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  • 發布時間:2020-10-12 14:04 原文鏈接: 射頻功率放大器基本概念、分類及電路組成(一)

    基本概念

     

    射頻功率放大器(RF PA)是發射系統中的主要部分,其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中,調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小,需要經過一系列的放大(緩沖級、中間放大級、末級功率放大級)獲得足夠的射頻功率以后,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。在調制器產生射頻信號后,射頻已調信號就由 RF PA 將它放大到足夠功率,經匹配網絡,再由天線發射出去。 

     

    放大器的功能,即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容,我們稱之為“信號”,往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統”來說,它的“貢獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平,并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能,那么它就可以貢獻更多,這才體現出它自身的“價值”。如果放大器存在著一定的問題,那么在開始工作或者工作了一段時間之后,不但不能再提供任何“貢獻”,反而有可能出現一些不期然的“震蕩”,這種“震蕩”對于外界還是放大器自身,都是災難性的。 

     

    射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率,如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中,可以用 LC 諧振回路選出基頻或某次諧波,實現不失真放大。除此之外,輸出中的諧波分量還應該盡可能地小,以避免對其他頻道產生干擾。 

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    分類

     

    根據工作狀態的不同,功率放大器分類如下:

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    傳統線性功率放大器的工作頻率很高,但相對頻帶較窄,射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同,分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為 360°,適用于小信號低功率放大,乙類放大器電流的導通角等于 180°,丙類放大器電流的導通角則小于 180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態,丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類,但丙類放大器的電流波形失真太大,只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然接近于正弦波形,失真很小。 

     

    開關型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使電子器件工作于開關狀態,常見的有丁(D)類放大器和戊(E)類放大器,丁類放大器的效率高于丙類放大器。SMPA 將有源晶體管驅動為開關模式,晶體管的工作狀態要么是開,要么是關,其電壓和電流的時域波形不存在交疊現象,所以是直流功耗為零,理想的效率能達到 100%。 

     

    傳統線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低,而開關型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率,但線性度差。具體見下表: 

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    電路組成

     

    放大器有不同類型,簡化之,放大器的電路可以由以下幾個部分組成:晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路。 

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    1-1、晶體管

     

    晶體管有很多種,包括當前還有多種結構的晶體管被發明出來。本質上,晶體管的工作都是表現為一個受控的電流源或電壓源,其工作機制是將不含內容的直流的能量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得,晶體管加以消耗,并轉化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有區別,這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致;比如其反應速度不同,這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;比如其面向輸入、輸出端的阻抗不同,及對外的反應能力不同,這決定了給它匹配的難易程度。 

     

    1-2、偏置電路及穩定電路

     

    偏置和穩定電路是兩種不同的電路,但因為他們往往很難區分,且設計目標趨同,所以可以放在一起討論。 

     

    晶體管的工作需要在一定的偏置條件下,我們稱之為靜態工作點。這是晶體管立足的根本,是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位,其定位不同將決定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在著不同的性能表現。有些定位點上起伏較小,適合于小信號工作;有些定位點上起伏較大,適合于大功率輸出;有些定位點上索取較少,釋放純粹,適合于低噪聲工作;有些定位點,晶體管總是在飽和和截至之間徘徊,處于開關狀態。一個恰當的偏置點,是正常工作的礎。在設計寬帶功率放大器時,或工作頻率較高時,偏置電路對電路性能影響較大,此時應把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。 

     

    偏置網絡有兩大類型,無源網絡和有源網絡。無源網絡(即自偏置網絡)通常由電阻網絡組成,為晶體管提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對晶體管的參數變化十分敏感,并且溫度穩定性較差。有源偏置網絡能改善靜態工作點的穩定性,還能提高良好的溫度穩定性,但它也存在一些問題,如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。 

     

    穩定電路一定要在匹配電路之前,因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在,再與外界接觸。在外界看來,加上穩定電路的晶體管,是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”,獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。


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