通信电子电路_第三章_第5～8节

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1、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 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

2、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

3、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 ） 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

4、高时，系数应取下限，即510为宜， 当工作频率较低时系数应取上限或更大一 些如20100。 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 射极电流自给偏压环节 1）电路 2）工作原理 射

5、极电流的直流成分Ie0 通过偏置电阻Re 形成Ie0 Re ，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。 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 ） 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I

6、b0 Rb， 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，Cb Rb的 时 间常数应满足 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 。 （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

7、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

8、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。 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 （3-45） 在实际电路中，如何达到集电极等效负载 （3-46） （3-47） 式中，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、型三种类型。 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

9、工作情况确定。 图3-19 T 型电路及其变换 下面以T 型匹配网络为例进行讲解。 、 、 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 （3-65） 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

10、，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

11、。 （二）结论 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。 由于ic 脉冲展宽，导致了Ic1m/Ic0比值的下降 ， 集电极效率降低。 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。 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。 基极电流的直流分量减小，甚至可能出现反 向电流。 3.7 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

12、 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5 MHz。 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 丙类倍频器 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

13、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。 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

14、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 （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

15、 与倍频次数的关系为 （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45 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 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

16、 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335 MHz512 MHz（其中M57704H 为450 MHz470 MHz），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=0.2 W， ZL=50时， 输出功率Po=13 W，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 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。 现已有MHW914模块，它由五级放大器组成 ，其外形图和框图如图3-29所