射频功率放大器电路结构.pptx

《射频功率放大器电路结构.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频功率放大器电路结构.pptx（30页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、射频功率放大器电路结构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，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。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，例如频网络作为负载回路，例如LCLC谐振回路。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，宽带射频功率放大器不采用选

2、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，而不必重新调谐在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。第1页/共30页射频功率放大器按照电流导通角射频功率放大器按照电流导通角 的不同分类，可分的不同分类，可分为甲（为甲（A A）、乙（）、乙（B B）、丙（）、丙（C C）三类。）三类。甲类放大器电流的导通角甲类放大器电流的导通角=180=180，适用于小信号低功，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的导通角率放大。乙类放大器电流的导通角=90=90；丙类放大；丙类放大器电流的导通角器电流的导通角

3、9090。乙类和丙类都适用于大功率工作状态。丙类工作状态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。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。电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。第2页/共30页射频功率放大器除了以上几种按电流导通角来分类以

4、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（外，还有使功率器件工作于开关状态的丁（D D）类放）类放大器和戊（大器和戊（E E）类放大器。）类放大器。丁类放大器的效率高于丙类放大器，理论上可达丁类放大器的效率高于丙类放大器，理论上可达100100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的，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。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

5、可以提高，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。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。这两类放大器是晶体管射频功率放大器的新发展。第3页/共30页射频功率放大器按工作状态分类可分为线性放大和非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线性放大两种。线性放大器的效率最高也只能够达到5050，而非线性放大器则具有较高的效率。，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

6、常采用的电路，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。分析方法是图解法和解析近似分析法。第4页/共30页图解法利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进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；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。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。特性曲线，称为折线法。总的来说，图解法是从客观实际出

7、发，计算结果比较总的来说，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；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。计算准确度较低。第5页/共30页3.2.2 A类射频功率放大器电路A A类射频功率放大器电路属于线性放大器，放大器电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流的导通角=180=180，即在正弦信号一周期内，放大器，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，适合放大电路的功率管是处于全导通工作状态，适合放

8、大AM,AM,SSBSSB等非恒定包络已调波。等非恒定包络已调波。晶体管晶体管A A类射频功率放大器的典型电路结构、负载线类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图和波形如图3.2.13.2.1所示。所示。为了输出大的功率，一般采用如下措施：集电极采用为了输出大的功率，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；在实际负载输出功率状态；在实际负载R RL L和最佳负载和最佳负载R Roptopt间采用间采用一个阻抗变换网络，使放大器输出最大功率。一个阻抗变换网络，使放大器输出最大功率。第6页/共30

9、页第7页/共30页第8页/共30页对于对于A A类射频功率放大器，为使功率管能有最大交流类射频功率放大器，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，需要将直流工作信号摆幅，从而获得最大输出功率，需要将直流工作点点QQ选择在交流负载线的中点，如图选择在交流负载线的中点，如图3.2.13.2.1（b b）所示。）所示。需要注意的是激励信号幅度不能过大，以避免输出波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。形产生失真。对于正弦信号输入时，对于正弦信号输入时，i iCC由直流分量由直流分量I ICQCQ和交流分量和交流分量i iL L组成，即令组成，即令i iCC=I IC

10、QCQ+i+iL L，其中交流分量，其中交流分量i iL L=I ILmLmsinsin t t，而，而I ILmLm I ICQCQ。设实际负载。设实际负载R RL L=最佳负载最佳负载R Roptopt ，则，则A A类功放的类功放的输出功率输出功率P Po o为为 （3.2.13.2.1）第9页/共30页电源供给功率电源供给功率P Pdcdc为为 （3.2.23.2.2）因此，效率为因此，效率为 （3.2.33.2.3）当当I ILmLm=I ICQCQ时，效率时，效率 为最高，为最高，=50=50。A A类射频功率放大器在没有输入信号时，电源供给的类射频功率放大器在没有输入信号时，电源

11、供给的全部功率都消耗在功率管上，即管耗达到最大，这是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。人们所不希望的。第10页/共30页A 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。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。是一个方波。分析表明：分析表明：A A类射频功率放大器电路在输入类射频功率放大器电路在输入/输出均为方波输出均为方波的情况下，理想效率可达到的情况下，理想效率可达到10010

12、0。为实现不失真放大，。为实现不失真放大，通常用通常用LCLC并联谐振回路做集电极负载。并联谐振回路做集电极负载。如果如果LCLC回路调谐在基波选出基波频率分量，则输出功率回路调谐在基波选出基波频率分量，则输出功率P Po o为为 （3.2.43.2.4）式中，式中，I ILmLm为为i iL L中的基波电流振幅；中的基波电流振幅；R Re e为为LCLC回路谐振阻抗。回路谐振阻抗。第11页/共30页基波最大输出功率基波最大输出功率P Pomaxomax为为 P Pomaxomax （3.2.53.2.5）最高效率最高效率 maxmax为为 （3.2.63.2.6）可见，可见，A A类射频功率

13、放大器在方波工作时的最大效率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比正弦工作时的理想效率还高出3131。如果把。如果把LCLC回回路调谐在路调谐在n n次谐波上，就可实现次谐波上，就可实现n n次倍频。但效率将随次倍频。但效率将随次数次数n n很快下降，即很快下降，即 n n=8/=8/n n2 2 2 2。第12页/共30页3.2.3 B类射频功率放大器电路 晶体管晶体管B B类射频功率放大器的典型电路结构、负载线类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图和波形如图3.2.23.2.2所示。所示。电路中，偏置电压电路中，偏置电压V VBB=BB=V Vono

14、n，当正弦波信号输入时，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，集电极电流期则是截止的。显然静态时，集电极电流i iC C为零，集为零，集射极间电压为射极间电压为V VCCCC。由于功率管在半个周期内导通，。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角电流导通角=/2/2，所以输出是一个半波正弦信号，所以输出是一个半波正弦信号，如图如图3.2.23.2.2（b b）所示。）所示。B B类射频功率放大器电路采用双管类射频功率放大器电路采用双管B B类推挽工作，即类推挽工作，即用两只用两只B B类工作的功率

15、管各放大半个正弦波，然后在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（图中仅给出了负载上合成一个完整的正弦波（图中仅给出了VT1VT1的的波形）。波形）。第13页/共30页第14页/共30页第15页/共30页输出功率输出功率P Po o为为 （3.2.73.2.7）电流可用开关函数表示，电流可用开关函数表示，其直流分量为其直流分量为电源供给功率为电源供给功率为 （3.2.83.2.8）效率为效率为 （3.2.93.2.9）第16页/共30页如图如图3.2.23.2.2所示，当正弦信号输入时，功率管在输入波所示，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

16、周期则是截止的。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，集电极电流显然静态时，集电极电流i iC C为零，集射极间电压为为零，集射极间电压为V VCCCC。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角 为为/2/2，所以输出是一个半波正弦信号，如图，所以输出是一个半波正弦信号，如图3.2.23.2.2（b b）所示。所示。B B类射频功率放大器常采用双管类射频功率放大器常采用双管B B类推挽工作，即用类推挽工作，即用两只两只B B类工作的功率管各放大半个正弦波，然后在负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。载上合成

17、一个完整的正弦波。第17页/共30页采用两只互补功率采用两只互补功率MOSFETMOSFET组成的组成的B B类推类推挽射频功率放大器如图挽射频功率放大器如图3.2.33.2.3所示。图中所示。图中VT1VT1为为NDMOSFETNDMOSFET（N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET），），VT2VT2为为PDMOSFETPDMOSFET（P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET），恒流源），恒流源I IQQ和和R Rb b是是VT1VT1和和VT2VT2的偏的偏置电路。在输入信号电置电路。在输入信号电压超过功率管的门限电压超过功率管的门限电压前，压前，MOSFETMO

18、SFET不导通。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第18页/共30页功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（MOSFETMOSFET，Metallic Oxide Metallic Oxide Semiconductor Field EffecttransistorSemiconductor Field Effecttransistor）与功率双极晶）与功率双极晶体管（体管（BJTBJT）相比有很多优点。）相比有很多优点。场效应晶体管的场效应晶体管的I IDD为负温度系数，它随温度升高而减为负温度系数，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

19、工作。小，这使功率管温度上升以后仍能保证安全工作。而双极晶体管的而双极晶体管的I ICC为正温度系数，如果不采用复杂的为正温度系数，如果不采用复杂的保护电路，则温度上升后功率管将烧坏。保护电路，则温度上升后功率管将烧坏。第19页/共30页双极晶体管是少数载流子工作器件，它是靠少数载流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，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。所以，双极晶体管的功耗随工作频率的增加而

20、增加。场效应晶体管是多数载流子工作器件，是靠栅区电场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，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。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以在集成功率放大

21、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用这种互补场效应晶体管B B类推挽功放电路。类推挽功放电路。第20页/共30页3.2.4 C类射频功率放大器电路 晶体管晶体管C C类射频功率放大器的典型电路结构、负载线类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图和波形如图3.2.43.2.4所示。所示。C C类射频功率放大器又称为谐振功率放大器，放大器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电流的导通角 9090，属于非线性功率放大器，只适，属于非线性功率放大器，只适合放大恒定包络的信号。电路中基极偏置合放大恒定包络的信号。电路中基极偏置 ，与输入信号与输入信号V Vi

22、mim决定导通角，决定导通角，导通导通 角，集电极电流角，集电极电流i iCC为脉冲形式（见图为脉冲形式（见图3.2.43.2.4（b b），集），集电极的电极的LCLC输出谐振回路完成选频与阻抗变换功能，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。输出电压为正弦波。第21页/共30页第22页/共30页第23页/共30页图3.2.5 C类射频功率放大器电路集电极电流iC的波形第24页/共30页C C类射频功率放大器电路的功率管的导通时间小于半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，即导通角个周期，即导通角 /2/2。显然，这种工作状态的集。显然，这种工作状态的集电极电流电

23、极电流i iCC的波形为小于半个周期的正弦脉冲，如图的波形为小于半个周期的正弦脉冲，如图3.2.53.2.5所示。对于这一电流脉冲，可以用如下关系表所示。对于这一电流脉冲，可以用如下关系表示示 （3.2.103.2.10）式中：式中：第25页/共30页C C类功放电路的输出功率类功放电路的输出功率P Po o为为 （3.2.113.2.11）式中，式中，I ILmLm为集电极电流为集电极电流i iCC中的基波分量，有中的基波分量，有 （3.2.123.2.12）第26页/共30页电源供给功率电源供给功率P Pdcdc为为 （3.2.133.2.13）C C类功放的效率类功放的效率 为为 （3.

24、2.143.2.14）式（式（3.2.143.2.14）表明，）表明，C C类功放的效率类功放的效率 是导通角是导通角 的函数。的函数。减小导通角减小导通角，效率，效率 增加。相反增大导通角增加。相反增大导通角，效率，效率 将将减小。导通角减小。导通角=90=90，电路工作于，电路工作于B B类放大器状态。类放大器状态。第27页/共30页C C类射频功率放大器的主要设计参数为：输出功率类射频功率放大器的主要设计参数为：输出功率P Po o、电源供给功率、电源供给功率P Pdcdc、功率管的管耗、功率管的管耗P PT T、功率管的最、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。大集射

25、（漏源）极间电压和功率管最大输出电流等。C C类射频功率放大器效率高，主要作为发射机末级功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。率放大器。第28页/共30页由于由于C C类射频功率放大器的电流脉冲中含有很丰富的谐波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分量，因此只要把负载并联LCLC回路调谐在某次谐波上，回路调谐在某次谐波上，C C类射频功率放大器可构成一个倍频功放电路。类射频功率放大器可构成一个倍频功放电路。在在I Icmcm为定值时，各次谐波的振幅为定值时，各次谐波的振幅I Icmcm与导通角与导通角 有关。在设有关。在设计倍频器时，对应倍频次数应选择合适的导通角计倍频器时，对应倍频次数应选择合适的导通角。值得。值得指出的是倍频次数越高，相应的谐波最大幅值越小，而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，因此实践中常限于且效率也越低，因此实践中常限于2 23 3次倍频。次倍频。用音频信号改变用音频信号改变C C类射频功率放大器的集电极馈电方式，类射频功率放大器的集电极馈电方式，C C类射频功率放大器可以实现调幅功能。类射频功率放大器可以实现调幅功能。第29页/共30页