CN200976570Y - 高频功率放大电路 - Google Patents

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本实用新型公开了一种高频功率放大电路，该高频功放电路由调制器和功率放大器组成，调制器包括信号放大电路、加法电路和驱动电路，功率放大器包括第一级放大电路和第二级放大电路，本实用新型特别设计了驱动电路和第二级放大电路，在第二级放大电路中含有高频扼流圈，且高频扼流圈采用了由锰锌或镍锌材料制成的磁环。该功率放大电路不仅可以实现高效率的高频功率放大，而且使得最终输出射频信号的包络上升、下降速度有较大提高。本实用新型可应用于Nd:YAG激光标记机的声光Q开关驱动器及采用幅度调制的通信系统。

Description

高频功率放大电路
技术领域
本实用新型属于功率放大技术领域，特别用于需要高速关启的高频功率放大系统。
背景技术
通常，高频功率放大器的效率随放大器输出功率在线性范围内的增加而增加，在放大器饱和工作的某一点达到效率的最大值。
在调频通信系统中，由于信号的恒包络性质，使得放大器可以一直处于饱和状态，从而可以达到较高的效率，但是在需要线性放大的通信系统中，信号包络已经不再恒定，所以放大器的效率降低了。
在激光标记领域，目前，生产用于Nd:YAG激光标记机的声光Q开关驱动器的著名厂商有美国NEOS和中国的桂林星辰公司，在工作频率为27MHz时，其输出功率有50W、75W、100W三种。其中上升时间和下降时间对应于激光关断时间和激光开启时间是一个很重要的性能指标。NEOS公司的Q开关驱动器给出的性能指标为上升时间小于500ns，下降时间小于100ns；国内桂林星辰公司的Q开关驱动器给出的性能指标为上升时间小于700ns，下降时间小于120ns，可以看出，其下降时间的指标远优于上升时间的指标，上升时间过长意味着标记机关断激光的延时过长，影响打标质量。
现有的声光Q开关驱动器内部有一个高频功率放大电路，该电路的缺点在于：输出射频信号的上升时间太长，远大于下降时间，影响系统的性能。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种高频功率放大电路。该功率放大电路不仅可以实现高效率的高频功率放大，而且使得最终输出射频信号的包络上升、下降速度有较大提升。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种高频功率放大电路由调制器和功率放大器组成，调制器包括信号放大电路、加法电路和驱动电路，功率放大器包括第一级放大电路和第二级放大电路，驱动电路的接法为：射极跟随器的输入端接上述加法电路的输出端，射极跟随器的输出端接光耦U1的电源端，光耦U1的正输入端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端B接外来的选择控制信号，光耦U1的负输入端接地，功率MOS管Q2的栅极接光耦U1的输出端，漏极接+12V电源，源极接光耦U2的地端，光耦U2的正输入端接电阻R9的一端，电阻R9的另一端C接外来的数字调制信号，光耦U2的负输入端接地，电阻R8的一端接+24V电源，另一端通过二极管D1接光耦U2的电源端，在光耦U2的电源端与光耦U2的地端之间并接有稳压二极管D2、电解电容C2和电容C1，两个二极管D3、D4的负向端接光耦U2的地端，两个二极管D3、D4的正向端相接后通过电阻R10接地，功率MOS管Q3的栅极接光耦U2的输出端，漏极接+12V电源，源极接光耦U2的地端，电阻R11的一端接光耦U2的地端，另一端接地，光耦U2的地端为调制器的调制信号输出V1；第二级放大电路的接法为：三极管Q5的基极通过二极管D5接到调制信号输入端E，在晶体管Q5的基极与地之间并接高频扼流圈RFC和电容C4，三极管Q5的集电极依次通过电感L3、电感L6接到调制信号输入端E，三极管Q5的射极接地，在调制信号输入端E与地之间接有电容C9，电容C8的一端接在电感L3和电感L6之间，另一端接地，三极管Q5的集电极依次通过电感L1、电容C11、电容C6接地，电容C11和电容C6的交接点为功率放大器的输出V2；高频扼流圈RFC采用锰锌或镍锌材料制成的磁环。
本实用新型相比现有技术具有如下优点：
(1)由于优化了高频功率放大器和调制器的设计，使得最终输出射频信号的包络上升、下降速度有较大提升，因此本实用新型功率放大电路可实现高速关启。
(2)由于本实用新型调制器中的驱动电路采用低导通电阻的功率MOS管，使得开启状态调制器消耗的功率很小，从而本实用新型具有较高的效率。
(3)本实用新型可以应用于Nd:YAG激光标记机的声光Q开关驱动器，由于本实用新型中的调制器还有提供模拟幅度调制的功能，可由外部输入的模拟量来控制其输出功率，所以它可以兼顾Q开关驱动器所需要的“首脉冲抑制功能”，可以消除激光标记时的“火柴头现象”。另外，它极快的上升、下降时间也可以有效地提高标记机的标记质量。
(4)它可以应用在采用幅度调制的通信系统，尤其应用在幅度键控调制，从调制器的数字调制信号输入端输入幅度键控调制ASK信号，在保持功率放大器输出较大功率的同时，ASK信号的波特率可以高达数百K。
附图说明
图1为采用本实用新型高频功率放大电路的系统框图。
图2为图1中调制器的框图。
图3为图2中一种调制器的电路图。
图4为图1中高频功率放大器的框图。
图5为图4中一种高频功率放大器的电路图。
图6为图5中磁环的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型包括调制器和高频功率放大器。
由图1所示，调制器接收外部输入的数字调制信号或模拟调制信号，将输入的数字调制信号或模拟调制信号放大到一个驱动能力很强的调制信号为高频功率放大器提供所需信号，高频功率放大器将输入的射频信号放大到负载所需的电平。
由图2所示，调制器由信号放大电路1、加法电路2和驱动电路3组成。信号放大电路1、加法电路2采用一般的信号放大电路、加法电路；驱动电路3采用专门设计的驱动电路。
由图3所示，信号放大电路1的一种接法可为：电阻R2的一端A接外部输入的模拟调制信号，电阻R2的另一端接运算放大器A1的正相输入端，电位器R4的一端接运算放大器A1的输出端，另一端接地，电位器R4的中间抽头接运算放大器A1的反相输入端。
加法电路2的一种接法可为：电位器R1的一端接上述运算放大器A1的输出端，另一端接+12V电源，电位器R1的中间抽头接运算放大器A2的正相输入端，运算放大器A2的输出端依次通过电阻R3、电阻R5接地，电阻R3与电阻R5的连接点接运算放大器A2的反相输入端。
运算放大器A1、运算放大器A2可采用双运算放大器NE5532或两个单运算放大器NE5534。
驱动电路3的接法为：射极跟随器6的输入端接上述加法电路2的输出端，射极跟随器6的输出端接光耦U1的电源端，光耦U1的正输入端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端B接外来的选择控制信号，光耦U1的负输入端接地，功率MOS管Q2的栅极接光耦U1的输出端，漏极接大功率+12V电源，源极接光耦U2的地端，光耦U2的正输入端接电阻R9的一端，电阻R9的另一端C接外来的数字调制信号，光耦U2的负输入端接地，电阻R8的一端接+24V电源，另一端通过二极管D1接光耦U2的电源端，在光耦U2的电源端与光耦U2的地端之间并接有稳压二极管D2、电解电容C2和电容C1，两个二极管D3、D4的负向端接光耦U2的地端，两个二极管D3、D4的正向端相接后通过电阻R10接地，功率MOS管Q3的栅极接光耦U2的输出端，漏极接大功率+12V电源，源极接光耦U2的地端，电阻R11的一端接光耦U2的地端，另一端接地，光耦U2的地端为调制器的调制信号输出V1。
由于本实用新型的实例中功率放大器的输出功率为50W，供电电压为+12V，按60％的效率计算，供电电流约为7A，对调制器输出的调制信号的驱动能力要求很高，所以，在本实用新型中采用功率MOS管。功率MOS管Q2和Q3可采用IRF540N或IRF530N；光耦U1和光耦U2的型号可采用TLP250，光耦U1和U2既起到驱动功率MOS管Q2和Q3的作用，又起到隔离作用。
射极跟随器6的一种接法为：三极管Q1的集电极接+24V电源，基极接运算放大器A2的输出端，射极通过电阻R7接-12V电源，且射极接光耦U1的电源端。
三极管Q1可采用NPN三极管2SD669或2SD880。
射极跟随器6还可采用集成的芯片，型号可为LM1875。
从A端输入的模拟调制信号经信号放大电路1、加法电路2放大平移后，再经电压跟随器6输出到光耦U1。当从B端输入到光耦U1的选择控制信号为TTL高电平时，选择模拟调制方式，模拟调制信号由A端输入，当从B端输入到光耦U1的选择控制信号为TTL低电平时，选择数字调制方式，数字调制信号由C端输入。
实现模拟调制的核心器件是功率MOS管Q2，通过控制功率MOS管Q2的栅极电压来控制其源极电压V1。选择模拟调制方式时，功率MOS管Q3为关断状态，而且此时光耦U1的输出是经信号放大电路1、加法电路2放大平移后，再经电压跟随器6的模拟调制信号，这个电压控制功率MOS管Q2的栅极实现模拟调制；选择数字调制方式时，功率MOS管Q2为关断状态。功率MOS管Q3工作在开关状态下，要么导通要么关断。由于输出电压V1又返回到光耦U2的引脚地端，所以，在关断或开启功率MOS管Q3时，光耦U2实际控制的是功率MOS管Q3的栅源电压差，这种方式优于只控制功率MOS管栅极电压的方式，又由于光耦U2的驱动电流高达正负1.5A，所以减小了功率MOS管Q3的导通时间和关断时间，使其尽量接近功率MOS管Q3的器件手册中所给的值。实验证明，其上升、下降时间均控制在60ns左右。
由图4所示，这是图1中功率放大器的框图，功率放大器由第一级放大电路4和第二级放大电路5组成，输入射频信号通过第一级放大电路4放大之后和调制信号一起输入第二级，第二级放大电路5对射频信号的再次放大并调制后输出。
由图5所示，第一级放大电路4的一种接法可为：变压器T的初级a端接D端外部输入的射频信号，在变压器T的次级c端与d端之间接电容C5，变压器T的初级b端与次级d端相连并接地，变压器T的次级c端接三极管Q4的基极，三极管Q4的射极接地，集电极接电感L4的一端，电感L4的另一端通过电容C7接地，且电感L4的另一端通过电感L5接+12V电源，三极管Q4的集电极通过电容C3到地，且三极管Q4的集电极依次通过电容C10、电感L2接第二级放大电路5的输入端。
三极管Q4是一个高频功放管，可采用型号2SC2539或2SC1972的高频功放管；变压器T的的匝数比可根据输入到D端的射频信号的阻抗来改变。
第二级放大电路5的接法为：三极管Q5的基极通过二极管D5接到调制信号输入端E，在晶体管Q5的基极与地之间并接高频扼流圈RFC和电容C4，三极管Q5的集电极依次通过电感L3、电感L6接到调制信号输入端E，三极管Q5的射极接地，在调制信号输入端E与地之间接有电容C9，电容C8的一端接在电感L3和电感L6之间，另一端接地，三极管Q5的集电极依次通过电感L1、电容C11、电容C6接地，电容C11和电容C6的交接点为功率放大器的输出V2。高频扼流圈RFC提供三极管Q5的基极直流偏置。
调制信号输入端E接调制器的调制信号输出端V1，为三极管Q5提供大功率调制信号。
三极管Q5是一个比三极管Q4功率更大的高频功放管，可采用型号2SC2694或2SC2630。
二极管D5用于提高射频信号关断和开启的速度，即减小上升下降时间，经实验证明，没有二极管D5时，下降时间约为300ns，加入二极管D5后下降时间减小到120ns，原因是：调制信号输入端E在下降瞬间会有一个很强的向下的过冲，利用这个过冲和二极管D5的单向导通性可以在这一瞬间将三极管Q5的基极拉到一个较低的电平，从而加速了三极管Q5的截止，加速了输出信号的下降过程。
实验过程中，发现高频扼流圈RFC对射频包络的上升时间也有较大的影响。
高频扼流圈RFC提高输出信号的上升速度的原因分析如下：
通过计算机仿真和实际测量发现：正常工作时，三极管Q4基极的高频扼流圈RFC上的电流约有1A多，当调制信号输入端E为低信号即无射频输出时，由于二极管D5的存在使得RFC上的电流变得更大，在2A左右。在E端调制信号上升的瞬间，二极管D5断开，流经二极管D5的电流随之减小，由于高频扼流圈RFC有一定的恒流作用，使三极管Q5的基极电流增大，基极电压在短时间内有一个提升。与此同时，三极管Q5的集电极上的电感L3、L6的存在使得三极管Q5集电极的电流有一个缓慢上升的过程，在这段时间内三极管Q5的集电极电压很低，三极管Q5处于饱和状态，不会有射频输出。但是一旦过了这一段时间，脱离饱和状态的时候，由于三极管Q5集电极已经有一个很大的电流，相当于是给后面电感L1、电容C11、电容C6组成的LC谐振电路一个很强的激励，此时射频信号的上升将会很快。
我们试验过各种材料做成的高频扼流圈，包括普通电感、小磁珠、绕制的磁环等。对比不同材料及参数制成的高频扼流圈RFC，在高频扼流圈RFC采用由锰锌或镍锌材料制成的由图6所示的磁环时，输出射频信号包络上升过程中缓慢上升的那段时间被截掉，取而代之的是包络的急剧上升。当高频扼流圈RFC采用NXO-200或NXO-100漆包线，漆包线直径为0.3～1.5mm，磁环上所绕匝数3～7圈，磁环的厚度d3为3～6mm，外径d1为12～20mm，内径d2为5～10mm时，其效果更佳。

Claims (4)

1.一种高频功率放大电路，其特征在于：由调制器和功率放大器组成，调制器包括信号放大电路(1)、加法电路(2)和驱动电路(3)，功率放大器包括第一级放大电路(4)和第二级放大电路(5)，
驱动电路(3)的接法为：射极跟随器(6)的输入端接上述加法电路(2)的输出端，射极跟随器(6)的输出端接光耦U1的电源端，光耦U1的正输入端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端B接外来的选择控制信号，光耦U1的负输入端接地，功率MOS管Q2的栅极接光耦U1的输出端，漏极接+12V电源，源极接光耦U2的地端，光耦U2的正输入端接电阻R9的一端，电阻R9的另一端C接外来的数字调制信号，光耦U2的负输入端接地，电阻R8的一端接+24V电源，另一端通过二极管D1接光耦U2的电源端，在光耦U2的电源端与光耦U2的地端之间并接有稳压二极管D2、电解电容C2和电容C1，两个二极管D3、D4的负向端接光耦U2的地端，两个二极管D3、D4的正向端相接后通过电阻R10接地，功率MOS管Q3的栅极接光耦U2的输出端，漏极接+12V电源，源极接光耦U2的地端，电阻R11的一端接光耦U2的地端，另一端接地，光耦U2的地端为调制器的调制信号输出V1；
第二级放大电路(5)的接法为：三极管Q5的基极通过二极管D5接到调制信号输入端E，在晶体管Q5的基极与地之间并接高频扼流圈RFC和电容C4，三极管Q5的集电极依次通过电感L3、电感L6接到调制信号输入端E，三极管Q5的射极接地，在调制信号输入端E与地之间接有电容C9，电容C8的一端接在电感L3和电感L6之间，另一端接地，三极管Q5的集电极依次通过电感L1、电容C11、电容C6接地，电容C11和电容C6的交接点为功率放大器的输出V2；
高频扼流圈RFC采用锰锌或镍锌材料制成的磁环。
2.根据权利要求1所述的高频功率放大电路，其特征在于：磁环上所绕匝数3～7圈，磁环的厚度d3为3～6mm，外径d1为12～20mm，内径d2为5～10mm。
3.根据权利要求1或2所述的高频功率放大电路，其特征在于：射极跟随器(6)的接法为：三极管Q1的集电极接+24V电源，基极接运算放大器A2的输出端，射极通过电阻R7接-12V电源，三极管Q1的射极接光耦U1的电源端。
4.根据权利要求1或2所述的高频功率放大电路，其特征在于：射极跟随器(6)为集成的芯片。
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