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文檔簡介
1、8.1 前 言 隨著放大器件的資用增益提高,不同功能的電路更加緊密地集成在一起,形成了典型的集成電路設計。 在微波低頻段電路的設計中,將越來越多地使用有源匹配和直流耦合技術,因為采用這些技術能實現(xiàn)高封裝密度。 功率放大器設計技術中低噪聲系數(shù)、高輸出功率和低直流功耗是最關心的性能。 在毫米波頻段晶體管增益受到限制,短截線匹配和阻抗變換器等傳統(tǒng)的匹配技術仍將繼續(xù)發(fā)展。 本章描述了用于設計射頻功率放大器的最重要的技術,簡要地回顧了S參數(shù)、雙端口穩(wěn)定性、單向轉換增益的理論及分析方法。在介紹各種各樣的射頻功率放大器拓撲結構之前,首先介紹了功率放大器的分類設計。 8.2 功率放大器的分類 功率放大器的最重
2、要的指標是輸出功率與效率。由此出發(fā),可將功率放大器分為A類、B類、C類、D類、E類和F類放大器。 如果按照信號一周期內(nèi)晶體管的導通情況分,即按晶體管的導通角大小,功率放大器可分為A類、B類、C類放大器。 在信號的一周期內(nèi)管子均導通,導通角(在信號周期一周內(nèi),導通角度的一半定義為導通角),稱為A類放大器; 一周期內(nèi)只有一半導通的稱為B類,即; 導通時間小于一半周期的稱為C類,此時。 如果按照晶體管的等效電路分類,則A、B、C三類放大器是屬于同一類,它們的特點是:輸入均為正弦波,晶體管都等效為一個受控電流源。而D、E、F三類屬于另一類功率放大器,它們的特點是:輸入是矩形波,晶體管被等效為受輸入信號
3、控制的開關,它們的導通角都近似為,都是屬于高效率的非線性功率放大器。8.3 功率放大器的分析8.3.1 功率放大器的特點及主要研究對象(1)對電壓放大電路的主要要求是使負載得到不失真的電壓信號,討論的主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗等,輸出的功率并不一定大。(2)功率放大電路則不同,它主要要求獲得一定量的不失真(或失真較?。┑妮敵龉β?,通常是在大信號狀態(tài)下工作。 1輸出功率盡可能大 為了獲得大的輸出功率,要求功放管的電壓與電流都有足夠大的輸出幅度,因此,往往要求其在接近極限運用狀態(tài)下工作。 2高效率 由于輸出功率大,因此直流電源消耗的功率也大,這就存在一個效率問題。所謂效率就是負載得到的有用
4、信號功率與電源供給的直流功率之比。這個比值越大,意味著效率越高。 3非線性失真要小 功率放大電路是在大信號條件下工作,所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真,而且同一功放管輸出功率越大,非線性失真往往越嚴重。 4雙極型晶體管的散熱問題 在功率放大電路中,有相當大的功率消耗在管子的集電極上,使結間溫度和管殼溫度都升高。8.3.2 提高功率放大器效率的主要途徑 在甲類放大電路中,電源始終不斷地輸送功率: 在沒有輸入信號時,這些功率全部消耗在晶體管和電阻上,并以熱量的形式耗散出去。 當有信號輸入時,其中一部分轉化為有用的輸出功率,信號越大,輸送給負載的功率越多。 甲類放大電路的效率最高只能達到50%。 甲乙
5、類放大和乙類放大,雖然減小了靜態(tài)功耗,提高了效率,但都出現(xiàn)了嚴重的波形失真。 因此,既要保持靜態(tài)時管耗小,又要使失真不太嚴重,這就需要在電路結構上采取措施,加以改進,以便達到預期的效果及功效。8.4 功 率 器 件8.4.1 雙極型晶體管 通常雙極型晶體管有一個大面積的集電結,為了使散熱達到理想情況,雙極型晶體管的集電極襯底應與其金屬外殼保持良好的接觸。 1表征散熱能力的重要參數(shù)熱阻 熱的傳導路徑,稱為熱路。 阻礙熱傳導的阻力稱為熱阻。 真空不易傳熱,即熱阻大;金屬的傳熱性好,即熱阻小。2功率雙極型晶體管的散熱等效熱路 在雙極型晶體管中,集電極損耗的功率是產(chǎn)生熱量的源泉。 8.4.3 微波晶體
6、管功率放大器的結構寬帶功率放大器的電路結構,即:(1)反射無耗匹配網(wǎng)絡的單端或平衡帶通型功率放大器;(2)有耗匹配網(wǎng)絡的功率放大器;(3)電阻反饋式功率放大器;(4)分布式或行波型功率放大器。8.4.4 功率模塊 功率模塊是指由若干雙極型晶體管、場效應晶體管或BiFET組合而成的功率部件。其包括:(1)雙極型晶體管達林頓模塊;(2)功率場效應晶體管模塊;(3)絕緣柵雙極型晶體管模塊等。 它的突出特點是:(1)電流大;(2)功耗低;(3)電壓和電流范圍寬,電壓高達1200 V,電流高達400 A。 其具有許多優(yōu)點:(1)電極與散熱片相隔離;(2)型號不同;(3)電路多樣化;(4)便于應用。 8.
7、4.5 器件不應進入二次擊穿區(qū)工作 在實際工作中,常發(fā)現(xiàn)功率雙極型晶體管的功耗并未超過允許的值,管身也并不燙,但功率雙極型晶體管卻突然失效或者性能顯著下降。這種損毀是由二次擊穿造成的。 1二次擊穿現(xiàn)象首先出現(xiàn)一次擊穿現(xiàn)象(雪崩擊穿),其具有可逆性。一次擊穿出現(xiàn)后,如果繼續(xù)增大到某數(shù)值,則出現(xiàn)二次擊穿。 2產(chǎn)生二次擊穿的原理 它的物理過程是由于流過雙極型晶體管的電流不均勻,造成結面局部高溫(稱為熱斑),因而產(chǎn)生熱擊穿所致。這與雙極型晶體管的制造工藝有關。3功率雙極型晶體管的安全工作區(qū) 功率管的安全工作區(qū),不僅受集電極允許的最大電流、集電極允許的最大電壓和集電極允許的最大功耗限制,而且還受二次擊穿
8、臨界曲線限制。 考慮了二次擊穿以后,功率雙極型晶體管的安全工作范圍變小了。 8.5 功率放大器的性能分析 功率放大器預定的技術指標是:中心頻率;帶寬;功率增益;增益波紋;輸入與輸出電壓駐波比;相位和延時;噪聲系數(shù)。 將一個放大器看成一個二端口網(wǎng)絡N,該二端口網(wǎng)絡的功率增益通常有四種不同的定義,即: 工作功率增益;轉移功率增益;資用功率增益;插入功率增益。1工作功率增益Gp 工作功率增益Gp的定義是,網(wǎng)絡N輸出功率 與輸入功率 之比,即:2轉移功率增益Gt 二端口網(wǎng)絡的轉移功率增益Gt,定義為網(wǎng)絡輸出功率 與信號源輸入的資用功率 之比,即:outPinP*out2 2Lp*in1 1inRe()
9、Re()PI I ZGPI I ZoutPaP221outt212a1bPGSPa 3資用功率增益Ga 二端口網(wǎng)絡的資用功率增益Ga,定義為網(wǎng)絡輸出資用功率 與信號源輸出的資用功率 之比,則表示為:outa()PaPoutaaa()PGP8.6 穩(wěn)定性研究與增益分析 功率放大器用于發(fā)射機的末端,它將已調制的頻帶信號放大到所需要的功率值,送到天線中發(fā)射,保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可接收到滿意的信號電平,并且不干擾相鄰信道的通信。 基于這一應用給功率放大器提出了必不可少的要求,其中,最為重要的有兩個量:(1)穩(wěn)定性;(2)增益。8.6.1 理論分析 值得強調的是:在多級放大器中,一個晶體管可能提供一
10、個負電阻給另一個晶體管,由此可能產(chǎn)生振蕩。因此穩(wěn)定性問題在多級放大中變得更加嚴重。 穩(wěn)定因子K給出了穩(wěn)定性的直接指示,并由下式得到:222112212 2112SSKS S 如果K1,則晶體管是無條件穩(wěn)定的,此時,設計者能夠同時共軛匹配其輸入和輸出端口,以便獲得最高的增益與最佳的輸入和輸出端口匹配特性。 如果K1,則晶體管的穩(wěn)定性取決于源和負載阻抗相對于穩(wěn)定圓的位置,為了阻止晶體管產(chǎn)生振蕩,在其輸入和輸出端不能進行共軛匹配。通過在輸入和輸出端故意失配,使所提供的輸入和輸出端匹配網(wǎng)絡的反射系數(shù)偏離不穩(wěn)定區(qū)域一定的距離,也能夠設計出一個可工作的放大器。 8.6.2 放大器穩(wěn)定性判定 匹配網(wǎng)絡的作用
11、是,保證放大器在所要求的工作頻率范圍內(nèi),能達到希望的性能(如最小噪聲系數(shù)、最大增益或者最大輸出功率),設計匹配網(wǎng)絡是設計放大器的主要任務。 為便于分析小信號放大器的穩(wěn)定性與增益,晶體管可用S參數(shù)表示 。負載穩(wěn)定圓 圓的中心位置由下式給出: 圓的半徑為: 式中L*2211C2222SSS1221L2222S SrS11221221S SS S8.6.3 等增益圓 晶體管的轉換功率增益定義為傳輸?shù)截撦d的功率與來自源的資用功率之比,并由下式給出: 單向轉換增益的表達式: T22221SL211S22SL(1)(1)1LSGSS 22221SLTU211S22L(1)(1)(1)(1)SGSS 單向轉換增益的表達式可分解為三個因子的乘積:TUS0LGG G G2S
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