丙类功率放大器的设计与仿真

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1、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ABSTRACTIn this dissertation, the simulation of the class-C resonant Power-Amplifier is given in detail

2、 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 charact

3、eristics 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第1章前言11.1研究背景11.2研究意义11.3研究内容2第2章丙类功率放大器原

4、理22.1丙类功率放大器的电路组成及工作原理32.2丙类谐振功率放大器的效率与功率32.3丙类放大器的工作特性42.3.1调制特性42.3.2放大特性（振幅特性）52.3.3负载特性6第3章丙类功率放大器电路设计与仿真分析83.1放大器电路设计要求83.2设计电路图83.3 EWB软件介绍93.3.1 EWB操作介绍93.3.2 EWB软件中各界面介绍113.4仿真结果及分析123.4.1测量高频功率放大器的技术指标123.4.2调制特性的仿真分析123.4.3放大特性（振幅特性）的仿真分析143.4.4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

5、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

6、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。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

7、 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

8、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。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9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 c流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的导通角9 =1800，效率门最高也 c只能达到50%，而丙类功放的导通角9 900，

9、效率门可达到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。Ubb Ucc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。集电极电源V0提供的直流功率为P0= IC UCC(2.1)式中，IC0为余弦脉冲的直流分解系数。IC

10、0 = I a(0 )(2.2)式中，Icm为余弦脉冲的最大值；a(0?为余弦脉冲的直流分解系数。0 = arc cos bbcUbm(2.3)式中，U为晶体管的导通电压；V为晶体管的基极偏置；V为功率放大器的 BBBBbm激励电压振幅。集电极输出基波功率为P = - U I =生=-12 R1 2 c ci 2R2 ci l(2.4)式中，UC为回路两端的基频电压，I为余弦电流脉冲基频电流，R为回路的谐 振阻抗。C1集电极效率为P2UCIC11门T = -&VP0UCCIC 02(2.5)U I R 式中 s = ci , 式中，u UCC CCL ，为集电极电压利用系数；a1(0c)为余弦

11、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0 =60。80。c2.3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V曲，匕山和g 一定，放大器性能随VCC变化的特性，当 VCC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，ic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VCC , Vm和Re 一定，放大器性能随VB变化的特性，当Vm 一定时，VBB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。V.

12、-T x图2-2放大器性能随匕c变化的特性图2-3放大器性能随匕。变化的特性2.3.2放大特性（振幅特性）放大特性是指*B、C和人一定，放大器性能随ybm变化的特性，如图2-4 所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定垸m、增大VBB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kbm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UC随负载电阻A的增大而增大，而电流I、I、I基本不变，输出电流的振幅基本上不LCMAXC1

13、 C 0随U CC变化而变化，故输出功率基本不变。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。其对应的最佳负载电阻值， 用Rp表示，即（2.6）当Rp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。Rp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匕一 U广人（金）式中，气皿为集电极输

14、出电压幅度；匕为电源电压；U宓为晶体管饱和压降。过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载rl的加大，ici要下降， 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匕c的减小而下降, 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。2-5谐振功率放大器的负载特性第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 =+10V，三极管为N2222A，管子的饱和降压，U 30，fT 150MHz，A 6dB。主要技术指标：输出功率Pq 100mW，工作频率15MHz，效

15、率门 50%，负 载 Rl = 2KQ。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，气=650，假设孔=120mW。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 L = 1|iH，q= 150pF，C2 = 448pF。仿真电路图如图3-1所示。图3-1高频功率放大器电路图具体计算过程如下:根据公式(2.7)得最佳负载Rp = 542。；基频电流振幅为I 1 = lR = 21mA ； p集电极电流脉冲最大值为IC0 = %气(6)= 12mA ；直流输出功率为P1 = UCC - IC0 = 144mW ；功率放大的总效率为门=83.4% ；C C谐振回路的总电容为C = -CC ；C1+C 21谐振频率为3 =；0 、：LC抽头系数为p = -C ,C1 +C 2根据负载电阻和最佳负载电阻可以得出抽头