 以Ic0为标志，1/3Vcc 下改变回 路元件参数使Ic0达到最小。 路元件参数使 达到最小。 调整： 调整：在保证回路谐振的条件 下调整元件参数，改变R 下调整元件参数，改变Re’以保证 放大器工作在最佳的状态下。 放大器工作在最佳的状态下。以 IA最大（或功率计指示最大）为 最大（或功率计指示最大） 标志进行调整。 标志进行调整。 注意：仪表必须连接到高频地电位处。直流表应当加旁路电容。 注意：仪表必须连接到高频地电位处。直流表应当加旁路电容。
4、π型匹配电路 仍然可以用串并联变换的方法逐级变换求解，推导过程见“谢 嘉奎.电子线路（非线性部分）”。
5、中间级一般工作在过压状态下。负载变化时有稳幅作用。
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n高频功率管 1，与一般的功放管相同，高频功放管也具有极限参数：集电 极最大管耗PCM，集电极最大电流ICM，集电极击穿电压V(BR)CEO， 最高工作结温TjM等。设计时必须保证工作在安全区内，并留有足 够的安全系数。 2，必须选用工作频段与信号频段一致的功放管。工作频段过 高或过低都不行。 3，高频功放管具有大信号输入阻抗和大信号输出阻抗，设计 回路时应当充分考虑。 4，高频功放管通常会规定不同频率下的最大输出功率和功率 增益。设计时应考虑推动功率的问题。 5，线性功放管不适合于用来作C类功放。
∫θi v
−
θ
C CE
dω t
从Pc的表达式可以看出，对于工作在放大区的晶体管电路来讲， 减小晶体管的导通时间是提高效率的一个有效途径。 ＝>乙类放大器：θ=90ο ，放大/截止区工作，推挽输出。 ＝>丙类放大器：θ<90ο ，放大/截止区工作，回路选频输出。 3 ＝>丁类放大器：饱和/截止区工作，低通滤波(续流)输出。
Note: |Ze(nω0)| 表达式应为：
Z e ( jnω 0 ) =
Re 1 2 1 + QL (n − ) 2 n
≈
nRe QL (n 2 − 1)
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计算结果如下：
VD − VBB θ = arccos Vim I cm = g mVim (1 − cos θ ) ic (t ) = I cm [α 0 (θ ) + α1 (θ ) cos ω 0t + α 2 (θ ) cos 2ω 0t + L + α n (θ ) cos nω 0t + L] vc (t ) = −ic1 (t ) | Z e (nω 0 ) |≈ − I cmα1 (θ ) Re cos ω 0t Pdc = I c 0 × Vcc = α 0 (θ ) I cmVcc
输出电流电压在欠压区随VBB近似线性变化，可用来实现调幅。
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n思考题 1，某谐振功放，原工作在临界状态，后发现Po明显下降，而 ηc反而增加，但VBB,Vcm,vBEmax不变。试问此时放大器工作在 什么状态？导通时间是增大还是减小？并请分析性能变化的 原因。 2，3－6，3－7，3－8 n作业 3－2，3－5
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10.3 谐振功率放大器的电路组成 谐振功率放大器由晶体管、馈电电路和匹配电路组成。 n馈电电路 馈电电路的作用是为晶体管提供合适的集电极回路和基极回路 的直流供电。两种集电极馈电电路如下图。 根据馈电电路与回路的连接关系，可分为串馈与并馈两种形式。 串馈：馈电电路（电 源、扼流圈等）与回路、 晶体管串连。 并馈：馈电电路与回 路、晶体管并连。 两种电路均满足：
vCE = VCC − vc (t )
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基极馈电电路用VBB时，也有串馈和并馈两种形式。
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基极馈电经常采用自给偏压的形式。由于基极电流脉冲的平均 值一般不为0，在偏置电阻（或扼流圈内阻）上会生一个负的偏 压，可用作为基极直流偏置电压。若基极电流脉冲幅度增大，所 产生的负偏压就增大，会导致基极的激励信号减小，从而抑制了 基极电流增大的趋势，具有自稳幅的效果。
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n谐振功率放大器的实用电路 谐振功率放大器的实用电路
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10.4 倍频器 C类放大器的输出回路调谐到 次或其 类放大器的输出回路调谐到2次或其 类放大器的输出回路调谐到 它高次谐波频率上时， 它高次谐波频率上时，回路选出高次谐 波电压输出，得到n倍频器 倍频器。 波电压输出，得到 倍频器。 2倍频器的电流电压波形如图。 倍频器的电流电压波形如图。 倍频器的电流电压波形如图 时有最大谐波输出。 θ=120ο/n时有最大谐波输出。 时有最大谐波输出 可采用陷波电路减小低次谐波的影响。 可采用陷波电路减小低次谐波的影响。
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当输入信号幅度Vim>>1时，晶体 管的转移特性可以用折线表示，在 信号的整周期内输出端不进入饱和 区的情况下，求解步骤如下： （VBB,VD,Vim=>θ,Ιcm) −−−>(ic(t),Ic0,Ic1,Ic2,….,Ze(nω0)) −−−>(Vom,Po,Pdc,ηc) 各级电流电压波形如图。