数字电视发射及中功率放大器的设计

      数字电视地面广播技术采用数字压缩技术，在同样清晰度和音质情况下，用户可以接收的节目数量提高４～６倍。

     同一信道中，可同时传输附加数据和其他信息，且抗干扰能力强，覆盖区域内近场和远场的接收效果几乎相同，因此，数字电视受到了广泛的关注。

    欧美一些国家对数字电视技术的研究较为深入，已研制出了性能完善的数字电视信号发射机。我国数字电视技术的研究起步相对较晚，还处在实验阶段。为降低成本，数字电视发射机的国产化是我国广播电视行业发展的必然趋势。

    功率放大器是数字电视发射机中的重要组成部分。通常情况下，数字电视发射机中的信号经COFDM方式调制后输出中频模拟信号，通过上变频送入放大部分。该调制方式包括IFFT(8M)和IFFT(2M)两种模式，分别由6817和1705个载波组成。每个载波之间的频率间隔非常近，所以交调信号很容易落在频带内，引起交调失真。数字电视的发射机较传统类型，在线性度、稳定性等方面有着更高的要求。对发射机中的功率放大器要求必须工作在较高的线性状态下，增益稳定。

     发射系统的放大部分分为激励和主放大电路。其中激励部分为宽带功率放大器，为确保地面数字电视传输的正常稳定，需要具有良好的稳定性和可靠性，其工作频段在470MHz～860MHz，工作状态为AB类；要求增益大于10db，交调抑制小于-5db，噪声功率密度大于130dBc/Hz。本文采用最新的LDMOSFET器件，及平衡放大电路结构设计数字电视发射机中的驱动级功率放大器，经过优化和调试，满足系统要求。

１功率放大器设计

１．１功率放大器的放大芯片选型

     本文采用摩托罗拉LDMOSFET器件MRF373为功放的放大芯片。该芯片在线性、增益和输出能力上相对于BHT器件有较大的提升，使发射机的可靠性和可维护性大大提高。与传统的分米波双极型功放管相比，LDMOSFET具有以下显著优点：

    可以在高驻波比(VSWR=10:1)情况下工作；

     增益高（典型值13db)；

     饱和曲线平滑，有利于模拟和数字电视射频信号放大；

    可以承受大的过驱动功率，特别适用于ＤＶＢ－Ｔ中ＣＯＦＤＭ调制的多载波信号；

    偏置电路简单，无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。

     ＬＤＭＯＳ制造工艺结合了ＢＰＴ和砷化镓工艺。与标准ＭＯＳ工艺不同的是，在器件封装上，ＬＤＭＯＳ没有采用ＢｅＯ氧化铍隔离层，而是直接硬接在衬底上，导热性能得到改善，提高了器件的耐高温性，大大延长了器件寿命。
 

    由于ＬＤＭＯＳ管的负温效应，其漏电流在受热时自动均流，而不会象双极型管的正温度效应在收集极电流局部形成热点，从而管子不易损坏。所以ＬＤＭＯＳ管大大加强了负载失配和过激励的承受能力。同样由于ＬＤＭＯＳ管的自动均流作用，其输入－输出特性曲线在１ｄＢ压缩点（大信号运用的饱和区段）下弯较缓，所以动态范围变宽，有利于模拟和数字电视射频信号放大。ＬＤＭＯＳ在小信号放大时近似线性，几乎没有交调失真，很大程度简化了校正电路。ＭＯＳ器件的直流栅极电流几乎为零，偏置电路简单，无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。
１．２电路结构选择及比较 

    小信号Ｓ参数可以用于甲类放大器的设计，也就是要求信号的放大基本限制在晶体管的线性区域。然而，涉及到大功率放大器时，由于放大器工作在非线性区，所以小信号通常近似无效。此时必须求得晶体管的大信号Ｓ参数或阻抗，以得到合理的设计效果。

    一般说来，甲类工作状态失真系数最小，具有良好的线性度。但是在大功率应用情况下，由于甲类工作状态的效率低（５０％）而不适用。采用甲乙类推挽放大器的电路形式，可以得到与甲类放大器相近的线性指标。

     推挽电路形式由两个独立且无任何内部连接的单管放大器构成，通过两个巴伦进行功率的矢量分配与合成。由于巴伦本身具有变阻的特点，因此大大降低了变阻比带来的阻抗匹配的困难，且巴伦对于偶次谐波具有很好的抑制作用。但是由于巴伦两边间隔过小，两路相互影响较大，所以应用巴伦结构的放大器稳定性较差，且该电路的输入和输出驻波比较差。本文采用平衡放大器的形式，结构如图１所示。其工作原理与巴伦结构的电路相似，但是由于３ｄＢ电桥的应用，使得两路射频信号之间隔离较好，有利于两个端口的匹配。相对于单管放大器结构，其优点如表１。

１．３匹配网络设计

     由于ＭＲＦ３７３没有提供内匹配，所以要在放大电路中构建匹配网络。数字电视反射系统中的放大电路工作在４７０ＭＨｚ～８６０ＭＨｚ，需要在宽频带范围内实现阻抗匹配。宽带放大器匹配电路设计的基本思想是：在放大器的输入输出及级间都采用电抗匹配网络进行多级阻抗变换。该网络只起匹配作用，不额外损耗功率，可以保证最大的传输系数，对器件特性起均衡作用，并可以满足系统所需要的带宽要求。使用器件的ＩＶ曲线或者通过输出功率、工作电压等参数可以确定负载ＲＬ。为使输出功率最大，用ＲＬ表示器件的内部漏极负载，以此作为输出匹配电路的目标。如果一个网络对一个复阻抗有最佳匹配，则网络的输出阻抗等于负载阻抗的复数共轭值。现在的负载阻抗是纯实数ＲＬ，所以最佳输出匹配电路反映到器件漏极负载的阻抗是ＲＬ的复数共轭值，即：ＲL＝（ＶDD－ＶDS(SAT)）2／２Ｐ

       其中ＶDD是工作电压，ＶDS(SAT)是拐点电压，Ｐ是输出功率。