丙类功率放大器

丙类功率放大器仿真分析

一、概述

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。

在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。

本论文对EDA软件PSPICE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。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负载特性、放大特性、调制特性的基础上，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。

高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；

谐振功率放大器的特点：

①放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

②输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

③基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

④输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

二、基本原理与理论分析

2．1 电路原理 2．1．1 工作原理

如图2-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压BE u 是利用发射极电流的直流分量0E I 在发射极直流负反馈电阻10R 上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放大器的输入信号i u 为正弦波时，集电极电流c i 为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压1C u 、电流1

C i 。

图2-1 功率放大器电路（丙类）原理图

2．1．2 主要的技术指标 (1)直流电源CC V 提供的直流功率

0C CC V I V P = (2-13)

式中，0C I 为集电极电流C

i 的直流分量。电流C

i 经傅立叶级数分解，可得峰值cm I 与分

解系数)

(θαn

的关系式

Icm I cnm n /)(=θα (2-14)

故有

)

(0

0θαcm C I I = (2-15)

分解系数)

(θαn

与θ的关系如图所示。

(2-18)

(2)集电极输出的基波功率

o

m c o m c m c m c C R U R I I U P /21

2121121211=== (2-19)

式中，m c U 1为集电极基波电压的振幅，m c I 1为集电极基波电流的振幅；o R 为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有H o R R =，三者间的关系为

o m c m c R I U 11= (2-20)

式中，)(11θαcm m c I I =，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。

(3)功率增益

i C P P P A /= (2-21)

式中，i P 为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅m b I 1、基波输入电压振幅m b U 1及输入电阻i R 的关系为

i

m b i m b m b m b i R I R U I U P 12121121

/2121=== (2-22)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05

实验电流中，i R 可表示为ie i h R ≈。 由公式(2-19)和(2-22)可得

m b m b m

c m c P I U I U A 1111=

(2-23)

(4)放大器的效率

)

()(21)()(21 210

1

0110

11θαθαξθαθαη?

?=??=??==

CC m c C m

c CC m c V C V U I I V U P P (2-24)

式中，CC m c V U /1=ξ称为电压利用系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取80~600

=θ。

2. 2 电路的参数值的估计 2.2.1 三极管的选取

功率放大器管:选用 Phili p s 公司的 NPN 型高压晶体管 (2N5551)作为放大管。直流电流根据设计要求放大器的电源电压初始值均取+ 12V 。

2.2.2 确定放大器的工作状态 谐振功放的三种工作状态

在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：

①欠压工作状态：

集电极最大点电流在临界线的右方 ②过压工作状态：

集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区 ③临界工作状态：

是欠压和过压状态的分界点，

集电极最大点电流正好落在临界线上。 如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。

图2-4 电压、电流随负载变化波形

高频放大器的工作状态是由负载阻抗R p、激励电压V b、供电电压V CC、V BB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。

2.2.3 谐振回路及耦合回路的设计

输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。

如图2-1所示，丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为：

①实现阻抗匹配，使负载电阻L R能与放大器的最佳负载H R匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。

②与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。

耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式，其等效电路如图所示。为了减小

晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。

回路的谐振频率为

LC πω210=

或

LC f 1

0=

谐振阻抗与变压器线圈匝数比为

012452R R U R P N N L

cm L o ==

L L Q R L

N N 04523ω= 2.2.4 基极偏置电路的设计

丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路如图2-7所示。图2-7(a)是利用基极电流在基区体电阻'b b r 上的降压作为偏置电压。其电路简单，但偏压小，且易随晶体管'b b r 而变，不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。图(b)是利用基极电流的直流分量在b R 上的降压得到偏置电压，b C 为高频旁路电容。其优点是偏置电压随输入信号的大小自动调节。图(c)是利用发射极电流的直流分量在e R 上建立偏压，e C 为高频旁路电容。为了避免e R 上产生交流负反馈，需设置时间常数0e /)5~3(R ω>e C 。它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时，负偏压加大，似的0e I 相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以是放大器工作状态变化不大。缺点是由于e R 上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率。因此e R 不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。

2.3 功率放大器性能分析和工作状态的确定 2.

3.1 对功放进行理论分析 输出特性上的动态线近似作法

高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。

所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。

对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量I C0和基频分量I cm1。 根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于V BZ 的一条直线来表示(V BZ 为截止偏压)。如图为晶体管实际特性和理想折线。

图

2.3.2对功放性能进行分析和工作状态的确定

负载特性：如果V CC 、V BB 、V b 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随R p 而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

①欠压状态：B 点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R 的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。

②临界状态：负载线和Eb max 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。

③过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp 的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小.

b V BZ

图2-5 谐振放大器的负载特性

放大特性：

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2-8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，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。

图2-8 谐振放大器的放大特性

调制特性： （1）集电极调制特性

当V BB 、Vbm 和R 一定，放大器性能随V CC 变化的特性。如图2-6所示。由于V BB 和Vbm 一定，也就是V BEmax 和I C 脉冲宽度一定，因而对应于V CEmin 的动态点必定在V BE ＝V BEmax 的那条特性曲线上移动；当V CC 由大减小时，相应的V CEmin

也由大减小，放大器的工作状态将由

欠压进入过压，I C 波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。

图2-6 谐振放大器的集电极调制特性

(2)基极调制特性

基极调制特性是指V CC 、V bm 和R 一定，放大器性能随V BB 变化的特性。如图2-7所示。当V bm 一定， V BB 自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因V BEmax 增大而使其高度增加，因而I C0和I C1m （相应的Vcm ）增大，结果使V CEmin 减小，放大器由欠压进入过压状态。

图2-7 谐振放大器的基极调制特性

三、仿真软件使用方法的基本描述

PSPICE 是由SPICE 发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。

c0

CC

CC

目前微机上广泛使用的PSPICE 是由美国MicroSim 公司开发并于1984年1月首次推出的。 能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析现已成为微机级电路模拟标准软件

PSPICE A/D 是PSPICE 软件包中的分析程序完成对模拟或数字电路的仿真分析。PSPICE A ／D 程序的输入文件是由电路编辑程序根据输入电路图自动生成以.CIR 为后缀的文件，或由用户直接输入的电路描述文件。PSPICE A ／D 程序的输出文件是.DAT 为后缀的数据文件（供Probe 使用）和.OUT 为后缀的文本文件

四、仿真结论分析

4.1 功率放大器的仿真设计电路 功率放大器的仿真电路原理：

高频谐振功率放大器的的负载是谐振回路，其原理电路如图 所示，电路由电压源、直流偏置电路、晶体管、谐振回路和输入回路组成。谐振负载对输入信号谐振。晶体管在交流输入信号的作用下产生b i ，b i 控制较大的集电极电流c i ，c i 流过谐振回路输出大功率，完成了将Ucc 提供的直流功率转换成交流输出功率的任务。高频谐振功率放大器静态时晶体管截止，当有交流输入电压时，由于输入电压为大信号，晶体管工作于截止和导通两种状态。

功率放大器的仿真波形图：

其电流、电压波形如图所示

图高频功率放大器电流、电压波形

不同输入信号振幅时的集电极电流均为半个周期的余弦脉冲序列,，但形状不同。这

是由于丙类状态下的晶体管导通时间小于输入信号的半个周期的缘故，故当输入信号较小时，工作在欠压状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲；当输入信号比较大时，进入过压区，集电极电流则为凹顶脉冲。

依据MHz LC

f 110

2001012614.321

2112

6

=????=

=

--π，对输入信号有选频作用。

由V U V U bm BB O N BE 7.0cos )(=+-=θ（其中BB V =0.1V, bm U =1V ），可得

θcos =0.8，可得θ=o 37，查表可得：

136.0)37(0=o α， 261.0)37(1=o α

下图即为高频功率放大器的输入电压和输出电压的仿真图。虚拟示波器A 通道测量的是输入端的电压，B 通道测量的是输出端的电压，下面的数值显示窗口还给出了需要测量时刻的瞬时电压值，

五、总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。这次的课程设计，加深了我对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基

本设计能力和基本调试能力。

课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。我总结出，在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，也可以通过自己查询。因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。

虽然我现在已经初步学功率放大器，但是离真正能够利用已学的知识自由设计使用电路会了如何设计符合要求的高频谐振的还有一段的距离。课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。

六、参考文献

刘泉主编.《通信电子线路》. 武汉理工大学出版社，2007年1月

谢自美主编. 《电子线路设计·实验·测试》. 华中科技大学出版社，2007年8月

高建新等主编.《电子技术实验与实训》. 机械工业出版社，2007年8月

赵淑范电子技术实验与课程设计［M］北京:清华大学出版社,2006.

谢嘉奎电子线路(非线性部分) ［M］北京:高等教育出版社,2000.