高频功率放大器的电路组成

馈电电路

对于高频功率放大器,我们要求:

  1. 直流电源 $V_{CC}$ 的等效电路应该减小电阻损耗,其等效电路如图(a)
  2. 高频基波分量 $I_{cm1}$ 应该通过负载回路输出功率,其等效电路如图(b)
  3. 高频谐波分量应该不消耗功率,且不输出,其等效电路如图(c)

我们将电源端向负载设备供电的输电线路称为馈电线路。为了满足以上原则,可以采用 串联馈电(series feed)与 并联馈电(parallel feed)。下面是集电极与基集的馈电线路。

集电极 串馈/并馈

串馈中,晶体管、负载回路和直流电源三者串联,并馈中则是串联。无论串并,其中的电路元件的作用都相同:$L’$ 是高频扼流圈,在直流时可看作短路,交流时看作开路;$C’$ 是高频旁路电容,$C’’$ 是隔直电容,在高频时都可看作短路。

另外,$V_{CC}$ 必须有一端接地,如果与扼流圈 $L’$ 互换,则电源与地之间的杂散电容会与负载回路并联,成为回路电容的一部分,导致最高频受限 and 电路不稳定。

注意一点,无论串/并馈,直流电压与交流电压都是串联的,即 $v_c=V_{CC}-V_{cm}\cos\omega t$。比如在并馈电路中,$C’’$ 承载全部直流电压,$L’$ 承载全部交流电压。

基极 串馈/并馈

基集电路同样有串馈与并馈,并且 $C’,L’$ 的功能与上面是一样的。一般工作频率较低时采用(a),较高频率时采用(b)。

$V_{BB}$ 用电池供给并不方便,常采用下面三种方法来获得偏置电压 $V_{BB}$:

  1. 利用基极电流的直流分量在 $R_0$ 上产生偏置电压 $V_{BB}$
  2. 利用基极电流的直流分量在 $r_{bb’}$ 上产生 $V_{BB}$
  3. 利用发射极电流的直流分量在 $R_e$ 上产生 $V_{BB}$

输出、输入与极间耦合回路

输出匹配网络

在放大器与负载之间增加一个四端口网络,使得:

  1. 负载阻抗与放大器的最佳阻抗相匹配,保证功率最大
  2. 抑制工作频率以外的频率,即滤波
  3. 有效地传输功率到负载,并且使电子器件彼此隔离,互不影响

最常见的输出回路为下图所示的 复合输出回路。这种电路通过互感耦合,中间的 $L_1C_1$ 称为中介回路(intermediate circuit)。后面的 $C_n,L_n,C_A,R_A$ 是天线(负载)的等效模型,通过调整 $C_n$ 使得电路处于串联谐振状态。

除此之外,还存在其他输出回路,而这些回路一般都可以等效为下图的并联谐振回路。

比如复合输出回路,其等效到并联谐振回路的参数为:

我们调整 $C_1$ 就能使 $R_p’$ 与放大器阻抗相匹配。为了使输出功率大部分送到负载 $R_A$ 上,我们希望 $r’ \gg r_1$。

一般用 中介回路效率 $\eta_k$ 来衡量输出回路传输功率的优劣,定义为:

下面那条式子如果不明白,可以看回并联谐振回路那一节。这个结论不仅仅用于 复合输出回路,也能用于其他形式的输出回路,只要等效为并联谐振回路即可。

输入匹配回路与级间耦合回路

输出匹配回路用于末级与负载之间。末级之前,级间的级间耦合回路可以看作是下一级的输入匹配回路,所以级间与输入匹配回路是一回事。

输出匹配回路要求效率高,但输入匹配回路却要求效率低。因为我们希望下一级对本级的影响尽可能小,所以下一级的损耗应该对输入匹配回路来说不重要;同时中间级一般工作在过压区,确保使得本级的输出电压稳定。