3.2 丙类谐振功率放大电路
3.3 宽带高频功率放大电路与功率合成电路
3.4 集成高频功率放大电路及应用简介
3.5 章末小结
第3章 高频功率放大电路
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第3章 功率放大电路
3.1概述
与低频功率放大电路一样, 输出功率,效率和非线性失真同样是高频功率放大电路的三个最主要的技术指标.不言而喻, 安全工作仍然是首先必须考虑的问题.在通信系统中, 高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分, 用于对高频已调波信号进行功率放大, 然后经天线将其辐射到空间, 所以要求输出功率很大.输出功率大, 从节省能量的角度考虑, 效率更加显得重要.因此, 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态, 即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态. 同时, 为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量, 采用LC谐振回路作为选频网络, 故称为丙类谐振功率放大电路.
显然,谐振功放属于窄带功放电路.对于工作频带要求较宽, 或要求经常迅速更换选频网络中心频率的情况, 可采用宽带功率放大电路.宽带功放工作在甲类状态, 利用传输线变压器等作为匹配网络, 并且可以采用功率合成技术来增大输出功率.
本章着重讨论丙类谐振功放的工作原理,动态特性和电路组成, 对于甲类和乙类谐振功放的性能指标也作了适当介绍, 接着再讨论高频宽带功率放大电路, 最后给出了集成高频功率放大电路的一些实例.
3.2丙类谐振功率放大电路
3.2.1 工作原理
图3.2.1是谐振功率放大电路原理图.
假定输入信号是单频正弦波, 输出回路调谐在输入信号的相同频率上. 根据基尔霍夫电压定律, 可得到以下表达式:
uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcosωt (3.2.1)
uCE=VCC+uc=VCC-Ic1mR∑cosωt=VCC-Ucmcosωt (3.2.2)
其中ub和uc分别是输入信号和输出信号,R∑是回路等效总电阻, IC0和Ic1m分别是集电极电流iC中的直流分量和基波振幅. 由此可以得到集电极电源提供的直流功率PD, 谐振功放输出交流功率Po,集电极效率η和集电极功耗PC:
PD=VCCIC0 (3.2.3)
Po= Ic1mUcm=
η=
PC=PD-Po
从公式(3.2.1)～(3.2.5)可知, 如果要增大输出功率, 在回路等效总电阻不变的情况下, 需增大Ic1m, 当器件确定时, 就是要增大输入信号振幅Ubm;如果要提高效率, 需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗, 通过降低静态工作点可以实现).所以, 增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径.
图3.2.2是三种不同静态工作点情况时晶体管转移特性分析.其中QA,QB和QC分别是甲类,乙类和丙类工作时的静态工作点.
在甲类工作状态时, 为保证不失真, 必须满足Ic1m≤IC0, 又Ucm≤VCC(忽略晶体管饱和压降), 所以由公式(3.2.5)可知, 最高效率为50%.
在乙类工作状态时, 集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲, 可以用傅氏级数展开为:
iC=IC0+Ic1mcos 2ω0t+Ic2mcos2ω0t+…
=
其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度, 即集电极电流最大值.
由此 可求得在Ucm=VCC时的最高效率
η=
在图3.2.2中, 随着基极偏置电压VBB逐渐左移, 静态工作点逐渐降低, 晶体管的工作状态由甲类,乙类而进入丙类.由刚才的分析可知, 乙类的效率确实高于甲类.
功率放大电路是大信号工作, 而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性, 这样将使分析比较复杂.为简化分析, 可以将晶体管特性曲线理想化, 即用一条或几条直线组成折线来代替, 称为折线近似分析法.
图3.2.3是将晶体管转移特性折线化, 由此来分析丙类工作状态的有关参数.
图 3.2.3 丙类状态转移特性分析
由图3.2.3可以得到集电极电流iC的分段表达式:
iC=g(uBE-Uon) uBE≥Uon
0 uBE