高频丙类功率放大器的设计

1引言 ..................................................................... 1 2丙类功率放大器原理 ....................................................... 2

2.1谐振功率放大器 ..................................................... 2

2.1.1谐振功率放大器的基本电路 ...................................... 2 2.1.2线路特点 ...................................................... 2 2.1.3关系式 ........................................................ 2 2.2谐振功率放大器的功率和效率 ......................................... 2

2.2.1放大器的功率 .................................................. 2 2.2.2放大器的集电极效率 ............................................ 3 2.3功率放大器的负载特性 ............................................... 3

2.3.1欠压状态 ...................................................... 4 2.3.2临界状态 ...................................................... 4 2.3.3过压状态 ...................................................... 4 2.4丙类谐振功率放大器的偏置电路 ....................................... 4 3丙类功率放大器电路设计 ................................................... 5

3.1确定放大器的工作状态 ............................................... 5 3.2丙类功率放大器的偏置电路： ......................................... 5 3.3选频网络 ........................................................... 5 3.4各参量的确定 ....................................................... 5 4丙类功率放大器电路的仿真与分析 ........................................... 7

4.1EWB软件简介 ........................................................ 7 4.2仿真结果与分析 ..................................................... 9

4.2.1仿真电路与测试 ................................................ 9 4.2.2 丙类功率放大器的负载特性 .................................... 12 4.2.3 输入信号幅度的变化对功率放大器的影响 ........................ 13 4.2.4 直流电压源电压对功率放大器的影响 ............................ 14

5总结 .................................................................... 16 参考文献 ................................................................. 17

高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。主要应用于各种无线电发射机中。高频信号的功率放大，实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。

功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路丙类功率放大器半导通角θ＜90︒，理想效率η＞78.5%，负载为选频回路。

电子实习，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。

鉴于无线通信技术的高速发展，本次课设对于通信专业的学生意义重大。 本次课设研究内容包括：

在理解丙类放大器工作原理的基础上，设计丙类功率放大器并利用电路仿真软件EWB对功放的主要性能指标进行相关测试，同时观察高频丙类功率放大器的负载特性及研究输入信号幅度的变化对功率放大器的输入功率、输出功率、总效率的影响并且研究直流电源电压对高频丙类功率放大器工作状态的影响。

2丙类功率放大器原理

2.1谐振功率放大器

2.1.1谐振功率放大器的基本电路

uBB

CC图1 基本电路

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。

2.1.2线路特点

1谐振回路LC是晶体管的负载

2电路工作在丙类工作状态；基极负偏压（或零偏压）

2.1.3关系式

1外部电路关系式： ube=-UBB+Ubmcosωt

uce=UCC-Ucmcosωt2晶体管的内部特性： i=g(u-U')ccbeBB

3（半）导通角

根据晶体管的转移特性曲线可得：

Ubmcosθ=UBB+U'BB

BB+U'BB

Ubm

故得： θ=arccos

即集电极电流的导通角是由输入回路决定的

2.2谐振功率放大器的功率和效率

2.2.1放大器的功率

功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率P0，使之一部分转变为交流信号功率P1输出去，另一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率Pc。

根据能量守衡定理： 直流功率：

Po=P1+PC

Po=Ic0⋅UCC

Uc2121PUc⋅Ic1==Ic1RL1=输出交流功率： 22RL2

UC ----- 回路两端的基频电压 IC1----- 基频电流 RL------ 回路的负载阻抗

2.2.2放大器的集电极效率

Uc⋅Ic1

P11η ===ξ⋅γPoUCCIc02

1

集电极电压利用系数

ξ=

UcIR

=c1L

UCCUCC

波形系数，为通角 θ 的函数；θ 越小γ越大

γ=

Ic1α1(θ)=

Ic0α0(θ)

2.3功率放大器的负载特性

负载特性：只在其他条件不变（UCC、UBB、Ub 为一定），只变化放大器的负载电阻RL而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。

L

L

图2 负载特性

2.3.1欠压状态

在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压UC随负载电阻RL的增大而增大，

而电流IC0，IC1基本不变，根据

1=Uc⋅Ic1 P1

2

Po=Ic0⋅UCCPc=P0-P1

η=

P1

Po

则电源功率P0不变、输出功率P1将增加，管耗将减少，效率将增加。

2.3.2临界状态

负载线和Ub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。

2.3.3过压状态

放大器的负载较大，在过压区，随着负载RL的加大，IC1要下降，因此放大器的输

出功率和效率也要减小。

2.4丙类谐振功率放大器的偏置电路

基极馈电电路分串馈和并馈两种。 1基极偏置常采用自给偏置电路；------串馈 2由负电源分压供给基极偏置电压；------串馈

3零偏压；------并馈

串馈 串馈 并馈

图3 基极偏置电路

3丙类功率放大器电路设计

题目：设计一高频功率放大器。

主要技术指标：VCC =12V，输出功率P1≥100mW，工作中心频率f0≈6.5MHz，效率η＞50%，负载RL=51Ω。

3.1确定放大器的工作状态

为获得较高的效率η及最大输出功率P1，放大器的工作状态选为临界状态。

3.2丙类功率放大器的偏置电路：

图4 偏置电路

此电路利用基极电流的直流分量在R上的降压得到偏置电压，另加高频旁路电容。它的优点是偏置电压随输入信号电压大小起自动调节作用。

3.3选频网络

选频网络采用LC并联谐振电路，输出电路为负载与电容部分连接的抽头并联振荡回路如图

图5抽头电路

3.4各参量的确定

取θ=70︒，P1=400mV，隔直电容均为0.01uF，高频扼流圈电感值均为47uF

(VCC

-UCES)2

RP==162.45Ω

2P1

P1=RP*Ic1m2 得Ic1m=70.2mV Icm = Ic1m / θ（70︒）=160.95mA

Ic0= Icm·θ（70︒）=40.7mA 得电源供给的直流功率P0为

P0=Vcc*Ic0=488.65mW 得放大器的转换效率η为η=P1 /P0 =81.86%

RLC1其中C=C1C2

P==

C1+C2 RPC1+C2

RP=

RL

P2

C2

=0.79得C1

C1=150pF，得C2=118pF 取Re=10Ω

因为cosθ=(Ubz-Vbb)/Ubm 又已知Ubz=0.6V 所以得Ubm=3V

图6 电路连接图

4丙类功率放大器电路的仿真与分析

4.1EWB软件简介

加拿大Interactive Image Technologies公司推出的EWB(Electronics Workbench)是一个非常优秀的专门用于电子电路设计与仿真的软件，与其他电路仿真软件(Protel99)相比，具有界面直观、操作方便等优点。他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含于轻点鼠标之间，不仅为电子电路设计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。

图7 EWB主窗口

图8 元件库和信号栏库

EWB的元件库不仅提供了数千种电路元件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值，因此，仿真的结果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理，开发、设计新电路极为方便。

下图为EWB软件应用实例（低通滤波器电路设计）

图9 EWB软件应用实例

EWB提供了6种基本分析方法和7种高级分析方法，即直流工作点(DC

Operating Point)分析、交流频率(AC Frequency)分析、瞬态(Transient)分析、傅里叶(Fourier)分析、失真(Distortion)分析、噪声(Noise)分析、传递函数(Transfer Function)分析、零一极点(Pole-Zero)分析、灵敏度(Sensitivity)分析、温度扫描(Temperature Sweep)分析、参数扫描(Parameter Sweep)分析、蒙特卡罗(Monte Carlo)分析、最坏情况(Worst Case)分析。

图10低通滤波器实例输出

图11 低通滤波器波特图分析

由以上两图可见EWB软件提供的基本分析方法实用，直观，形象。

4.2仿真结果与分析

4.2.1仿真电路与测试

图12电路图

图13信号源

图14 输入波形

图15 输出波形

4.2.2 丙类功率放大器的负载特性

图13-1、13-2、13-3描述了负载RL由大到小的变化过程，即丙类功率放大器由过压经临界再到饱和的过程变化。由观察输出波形及直流毫伏表、直流毫安表读数变化可以知道：在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压UC随负载电阻RL的增大而增大电源功率P0不变、输出功率P1将增加，管耗将减少，效率将增加。放大器的负载较大时，在过压区，随着负载RL的 加大，IC1下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

图16-1 丙类功放电路输出波形（RL=65Ω）

图16—2 丙类功放电路输出波形（RL=51Ω）

图16—3 丙类功放电路输出波形（RL=20Ω）

4.2.3 输入信号幅度的变化对功率放大器的影响

图14-1、14-2、14-3描述了输入信号幅度Ubm由大到小的变化过程，即丙类功率放大器由过压经临界再到饱和的过程变化。由观察输出波形及直流毫伏表、直流毫安表读数变化可以知道：在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压UC随输入信号幅度

Ubm的增大而增大，电源功率P0增加、输出功率P1将增加，效率将增加。在过压区，

电源功率P0基本不变、输出功率P1基本不变，效率将增加，效率基本不变。

图17—1 丙类功放电路输出波形（ Ubm=5V）

图17—2 丙类功放电路输出波形（ Ubm=3V）

图17—3 丙类功放电路输出波形（ Ubm=1.0V）

4.2.4 直流电压源电压对功率放大器的影响

图15-1、15-2、15-3描述了直流电压源电压VCC由小到大的变化过程，即丙类功率放大器由过压经临界再到饱和的过程变化。由观察输出波形及直流毫伏表、直流毫安表

读数变化可以知道：在欠压到临界输出电压的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电压的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。

VCC=3V） 图18—1 丙类功放电路输出波形（

图18—2 丙类功放电路输出波形（VCC=12V）

图18—3丙类功放电路输出波形（VCC=20V）

5总结

通过本次课程设计，利用电路仿真软件EWB对功放的主要性能指标进行了相关测试，结论如下：

在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压UC随负载电阻RL的增大而增大电源功率P0不变、输出功率P1将增加，管耗将减少，效率将增加。放大器的负载较大时，在过压区，随着负载RL的 加大，IC1下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压UC随输入信号幅度Ubm的增大而增大，电源功率P0增加、输出功率P1将增加，效率将增加。在过压区，电源功率P0基本不变、输出功率P1基本不变，效率将增加，效率基本不变。

在欠压到临界输出电压的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电压的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。

参考文献

[1] 曾兴文、刘乃安、陈健．高频电子线路．北京：高等教育出版社，2007 [2] 张肃文等．高频电子线路（第四版）．北京：高等教育出版社，2004 [3] 路而红等．虚拟电子实验室．北京：人民邮电出版社，2006 [4]李福勤、杨建平等．高频电子线路．北京：北京大学出版社，2008 [5] 诸昌清. 电子线路试验.北京：高等教育出版社，1991

[6] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002 [7] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000 [8] 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993