华中科技大学 硕士学位论文 声光Q驱动器高效E类射频功放设计与实现 姓名：黄勇 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘玉 20070601 I 摘 要 本文主要研究了声光 Q 开关驱动器的关键模块——高效率 E 类功率放大器，设 计实现了工程样机 首先归纳了经典功率放大器的特点及提高放大器效率的典型途径， 阐述了声光Q 开关的原理和驱动器的技术指标，选定了 E 类开关模式的功放然后阐述了 E 类功 放的基本原理，进行最佳参数设计，分析损耗产生原因，并进行了部分电路 Pspice 仿真本文重点在功放实际设计和调试过程，在设计思路上，提出两级 E 类功放级 联形式，综合考虑晶体管的耐压和输出功率，设计并实现输出匹配网络，使得设计 的功放总放大能力达到 25dB文中也阐述了驱动 E 类功放的集电极调制电路和功放 保护电路的原理和设计 在调试过程中，功率输出级晶体管过热问题成为了项目难点，本文分析了过热 的原因，进行了实际的调试，最终给出了有效的处理方案，并在小批量试产样机上 做验证试验，结果表明能够有效的解决晶体管过热问题 实验样机和小批量试产样机经过驻波比、输出功率、放大器效率等指标测试， 达到技术指标要求，实测功率输出级功放效率（PAE）可达 57.3%。
经过 3 次连续 72 小时烤机测试，各项技术指标稳定并且终端用户在工业环境中试用 4 个月无故 障，受到使用单位好评 最后，本文对研究成果进行了总结，并提出了进一步修改建议 关键词：关键词：E 类放大器 声光 Q 开关驱动器 功率放大器 II Abstract This thesis does research on the key module of Q-switch driver — high efficiency Class-E power amplifier, including the design and implement of the prototype. First，the characteristics of the conventional power amplifiers and the typical ways to improve the efficiency are presented .The Q-switch principle and technical requirements of Q-switch driver are also analysed and the Class-E mode is selected. Then the basic principles of the Class-E amplifier are explained, the ideal parameters for the design are calculated, the causes that result in losses are listed, and the Pspice circuit simulations are presented.This thesis is mainly on the actual design and debugging process of power amplifier. Considering the voltage and the power output, two grades form of cascades Class-E power amplifiers are designed, and the realization of the output matching network is also the necessary part.The total capacity of gain reaches 25dB.This thesis also described the collector modulation of the Class-E amplifier and the circuit for protection. During the debugging process, the overheating problem of power transistor in output level became the difficulty of the project. This thesis analyzes its reasons. Through the actual tests, some effective treatments are given finally, and the tests of small batch in prototypes have been done.The results show that these are the effective solutions. Experimental prototypes and small batch prototypes are tested for standing wave ratio, output power, efficiency and so on, the amplifier meets technical requirements, and the measured PAE is up to 57.3%. After three consecutive 72-hours reliability tests, all technical performances are stability. End-users in industrial settings trialed for four months without faults, so the design is acclaimed by the users. Finally, the results of the research are concluded and further improvements are attached. Keywords: Class-E amplifier, Acoustic-optic Q-switch driver, Power amplifier 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密?，在 年解密后适用本授权书 不保密? （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 声光 Q 开关广泛应用于激光标记行业， 它在 YAG 灯泵浦激光器和半导体泵浦激 光器中用于激光能量 Q 调制和激光通断控制，使得激光输出的单脉冲功率满足标记 需求。
由于声光 Q 开关的特性，它需要专用的射频驱动器，并且要求驱动器输出功率 大于输出激光的功率伴随着激光器输出功率的不断提高，50W，75W 的激光器已 经成为激光标记市场主导，同时 Q 开关驱动器常应用在较高温度的工业环境中，这 就要求 Q 开关驱动器同时具有大功率输出和高效率的特点，所以研究高效率功放的 原理有着很强的实用背景[1] 在开始设计功率放大器之前，需要对各种放大器的性能有大致的了解 1.2 功率放大器的分类及特点功率放大器的分类及特点 功率放大器如果按照工作频带分，可以分为宽带功率放大器和窄带功率放大器； 如果按照工作状态分，可以分为线性功率放大器和非线性功率放大器；如果按照晶 体管的等效电路分，A 类、B 类、AB 类、C 类、F 类可以分为一类，它们的特点是 晶体管等效为受控电流源，D 类、E 类可以分为一类，它们的特点是晶体管被等效为 受输入信号控制的开关[2] A 类放大器的电流流通角为 360o，适用于小信号低频功率放大B 类放大器的 电流流通角约为 180o，C 类放大器的电流流通角则小于 180oC 类工作状态的输出 功率和效率是三种工作状态中最高者。
但 C 类放大器的电流波形失真太大，因而不 能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大由于谐振 回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近似于正弦波形 D 类放大器的效率比 C 类放大器高，理论可达 100%，但它的最高工作频率受到 开关瞬间所产生的器件功耗（集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制如果在电 路上加以改进，使电子器件在通断瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高，这 就是所谓 E 类放大器这两类放大器是晶体管高频功率放大器的新发展，尤其是 E 2 类放大器后面章节将详细介绍 E 类（戊类）高频功率放大器 1.2.1 功率放大器提高效率的途径功率放大器提高效率的途径 功率放大器的效率，包括放大器件效率和输出网络的传输效率两部分功率放 大器实质上是一个能量转换器，它把电源供给的直流能量转换为交流能量晶体管 转换能量的能力常以集电极效率 0 η 表示 若电源供给的直流功率 dc p 转换后的交流输出功率为 0 p，则： 00 0 0dcc pp ppp η == + (1-1) 这里， c p为转换过程中消耗在集电极上的能量，称为集电极耗散功率。
如果提 高效率，则应尽量减小集电极的耗散功率 c p 集电极耗散功率 c p是集电极瞬时电压 c ν 与集电极瞬时电流 c i在一个周期 T 内的 平均值，即 0 11 2 T co cc c Pi dti d T θ θ ννθ π − == ∫∫ (1-2) 对于A、B、C类功率放大器来说，由于功率管工作于有源状态，集电极电流 和集电极电压都比较大，因而，晶体管的集电极耗散功率 c P也比较大，放大器效率 就难于继续提高 从 A 类、B 类低频功率放大器发展到 C 类高频调谐式功率放大器，目的都是为 了提高功率和放大器的效率，这主要反映在放大器件工作状态的改进 A 类工作状态，理想效率为 50%；B 类工作状态，理想效率为 78.5%；C 类工作 状态，通角小于 90 度，其效率比 B 类更高 可见，功率放大器提高效率的途径是以减小通角和加大激励功率为代价 我们有可能继续增加激励和减小通角来实现高效率放大对 C 类高频功率放大 器来说，当通角减少到零时，理想效率可以达到 100%，但是输出功率亦为零，这是 没有意义的所以必须考虑其他的途径 3 提高效率的途径是使晶体管工作在开关状态，即当 c i流通时 c ν 很小，甚至趋近 于零；当 c i截止时， c ν 却达到很大。
这样，在任一时刻内， c i和 c ν 的乘积都很小，甚 至趋近于零因此，晶体管的集电极耗散功率 c P亦很小，甚至趋近于零D类功率 放大器正是按照这。