 输入回路阻抗变换电路的设计
图37所示的为输入电路的设计。图(a)的输入电路可以将阻抗做50Ω---12.5Ω之变换。频带为1MHz~50MHz之宽带，因此，使用变压器做为阻抗变换。
图(b)是俗称为传输线变压器的宽带变压器，由於端子a---c间与b---c间的圈数比为2比1，因此，其阻抗此为4：1。如此，假设端子a—c间为连接50Ω阻抗的信号源，端子b—c间为连接12.5Ω时，便可以取得匹配。
实际上，端子b—c间所连接的为功率晶体管的基极与射极。因此，随着所使用的晶体管不同，传送线路型变压器的圈数此也需要改变。例如成为4比1，9比1……等。
图(c)所示的为利用Amjdon公司所生产的环式磁芯(ToroidalCore)FT 37#43，使用直径0.3mm的漆包线以双绕式(Bifilar winding)绕法，在磁芯上卷绕5圈的情形。图(c)的．记号为表示绕线的端子，共有a，b，c 3个端子。 |
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| 图37 宽带功率放大器的输入电路的设计 |
增益值10dB，1W晶体管放大电路的设计
接着，根据要求，选择能够满足功率增益10dB，输出1W，频率领域1M~50MHz条件的晶体管。在此，使用2SCl970(三菱电机)，图38所示的为2SC 1970的规格。
此一2SCl 970为VHF频带低电压功率放大用，功率增益的最小值为9.2dB。看起来好像没法满足设计规格。
可是，此一9.2dB数值为频率在175MHz的数据，在比此低的频率时，可以得到更高的功率放大。因此，在1M~50MHz的功率增益为10dB以上。 |
概要：2SC1970属NPN epitaxial planar型晶体管，适合于低电压场合VHF频带移动无线设备驱动级、前置驱动级功率放大用。
特点高增益：GP≧9.2dB(f=175MHz,Vcc=13.5V,Pin=0.12W)
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| 2SC1970最大极限参数（Ta=25℃） |
| 参数 |
名称 |
额定值 |
单位 |
| VCBO |
集-基极间反向电压 |
40 |
V |
| VEBO |
射-基极间反向电压 |
4 |
V |
| VCEO |
集-射极间电压 |
17 |
V |
| Ic |
集极电流 |
0.6 |
A |
| Pc |
集极功耗 |
Ta=25℃ |
1 |
W |
| Pc |
Tc=25℃ |
5 |
W |
| Tj |
结温 |
150 |
℃ |
| Tstg |
储藏温度 |
-55~+150 |
℃ |
| Rth-a |
热阻（结-环境间） |
125 |
℃/W |
| Rth-c |
热阻（结-外壳间） |
25 |
℃/W | |
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| 2SC1970一般电气指标参数（Ta=25℃） |
| 参数 |
名称 |
测试条件 |
参数值 |
单位 |
| 最小 |
标准 |
最大 |
| VCBO |
射-基极击穿电压 |
IE=1mA,Ic=0 |
4 |
|
|
V |
| VEBO |
集-基极击穿电压 |
Ic=5mA,IE=0 |
40 |
|
|
V |
| VCEO |
集-射极击穿电压 |
Ic=50mA,RBE=∞ |
17 |
|
|
V |
| ICBO |
集电结漏电流 |
VCB=25V,IE=0 |
|
|
100 |
µA |
| IEBO |
发射结漏电流 |
VEB=3V,Ic=0 |
|
|
100 |
µA |
| hFE |
直流放大系数 |
VCE=10V,Ic=0.1A脉冲测试 |
10 |
50 |
180 |
- |
| Po |
输出功率 |
Vcc=13.5V,f=175MHz,Pin=0.12W |
1 |
1.3 |
|
W |
| ηc |
集电极效率 |
Vcc=13.5V,f=175MHz,Pin=0.12W |
50 |
60 |
|
% | | |
▲基极偏压电流及温度补偿
此所设计的电路如图39所示，成为AB类，在没有信号时，也让基极流通少许电流，使集极也有电流流通。此时，集极电流为基极电流的hFE倍。
在图39中，为使用3端集成稳压器所构成的5V稳压电源，供给基极流通回路。此一基极流值电大小可以通过半固定电阻VR 1kΩ调整，使集极电流静态时流通约50mA。 |
| 图39 输出级流通偏压电流成为AB类(利用78L05使晶体管的偏压电源稳定化，也即是，电源电压有变化，对於偏压电流的影响也会减少) |
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晶体管的基极与射极间是一PN结，当温度变化时，顺向压降VBE将以-2.0~2.5mv/℃变化。也即是，随着温度上升，基极---射极间的电位差会减小，基极电流会增加。
为了解决此一问题，可以如图40所示，在基极---射极间再并联一个二极管，贴紧晶体管安装，如此可以构成热结合。
也即是，基极电流随温度上升而增加时，会使集极电流成比例增加，如此，集极功耗也会增加，导致温度进一步上升，继而使基极电流再增加最终晶体管烧毁。
如此，温度上升—电流增加)温度上升—)……的循环不断增加，最後会破坏晶体管，称之为热崩溃现象(Thermal Runaway)。
在晶体管的基极一射极间密着连接二极管，做为热结合。当温度上升时，晶体管的VBE虽然会减小，但是二极体的顺向电压也会减小，以使偏压电流稳定，防止发生热崩溃现象。 |
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图40 使用二极管做为功率晶体管的温度补偿
(温度变化可以由二极管的特性检出，使晶体管的偏压电流不会变化) |
▲基极电阻Rs的功用
输出为1W的晶体管的输入阻抗为10Ω左右，又输入阻抗值并非为一定，且会随着频率与输入信号的振幅而变化。
因此，如图41所示，在基极串接电阻Rs，使从输入的信号源所望进去的阻抗变化减小。
而且，如此也可以提高功率放大器的线性，防止在高频时可能发生的异常振荡。
可是，加入此一电阻RB，也会产生功率损耗，使放大器的增益下降。但是，由於使用VHF频带用的晶体管，可以得到此10dB大很多的功率增益，因此，仍然可以达到所要求的设计规格。 |
| 图41 晶体管的基极电阻RB的功用(由於晶体管的输入阻抗会随着基极电流而变化，加入RB做为定电流电阻而，因此，可以使变动减小) |
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▲集极功耗与周围温度
接着，从输出功率PO=1W时的集极功耗求温度上升的情形。
图42所示的为频率为175MHz时的2SCl970的功耗特性数据。此一数据在1M~50MHz时，可以直接适用。一般而言，频率愈低效率愈高。因此，实际情形此计算值要好。
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图42 2SC1970的集电极功耗与周围温度
(功率放大器的问题在于集电极功耗会产生热，加装散热片是防止温度上升最常用的方法) |
▲求负载阻抗与最大集极电流
晶体管的负载阻抗值可以由输出功率与电源电压求得。首先假设为B类，由图43可以求出负载阻抗值。
输出功率Po=1W，电源电压Vcc=12V，可以求得负载阻抗RL值。 |
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图43 求出输出晶体管的集极电流的峰值
(由於晶体管只工作不到半个周期，有必要求出最大集极电流的峰值，在此场合的峰值应在晶体管的额定值以内) |
实际上，由於为AB类，偏压电流流通後述之0.05A时，Ic成为0.25A。2SCl970的最大集极电流规格如图38所示为0.6A，因此在额定范围内。 |
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输出回路阻抗变换电路的设计
输出电路也是为了使放大电路与负载RL能够与同轴电缆及天线等取得阻抗匹配而设的一种阻抗变换电路。碰巧的是，在此一输出功率1W的电路中，正好RL=50Ω，因此，并不需要做阻抗变换。
所以，T2直接使用了RFC(高频扼流圈)，使其在1MHz~50MHz时的阻抗值比50Ω大。
在图44所示的输出电路中，T2的阻抗最少也要为RL值的2倍，也即是为100Ω，使用环式铁芯FT50-#61。 |
图44 宽带功率放大电路的输出级的设计
(由於晶体管的输出阻抗在输出1W时正好为50Ω，因此，不需要做阻抗变换) |
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假设在频率为1MHz时的阻抗为100Ω，T2的电感量为
此可以由图45所示的铁芯数据求出圈数N=15。
又，在图44的电路图上的电容器为并联连接，此主要是为了增加电容器的电流容量，并且降低阻抗之用。 |
| 每1,000圈的电感量(mH)与圈数之计算式 |
| 品名材料 |
#63 |
#61 |
#43 |
#77 |
#75 |
| FT-23 |
7.9 |
24.8 |
188.0 |
396.0 |
990.0 |
| FT-37 |
17.7 |
55.3 |
420.0 |
884.0 |
2210.0 |
| FT-50 |
22.0 |
68.0 |
523.0 |
1100.0 |
2750.0 |
| FT-82 |
22.4 |
79.3 |
557.0 |
1268.0 |
2930.0 |
| FT-114 |
25.4 |
101.0 |
603.0 |
1610.0 |
3170.0 |
| FB-801 |
- |
- |
1565.0 |
- |
- |
| FB-101 |
- |
- |
609.0 |
- |
- | |
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| 图45 输出变压器了T2的圈数求法 |
PCB墨稿
高频放大器设计与制作
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