丙类功率放大器的设计与仿真

摘要

本论文使用EWB软件对丙类谐振式功率放大器的进行了仿真设计。首先，根据电路的性能指标要求，对丙类谐振式功率放大器的电路参数进行工程估算；然后，利用软件对估算的电路进行进一步分析，通过观测、分析丙类谐振式功放的调制特性、负载特性、放大特性的基础上，调整电路的参数，从而达到优化电路参数的目的，以使电路的各项性能指标满足预期的设计要求。

关健词: EWB；丙类功率放大器；放大特性；负载特性

ABSTRACT

In this dissertation，the simulation of the class-C resonant Power-Amplifier is given in detail by studying EWB, by using which the accurate simulation analysis of the estimated circuit is obtained after the Circuit parameters of the class-C resonant Power-Amplifier are estimated according to the circuit performance. On the base of observing and analyzing load characteristics, amplify characteristics and modulation characteristics, optimized Circuit Performance are obtained by adjusting the circuit parameters for the purpose of meeting the demands of the design.

Keywords：EWB；class C amplifier；amplification characteristics；load characteristics

目录

第1章前言 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 研究意义 (1)

1.3 研究内容 (2)

第2章丙类功率放大器原理 (2)

2.1 丙类功率放大器的电路组成及工作原理 (3)

2.2 丙类谐振功率放大器的效率与功率 (3)

2.3 丙类放大器的工作特性 (4)

2.3.1 调制特性 (4)

2.3.2 放大特性（振幅特性） (5)

2.3.3负载特性 (6)

第3章丙类功率放大器电路设计与仿真分析 (8)

3.1放大器电路设计要求 (8)

3.2设计电路图 (8)

3.3 EWB软件介绍 (9)

3.3.1 EWB操作介绍 (9)

3.3.2 EWB软件中各界面介绍 (11)

3.4 仿真结果及分析 (12)

3.4.1测量高频功率放大器的技术指标 (12)

3.4.2 调制特性的仿真分析 (12)

3.4.3 放大特性（振幅特性）的仿真分析 (14)

3.4.4 负载特性的仿真分析 (16)

总结 (20)

参考文献 (1)

致谢 (2)

第1章前言

1.1 研究背景

随着无线通信技术的高速发展，市场对射频电路的需求越来越大，同时对射频电路的性能要求也越来越高。丙类谐振功率放大器是位于无线发射机末端的重要部件，它通常被用作末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效率。本次论文用EWB软件对丙类放大器进行了研究，并掌握丙类谐振功率放大器的仿真设计方法。

高频功率放大器（简称高频功放），主要用于放大高频信号或高频已调波（即窄带）信号。由于采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗匹配等问题，因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器]1[。就放大过程而言，电路中的功率管是在截止、放大至饱和等区域中工作的，表现出了明显的非线性特性。但其效果:一方面可以对窄带信号实现不失真放大;另一方面又可以使电压增益随输入信号大小变化，即实现非线性放大。根据功放电流导通角可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的放大器。丙类谐振功率放大器是位于无线发射机末端的重要部件，其效率可达到90%，因此它通常被用作末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效率]2[。本设计对EWB软件进行了系统的研究，从而掌握了丙类谐振式功率放大器的仿真设计方法。

1.2 研究意义

丙类功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率，常又称为射频功率放大器。它广泛用于发射机，高频加热装置和微波功率源等电子设备中。

现在通信技术得到广泛的发展，无论是广播通信还是其他通信，为了传送信号，特别是远距离信号，要求发射机发射信号具有足够的功率；同时另一方面，发设计输出的功率是由电源功率供给转换而来。为节能降耗，在满足功率输出要求的同时，必须提高输出效率。传统的甲类以及乙类功率放大器的效率较低，为了进一步提高功率，高功率放大器多选择在丙类工作状态。也就是丙类谐振功率放大器]3[。

1.3 研究内容

本论文主要以研究丙类高频功率放大器的调制特性、放大特性和负载特性，了解丙类功率放大器的设计方法。使用EWB软件对对丙类放大器进行了研究，从而掌握了丙类谐振式功率放大器的仿真设计方法。首先，根据电路的性能指标要求，对丙类谐振式功率放大器的电路参数进行工程估算；然后，利用软件对估算的电路进行进一步的精确模拟分析，通过观测、分析丙类谐振式功放的调制特性、负载特性、放大特性的基础上，调整电路路的参数，从而达到优化电路参数的目的，以使电路的各项性能指标满足预期的设计要求]3[。

2

3

第2章 丙类功率放大器原理

2.1 丙类功率放大器的电路组成及工作原理

利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振放大器。如图2-1所示： 谐振高频功率放大器原理图所示。它是无线发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角c θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的导通角0=180c θ，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的导通角c θ0≤90，效率η可达到80%。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率]4[。本课设使用的是丙类功率放大器，研究的是是丙类功率放大器的功率及效率。

图2-1 谐振高频功率放大器原理图

2.2 丙类谐振功率放大器的效率与功率

谐振高频功率放大器原理图，功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制，起到把集电极电源直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下，转换的功率越高，输出的交流功率越大]5[。 集电极电源0V 提供的直流功率为

CC C U I P 00= （2.1） 式中，0C I 为余弦脉冲的直流分解系数。

4

C0cm c ()I I αθ= （2.2）

式中，CM I 为余弦脉冲的最大值；0c αθ（）

为余弦脉冲的直流分解系数。

（2.3） 式中，BB 'U 为晶体管的导通电压；BB V 为晶体管的基极偏置；bm V 为功率放大器的激励电压振幅。

集电极输出基波功率为

2

2

11111222

C C C C L L U P U I I R R === （2.4）

式中，C U 为回路两端的基频电压，C1I 为余弦电流脉冲基频电流，L R 为回路的谐振阻抗。

集电极效率为 （2.5）

式中， ,为集电极电压利用系数；1()c αθ为余弦脉冲的基波分解系

数。

功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出效率和高效率，通常o o c =6080θ～。

2.3 丙类放大器的工作特性

2.3.1 调制特性

集电极调制特性是指BB V ，bm V 和R e 一定，放大器性能随CC V 变化的特性，当CC V 由大减小时，

放大器性能由欠压状态进入过压状态，c i 波形也将有接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波，如图2-2所示:

积极调制特性是指CC V ，bm V 和R e 一定，放大器性能随BB V 变化的特性，当bm

V 一定时，BB V 自负值向正值增方向大时，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且高度增加，放大器由欠压状态进入过压状态]6[，如图2-3所示。

BB BB

bm U U 'cos

U c arc θ+=y I U I U P P C CC C C εη2

121

01

01

===CC

L

C CC

C U R I U U

1==ε

5

图2-2 放大器性能随CC V 变化的特性

图2-3 放大器性能随CC V 变化的特性

2.3.2 放大特性（振幅特性）

放大特性是指V BB 、V CC 和R 一定，放大器性能随V bm 变化的特性，如图2-4所示。固定V BB 、增大V bm 和上述固定V bm 、增大V BB 的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；

进入过压后，

6

随着V bm 的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深]7[。

图2-4 谐振放大器的放大特性

2.3.3负载特性

欠压状态：在欠压区至临界点 的范围内，放大器的输出电压C U 随负载电阻

L R 的增大而增大，而电流CMAX I 、1C I 、0C I 基本不变，输出电流的振幅基本上不

随CC U 变化而变化，故输出功率基本不变。

临界状态：负载线和b U 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。其对应的最佳负载电阻值，用P R 表示，即

2

0()2CC CES P V U R P -=

（2.6）

当P R 变小时，放大器处于欠压工作状态，如C 点所示。集电极输出电流较大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。P R 变大时，放大器处于过压工作状态，如B 点所示。集电极电压虽然较大，但集电极电流凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态]8[。

设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件为

ces cm cc U U V =- （2.7）

式中，cm U 为集电极输出电压幅度；cc V 为电源电压；ces U 为晶体管饱和压降。

过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载L R 的加大，1c I

要下降，

V的减小而下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。输出电流的振幅将随

cc

故输出功率也随之下降]9[。

图2-5为丙类谐振功率放大器的负载特性。Array

2-5 谐振功率放大器的负载特性

7

8

第3章 丙类功率放大器电路设计与仿真分析

3.1放大器电路设计要求

本次论文要求用EWB 仿真软件做出一个符合要求的电路图，以及对电路的分析和调试。

已知条件：V V 10cc +=，三极管为N2222A ，管子的饱和降压，V U 6.0ces ≤，

30≥β，150MHz T f ≥，B A P d 6≥。

主要技术指标：输出功率W P m 1000≥，工作频率15MHz ，效率%50≤η，负载Ω=K R L 2。

确定放大器的工作状态：为了获得较高的效率和最大的输出功率，选丙类放

大器的临界状态，0

65c θ=，假设W P m 1200=。

3.2设计电路图

根据负载电阻和最佳负载可以得到抽头系数，p=0.25，同时根据工作频率为15MHZ ，可以得出H L μ1=，F C p 1501=，F C p 4482=。

仿真电路图如图3-1所示。

图3-1 高频功率放大器电路图

9

具体计算过程如下：

根据公式（2.7）得最佳负载 Ω=542P R ；

基频电流振幅为 0

1221C P

P I mA R =

=； 集电极电流脉冲最大值为 ；

直流输出功率为 ； 功率放大的总效率为 %4.83=η；

谐振回路的总电容为 2

12

1C C C C C +=

；

谐振频率为 LC

1

0=

ω； 抽头系数为 2

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p C C C +=

， 根据负载电阻和最佳负载电阻可以得出抽头系数p=0.25。

3.3 EWB 软件介绍

3.3.1 EWB 操作介绍

EWB 是Electronic Workbeach 的缩写，称为电子工作平台，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为"计算机里的电子实验室"。 其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用EWB 可实现大部分硬件电路实验的功能]10[。

EWB 可以完成电子工作平台的设计试验, 在上面可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用模拟和数字器件，设计和试验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式，有的虚拟

mW I U P C CC 14401=?=mA I I CMX 1200C =?=）（θα

器件还可直观显示，如发光二极管可以发出红绿蓝光，逻辑探头像逻辑笔那样可直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以烧断，灯泡可以烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比例移动改变阻值]11[。电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、数字万用表、双通道1000MHz 数字存储示波器、999MIHz数字函数发生器、可直接显示电路频率响应的波特图仪、16路数字信号逻辑分析仪、16位数字信号发生器等，这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有关数据或波形。电子工作平台还具有强大的分析功能，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析，高版本的EWB还可以进行傅立叶变换分析、噪声及失真度分析、零极点和蒙特卡罗等多项分析]12[。

使用EWB对电路进行设计和实验仿真的基本步骤是：1. 用虚拟器件在工作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号；连接信号源等虚拟仪器；4.选择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。

元器件与仪器的连线：当元器件和仪器放置好后，就可对元器件和仪器开始连线。先移动鼠标到要连接的元器件的端点，此时鼠标会变成一个小黑圆点，按下鼠标并拖动它，当拖动到另一元器件端点时鼠标又变成小黑圆点形状，此时松开鼠标按键，则两个元器件间就建立了一根连线。当从一个元器件端点往一根连线上连线时，拖动鼠标靠近该线时线上会出现一个小黑圆点，此时松掉鼠标则该元器件会连接到该连线上，并自动产生一个节点。同样，当往一个节点上连线时也是作同样的操作。只是线与节点上可以产生不止一个的小黑圆点，分别对应不同的方向，连线时应注意小黑圆点的朝向]13[。

元器件参数的编辑与修改：用鼠标双击要编辑的元器件就会弹出该元器件的参数对话框，用户可在该对话框中对它的各种参数进行修改。

仿真环境的设定：用户在对电路进行仿真之前，要先对仿真分析环境进行设定。在菜单栏上依次选取ANALYSIS、ANALYSIS－OPTION，则弹出ANALYSIS －OPTION对话框，用户可对其中的仿真环境参数进行设定，如环境温度，绝对电流误差等]14[。

对绘制好的电路进行仿真：在上述步骤完成后，按下启动按钮即可进行电路仿真。此时用户可以对电路的工作进行各种分析，如付里叶分析，噪声分析等等，

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用鼠标双击电路中的仪器可以打开仪器面板，通过改变面板上的参数来改变电路输入状态或查看电路仿真结果，如改变信号发生器的输出波形、幅度和频率等来改变电路的输入状态，用户也可以查看它的仿真结果，如查看万用表上的指示值，查看示波器上的波形等。

3.3.2 EWB 软件中各界面介绍

图3-2 函数信号发生器和示波器

函数信号发生器：可以根据需要产生各种频率及振幅的正弦波、三角波、方波。双击其在工作区的图标，可以显示设置函数信号发生器所要产生信号的各种参数的界面。示波器：是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果的重要仪器。双击示其在工作区的图形可以将其接入点电路的波形显示出来，并可以调节各种显示参数大小]15[。

图3-3 EWB 软件基本元器件

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3.4 仿真结果及分析

3.4.1测量高频功率放大器的技术指标

高频功率放大器的波形如图3-4所示。

图3-4 高频功率放大器的幅频特性

根据波形观察：放大电路的中心频率Hz 15f 0=，交流放大倍数约为32dB ，约合40倍，通频带900KHZ ，以上指标均符合要求。

3.4.2 调制特性的仿真分析

改变CC U ，但L R ，C U 不变。当集电极电压CC U 由小到大变化时放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。C U 由小变大。当直流电压为=CC U 2V ，=CC U 10V ，

=CC U 15V 时，波形图分别如图3-5、图3-6和图3-7所示。

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图3-5 直流电压为2V 时的输出波形

图3-6 直流电压为10V 时的输出波形

图3-7 直流电压为15V时的输出波形

直流电压源电压

U由小到大变化过程，即丙类功率放大器由欠压临界再到

CC

饱和的过程变化。通过观察输出波形变化可得：在欠压到临界输出电压的振幅基本上不随

U变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电压的振幅CC

将随

U的减小而下降，故输出功率也随之下降。

CC

3.4.3 放大特性（振幅特性）的仿真分析

高频功放的放大特性，固定负载电阻为2K，输入电压幅度逐渐升高输入输出

关系如图3-8和图3-9所示。

14

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图3-8 输入为50mV 时的输入输出关系

图3-9 输入为300mV 时的输入输出关系

当U 由小增大时，导通时间加长，从而使得集电极电流脉冲宽度和高度均增加，固定V BB 、增大V bm 和上述固定V bm 、增大V BB 的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着V bm 的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。

16

3.4.4 负载特性的仿真分析

放大器的输出电压U c 随负载电阻L R 的增大而增大，当负载分别为Ω=2L R ，

Ω=10L R ，Ω=40L R ，Ω=50L R ，Ω=51L R ，Ω=75L R ，Ω=200L R 时，放大器

的输出电压分别如图3-10，图3-11，图3-12，图3-13，图3-14，图3-15和图3-16所示。

图3-10 L R =2Ω时的输出波形

图3-11 L R =10Ω时的输出波形

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图3-12 L R =40Ω时的输出波形

图3-13 L R =50Ω时的输出波形