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1、目录1 Proteus 简介 12 谐振功率放大器原理分析 12.1 甲类功率放大器 22.1.1 静态工作点 22.1.2 动态特性 22.2丙类功率放大器 32.2.1 工作原理 32.2.2 功率与效率 32.2.3 偏置电路及耦合回路 53 电路原理及仿真 73.1 元件清单 73.2仿真电路图 83.3 仿真结果 84、心得体会 115 参考文献 121 Proteus 简介Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工 具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能 是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于
2、原理图的 虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运 行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不 需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果;功能最强的 Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。其功能模块:一 个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；R0SPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计.Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自 动布线来实现一个完整的电子
3、设计系统。此系统受益于15年来的持续开发，被电 子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品一“The Route to PCB CAD”。Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控 制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如 LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。2 谐振功率放大器原理分析利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电 发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角0的范围可分为甲类、乙类、 丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角0愈小，放大器的效率n愈高。
4、如甲类功放的0=180,效率n最高也只能达到50%，而丙类功放的0 90。， 效率n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。谐振功放工作于丙类，基极回路合适的偏置电压 VBB 可正可负，导通电压 VBBVBZ 放大器没有显著的电流，工作于丙类。丙类可以已高集电极效率的原因： 因为晶体管仅在部分时间内有电流流通， 大部分时间是无集电极电流的集电极耗散功率等于集电极电压与集电极电流的乘 积，因而大部分时间是无集电极耗散功率的。2.1 甲类功率放大器2.1.1 静态工作点晶体管VT1组成甲类功率放大
5、器，工作在线性放大状态。其中R1和R2为基 极偏置电阻；R5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器 的静态工作点。 R4 为交直流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。 电路的静态工作点由下列关系式确定：BQ R + R CC12(2-1)U -UI I - BQBEQCQeqR + R45(2-2)I -1 / 0BQCQ1(2-3)UCEQ = VCC - IEQ(R4 + R5)(2-4)2.1.2 动态特性所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对象。如图2-1所示，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。以第一级甲类功
6、放为例，它与第二级甲类功放通过变压器进行耦合，因此其交流 输出功率可表示为：(2-5)Po = PH % B式中，PH为输出负载上的实际功率，B为变压器的传输效率，一般为 耳 B 0.75 0.85 。图2-2 为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点 Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻Rh称为最佳匹配负载。集电极的输出功率 PC的表达式为P = 1 U IC 2 cm cm2 U 2/Rhcm(2-6)式中， Ucm 为集电极输出的交流电压振幅， Icm 为交流电流的振幅，它们的表达式分别为Ucm = VCC - ICQ(R4 + R5) - UCE(sat
7、)(2-7)式中，UCE(sat)称为饱和压降，一般为IV左右。Icm Q ICQ(2-8)如果变压器的初级线圈匝数为N1,次级线圈匝数为N2,由式(2-5)、(2-6) 可得(2-9)式中， R H 为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。2.2 丙类功率放大器2.2.1 工作原理丙类功率放大器的基极偏置电压UBE是利用发射极电流的直流分量厶0在发射BE极直流负反馈电阻R10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为正弦波时，集电极电流ic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UC1、电流ic 1。2.2.2 功率与效率丙类谐振功
8、率放大器是依靠激励信号对功放管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成负载回路的交流功率的作用。在直流功率相同的条件下，转换的效率越高，输出的交流功率越大。直流电源VCC提供的直流功率PV = VCCIC o(2-13)式中，C0为集电极电流I的直流分量。电流iC经傅立叶级数分解，可得峰值/cm与 分解系数n()的关系式(2-14)=【cnm/Icmn故有(2-15)分解系数a n()与的关系如图2-4所示。功放管特性曲线折线化后的输入电压uBE与集电极脉冲电流ic的波形关系，可BECcos =U - VONBBUbm(2-16)式中，UON为晶体管导通电压(硅管约为0.6V，锗管约为0.
9、2V)；Ubm为激励电压(输入电压)的振幅。VBB为基极直流偏置电压，一般取00.2V。在自给偏置电路中，其值可由下式确定V =-1 - RBB C 0 E(2-17) 式中，Re为功放管发射极直流负反馈电阻，在图2-1所示电路中，Re二Rio。当UBE大于晶体管的导通电压UON时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集 电极脉冲电流ic与基极脉冲电流ib成线性关系，满足关系式I = h I Q 卩Icm fe bm bm(2-18) Uc1m Ic1mRo(2-20)式中，Ic1m = Icm ai(6 )，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。(2)功率增益ap =
10、Pc / Pi式中， Pi 为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅 Ib1m 、基波输入电压振幅%m及输入电阻Ri的关系为P = - U I i 2 b1m b1m_ 2 U 2/R _ 2 I 2R.2 b1mi 2 b1m i(2-22)实验电流中，Ri可表示为Ri沁h。由公式(2-19)和(2-22)可得4 _ U I elm c 1 mPUIb1 m b1 m(2-23)（3）放大器的效率P1耳=C = 一 P2V1 U12 VCC aUc1m Ic-mVCCa e)0C01 匸 a() s -2 a()0(2-24)(2-21)式中，E二Uc1m / VCC称为电压利用系数。
11、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6080。2.2.3 偏置电路及耦合回路（1）偏置电路丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路。一种是利用基极电流在基区体电 阻rbb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7而变，bbb b不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。 第二种是利用基极电 流的直流分量在Rb上的降压得到偏置电压，Cb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。第三种是利用发射极电流的直流分量在Re上建立 偏压，Ce为高频旁路电容。为了避免Re上产生交流负反馈，需设置时间常数
12、ReC （35）/ o。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1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Re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Re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)耦合电路 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。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： 实现阻抗匹配，使负载电阻rl能与放大器的最佳负载rh匹配，以
13、保证放 大器传输到负载的功率最大。 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2-6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1 = 一02LC f _1(2-25)(2-26)(2-27)或/ 0 P谐振阻抗与变压器线圈匝数比为N2 PRR45 = o L = ,； LN UR12cm0N L方23 Fql45L3 电路原理及仿真47uC1.1R1TE：T=-C20.: C2 -0.D1U； -vTEiTTv-TtCGECECERl
14、芽nu.TRAW-2F2S-CTBCTJ-Q2-NPNvTE：iT- - D-.D2u -*：TE：TCE2：:D-.D22U3.1 元件清单：C9=0.02uF C10=0.02uF R = 2kG(1KG 5KQ 电位器)R = 9KQ R 交负 1011 12Nl=3,N2=2 R =1.4kQ 3DG130 管子13CT=(520)pF ZL=47uH R = 101C12=0.01uF2 14Cll=100pF L 二 7uH N3=3, N4=1, N5=1、3DA1 管子3.2 仿真电路图47u IIT2 TRSAT2P3S订TTC1C6 : 1DDp i-:TB：I TRAN-2P2STB.PRUPEF：T=vM.UE图13.3 仿真结果图2输入信号为 270mV ，6MHZ
