丙類功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真

1、摘要本論文使用EWB軟件對丙類諧振式功率放大器的進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)電路的性能指標(biāo)要求，對丙類諧振式功率放大器的電路參數(shù)進(jìn)行工程估算；然后，利用軟件對估算的電路進(jìn)行進(jìn)一步分析，通過觀測、分析丙類諧振式功放的調(diào)制特性、負(fù)載特性、放大特性的基礎(chǔ)上，調(diào)整電路的參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化電路參數(shù)的目的，以使電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。關(guān)健詞: EWB；丙類功率放大器；放大特性；負(fù)載特性ABSTRACT In this dissertation，the simulation of the class-C resonant Power-Amplifier is given in detail by

2、 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 characteri

3、stics 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目 錄第1章 前言11.1 研究背景11.2 研究意義11.3 研究內(nèi)容2第2章 丙類功率放大器

4、原理32.1 丙類功率放大器的電路組成及工作原理32.2 丙類諧振功率放大器的效率與功率32.3 丙類放大器的工作特性4 2.3.1 調(diào)制特性4 2.3.2 放大特性（振幅特性）6 2.3.3負(fù)載特性6第3章 丙類功率放大器電路設(shè)計(jì)與仿真分析83.1放大器電路設(shè)計(jì)要求83.2設(shè)計(jì)電路圖83.3 EWB軟件介紹9 3.3.1 EWB操作介紹9 3.3.2 EWB軟件中各界面介紹113.4 仿真結(jié)果及分析12 3.4.1測量高頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)12 3.4.2 調(diào)制特性的仿真分析12 3.4.3 放大特性（振幅特性）的仿真分析14 3.4.4 負(fù)載特性的仿真分析16總 結(jié)20參考文獻(xiàn)20致 謝

5、21第1章 前言1.1 研究背景隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，市場對射頻電路的需求越來越大，同時(shí)對射頻電路的性能要求也越來越高。丙類諧振功率放大器是位于無線發(fā)射機(jī)末端的重要部件，它通常被用作末級功放，以使發(fā)射信號獲得較大的輸出功率和較高的效率。本次論文用EWB軟件對丙類放大器進(jìn)行了研究，并掌握丙類諧振功率放大器的仿真設(shè)計(jì)方法。高頻功率放大器（簡稱高頻功放），主要用于放大高頻信號或高頻已調(diào)波（即窄帶）信號。由于采用諧振回路作負(fù)載，解決了大功率放大時(shí)的效率、失真、阻抗匹配等問題，因而高頻功率放大器通常又稱為諧振功率放大器。就放大過程而言，電路中的功率管是在截止、放大至飽和等區(qū)域中工作的，表現(xiàn)出了明顯

6、的非線性特性。但其效果:一方面可以對窄帶信號實(shí)現(xiàn)不失真放大;另一方面又可以使電壓增益隨輸入信號大小變化，即實(shí)現(xiàn)非線性放大。根據(jù)功放電流導(dǎo)通角可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的放大器。丙類諧振功率放大器是位于無線發(fā)射機(jī)末端的重要部件，其效率可達(dá)到90%，因此它通常被用作末級功放，以使發(fā)射信號獲得較大的輸出功率和較高的效率。本設(shè)計(jì)對EWB軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，從而掌握了丙類諧振式功率放大器的仿真設(shè)計(jì)方法。1.2 研究意義 丙類功率放大器用于放大器高頻信號并獲得足夠大的輸出功率，常又稱為射頻功率放大器。它廣泛用于發(fā)射機(jī)，高頻加熱裝置和微波功率源等電子設(shè)備中。 現(xiàn)在通信技術(shù)得到廣泛的發(fā)展，無論是廣播

7、通信還是其他通信，為了傳送信號，特別是遠(yuǎn)距離信號，要求發(fā)射機(jī)發(fā)射信號具有足夠的功率；同時(shí)另一方面，發(fā)設(shè)計(jì)輸出的功率是由電源功率供給轉(zhuǎn)換而來。為節(jié)能降耗，在滿足功率輸出要求的同時(shí)，必須提高輸出效率。傳統(tǒng)的甲類以及乙類功率放大器的效率較低，為了進(jìn)一步提高功率，高功率放大器多選擇在丙類工作狀態(tài)。也就是丙類諧振功率放大器。1.3 研究內(nèi)容 本論文主要以研究丙類高頻功率放大器的調(diào)制特性、放大特性和負(fù)載特性，了解丙類功率放大器的設(shè)計(jì)方法。使用EWB軟件對對丙類放大器進(jìn)行了研究，從而掌握了丙類諧振式功率放大器的仿真設(shè)計(jì)方法。首先，根據(jù)電路的性能指標(biāo)要求，對丙類諧振式功率放大器的電路參數(shù)進(jìn)行工程估算；然后，利

8、用軟件對估算的電路進(jìn)行進(jìn)一步的精確模擬分析，通過觀測、分析丙類諧振式功放的調(diào)制特性、負(fù)載特性、放大特性的基礎(chǔ)上，調(diào)整電路路的參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化電路參數(shù)的目的，以使電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。第2章 丙類功率放大器原理2.1 丙類功率放大器的電路組成及工作原理利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振放大器。如圖2-1所示： 諧振高頻功率放大器原理圖所示。它是無線發(fā)射機(jī)中的重要組成部件。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角愈小，放大器的效率愈高。如甲類功放的導(dǎo)通角，效率最高也只能達(dá)到，而丙類功放的導(dǎo)通角，效率可達(dá)到。甲類功率放大器適合作

9、為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本課設(shè)使用的是丙類功率放大器，研究的是是丙類功率放大器的功率及效率。 圖2-1 諧振高頻功率放大器原理圖2.2 丙類諧振功率放大器的效率與功率諧振高頻功率放大器原理圖，功率放大器是依據(jù)激勵(lì)信號放大電路對電流的控制，起到把集電極電源直流功率變換成負(fù)載回路的交流功率的作用。在同樣的直流功率作用條件下，轉(zhuǎn)換的功率越高，輸出的交流功率越大。 集電極電源提供的直流功率為 （2.1）式中，為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。 （2.2） 式中，為余弦脈沖的最大值；為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。 （2.3）式中，為晶體

10、管的導(dǎo)通電壓；為晶體管的基極偏置；為功率放大器的激勵(lì)電壓振幅。集電極輸出基波功率為 （2.4） 式中，為回路兩端的基頻電壓，為余弦電流脈沖基頻電流，為回路的諧振阻抗。集電極效率為 （2.5） 式中， ,為集電極電壓利用系數(shù)；為余弦脈沖的基波分解系數(shù)。功率放大器的設(shè)計(jì)原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實(shí)際運(yùn)用中，為兼顧高的輸出效率和高效率，通常。2.3 丙類放大器的工作特性2.3.1 調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指，和Re一定，放大器性能隨變化的特性，當(dāng)由大減小時(shí)，放大器性能由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)，波形也將有接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波，如圖2-2所示:積極調(diào)制特性是指，和Re一定，

11、放大器性能隨變化的特性，當(dāng)一定時(shí)，自負(fù)值向正值增方向大時(shí)，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且高度增加，放大器由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)，如圖2-3所示。圖2-2 放大器性能隨變化的特性圖2-3 放大器性能隨變化的特性2.3.2 放大特性（振幅特性）放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-4所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。 圖2-4 諧振放大器的放大特性2.3.3負(fù)載特性 欠

12、壓狀態(tài)：在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn) 的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大，而電流、基本不變，輸出電流的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變。臨界狀態(tài)：負(fù)載線和正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。其對應(yīng)的最佳負(fù)載電阻值，用表示，即 （2.6） 當(dāng)變小時(shí)，放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如C點(diǎn)所示。集電極輸出電流較大，集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。變大時(shí)，放大器處于過壓工作狀態(tài)，如B點(diǎn)所示。集電極電壓雖然較大，但集電極電流凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。設(shè)

13、計(jì)諧振功率放大器為臨界工作狀態(tài)的條件為 （2.7） 式中，為集電極輸出電壓幅度；為電源電壓；為晶體管飽和壓降。過壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的加大，要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。輸出電流的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。圖2-5為丙類諧振功率放大器的負(fù)載特性。 2-5 諧振功率放大器的負(fù)載特性 第3章 丙類功率放大器電路設(shè)計(jì)與仿真分析 3.1放大器電路設(shè)計(jì)要求 本次論文要求用EWB仿真軟件做出一個(gè)符合要求的電路圖，以及對電路的分析和調(diào)試。已知條件：，三極管為N2222A，管子的飽和降壓，。 主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率，工作頻率15MHz，效率，負(fù)載。 確定

14、放大器的工作狀態(tài)：為了獲得較高的效率和最大的輸出功率，選丙類放大器的臨界狀態(tài)，假設(shè)。3.2設(shè)計(jì)電路圖 根據(jù)負(fù)載電阻和最佳負(fù)載可以得到抽頭系數(shù)，p=0.25，同時(shí)根據(jù)工作頻率為15MHZ，可以得出，。 仿真電路圖如圖3-1所示。 圖3-1 高頻功率放大器電路圖具體計(jì)算過程如下：根據(jù)公式（2.7）得最佳負(fù)載 ； 基頻電流振幅為 ；集電極電流脈沖最大值為 ； 直流輸出功率為 ；功率放大的總效率為 ； 諧振回路的總電容為 ；諧振頻率為 ；抽頭系數(shù)為 ，根據(jù)負(fù)載電阻和最佳負(fù)載電阻可以得出抽頭系數(shù)p=0.25。3.3 EWB軟件介紹3.3.1 EWB操作介紹EWB是Electronic Workbeach

15、的縮寫，稱為電子工作平臺，是一種在電子技術(shù)界廣為應(yīng)用的優(yōu)秀計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)軟件，被譽(yù)為"計(jì)算機(jī)里的電子實(shí)驗(yàn)室"。 其特點(diǎn)是圖形界面操作，易學(xué)、易用，快捷、方便，真實(shí)、準(zhǔn)確，使用EWB可實(shí)現(xiàn)大部分硬件電路實(shí)驗(yàn)的功能。EWB可以完成電子工作平臺的設(shè)計(jì)試驗(yàn), 在上面可建立各種電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。電子工作平臺的器件庫可為用戶提供350多種常用模擬和數(shù)字器件，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)可任意調(diào)用。虛擬器件在仿真時(shí)可設(shè)定為理想模式和實(shí)模式，有的虛擬器件還可直觀顯示，如發(fā)光二極管可以發(fā)出紅綠藍(lán)光，邏輯探頭像邏輯筆那樣可直接顯示電路節(jié)點(diǎn)的高低電平，繼電器和開關(guān)的觸點(diǎn)可以分合動(dòng)作，熔斷器可以燒斷，燈泡可以燒毀

16、，蜂鳴器可以發(fā)出不同音調(diào)的聲音，電位器的觸點(diǎn)可以按比例移動(dòng)改變阻值。電子工作平臺的虛擬儀器庫存放著數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表、雙通道 1000MHz 數(shù)字存儲(chǔ)示波器、999MIHz數(shù)字函數(shù)發(fā)生器、可直接顯示電路頻率響應(yīng)的波特圖儀、16路數(shù)字信號邏輯分析儀、16位數(shù)字信號發(fā)生器等，這些虛擬儀器隨時(shí)可以拖放到工作區(qū)對電路進(jìn)行測試，并直接顯示有關(guān)數(shù)據(jù)或波形。電子工作平臺還具有強(qiáng)大的分析功能， 可進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析， 暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，高版本的EWB還可以進(jìn)行傅立葉變換分析、噪聲及失真度分析、零極點(diǎn)和蒙特卡羅等多項(xiàng)分析。使用EWB對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)仿真的基本步驟是： 1. 用虛擬器件在工作區(qū)建

17、立電路；2.選定元件的模式、參數(shù)值和標(biāo)號；連接信號源等虛擬儀器；4.選擇分析功能和參數(shù)；5.激活電路進(jìn)行仿真；6.保存電路圖和仿真結(jié)果。元器件與儀器的連線：當(dāng)元器件和儀器放置好后，就可對元器件和儀器開始連線。先移動(dòng)鼠標(biāo)到要連接的元器件的端點(diǎn)，此時(shí)鼠標(biāo)會(huì)變成一個(gè)小黑圓點(diǎn)，按下鼠標(biāo)并拖動(dòng)它，當(dāng)拖動(dòng)到另一元器件端點(diǎn)時(shí)鼠標(biāo)又變成小黑圓點(diǎn)形狀，此時(shí)松開鼠標(biāo)按鍵，則兩個(gè)元器件間就建立了一根連線。當(dāng)從一個(gè)元器件端點(diǎn)往一根連線上連線時(shí)，拖動(dòng)鼠標(biāo)靠近該線時(shí)線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小黑圓點(diǎn)，此時(shí)松掉鼠標(biāo)則該元器件會(huì)連接到該連線上，并自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)節(jié)點(diǎn)。同樣，當(dāng)往一個(gè)節(jié)點(diǎn)上連線時(shí)也是作同樣的操作。只是線與節(jié)點(diǎn)上可以產(chǎn)生不止一個(gè)

18、的小黑圓點(diǎn)，分別對應(yīng)不同的方向，連線時(shí)應(yīng)注意小黑圓點(diǎn)的朝向。元器件參數(shù)的編輯與修改：用鼠標(biāo)雙擊要編輯的元器件就會(huì)彈出該元器件的參數(shù)對話框，用戶可在該對話框中對它的各種參數(shù)進(jìn)行修改。仿真環(huán)境的設(shè)定：用戶在對電路進(jìn)行仿真之前，要先對仿真分析環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。在菜單欄上依次選取ANALYSIS、ANALYSISOPTION，則彈出ANALYSISOPTION對話框，用戶可對其中的仿真環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如環(huán)境溫度，絕對電流誤差等。對繪制好的電路進(jìn)行仿真：在上述步驟完成后，按下啟動(dòng)按鈕即可進(jìn)行電路仿真。此時(shí)用戶可以對電路的工作進(jìn)行各種分析，如付里葉分析，噪聲分析等等，用鼠標(biāo)雙擊電路中的儀器可以打開儀器面板，

19、通過改變面板上的參數(shù)來改變電路輸入狀態(tài)或查看電路仿真結(jié)果，如改變信號發(fā)生器的輸出波形、幅度和頻率等來改變電路的輸入狀態(tài)，用戶也可以查看它的仿真結(jié)果，如查看萬用表上的指示值，查看示波器上的波形等。3.3.2 EWB軟件中各界面介紹圖3-2 函數(shù)信號發(fā)生器和示波器 函數(shù)信號發(fā)生器：可以根據(jù)需要產(chǎn)生各種頻率及振幅的正弦波、三角波、方波。雙擊其在工作區(qū)的圖標(biāo)，可以顯示設(shè)置函數(shù)信號發(fā)生器所要產(chǎn)生信號的各種參數(shù)的界面。示波器：是觀察電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問題、測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要儀器。雙擊示其在工作區(qū)的圖形可以將其接入點(diǎn)電路的波形顯示出來，并可以調(diào)節(jié)各種顯示參數(shù)大小。圖3-3 EWB軟件基本元器件3.4

20、 仿真結(jié)果及分析3.4.1測量高頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)高頻功率放大器的波形如圖3-4所示。 圖3-4 高頻功率放大器的幅頻特性 根據(jù)波形觀察：放大電路的中心頻率，交流放大倍數(shù)約為32dB，約合40倍，通頻帶900KHZ，以上指標(biāo)均符合要求。3.4.2 調(diào)制特性的仿真分析 改變，但，不變。當(dāng)集電極電壓由小到大變化時(shí)放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。由小變大。當(dāng)直流電壓為2V，10V，15V時(shí)，波形圖分別如圖3-5、圖3-6和圖3-7所示。 圖3-5 直流電壓為2V時(shí)的輸出波形 圖3-6 直流電壓為10V時(shí)的輸出波形 圖3-7 直流電壓為15V時(shí)的輸出波形 直流電壓源電壓由小到大變化過程，即丙

21、類功率放大器由欠壓臨界再到飽和的過程變化。通過觀察輸出波形變化可得：在欠壓到臨界輸出電壓的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電壓的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。3.4.3 放大特性（振幅特性）的仿真分析 高頻功放的放大特性，固定負(fù)載電阻為2K，輸入電壓幅度逐漸升高輸入輸出關(guān)系如圖3-8和圖3-9所示。 圖3-8 輸入為50mV時(shí)的輸入輸出關(guān)系 圖3-9 輸入為300mV時(shí)的輸入輸出關(guān)系當(dāng)U由小增大時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間加長，從而使得集電極電流脈沖寬度和高度均增加，固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大

22、，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。3.4.4 負(fù)載特性的仿真分析放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大，當(dāng)負(fù)載分別為，時(shí)，放大器的輸出電壓分別如圖3-10，圖3-11，圖3-12，圖3-13，圖3-14，圖3-15和圖3-16所示。 圖3-10 =2時(shí)的輸出波形圖3-11 =10時(shí)的輸出波形圖3-12 =40時(shí)的輸出波形圖3-13 =50時(shí)的輸出波形圖3-14 =51時(shí)的輸出波形 圖3-15 =75時(shí)的輸出波形 圖3-16 =200時(shí)的輸出波形 圖3-10，圖3-11，圖3-12，圖3-13，圖3-14，圖

23、3-15，圖3-16描述了負(fù)載由小到大的變化過程，即丙類功率放大器由欠壓經(jīng)臨界再到過壓的過程變化。通過觀察輸出波形的變化可得：在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負(fù)載較大時(shí)，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的加大，下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。以上描述了輸入信號幅度由小到大的變化過程，即丙類功率放大器由欠壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。通過觀察輸出波形的變化可得：在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨輸入信號幅度的增大而增大，電源功率增加、輸出功率將增加，效率將增加。在過壓區(qū)，電源功率基本不變、輸出功率基

24、本不變，效率將增加，效率基本不變?？?結(jié)本次論文的重點(diǎn)是對丙類功率放大器的設(shè)計(jì)和仿真。根據(jù)丙類功率放大器的工作原理以及丙類功率放大器的三種重要特性（調(diào)制特性、放大特性和負(fù)載特性），通過使用EWB軟件對丙類放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。設(shè)計(jì)主要是對丙類諧振式功率放大器的電路參數(shù)進(jìn)行工程估算，進(jìn)一步通過仿真來觀察和分析丙類諧振式功放的調(diào)制特性、負(fù)載特性和放大特性，得到以下結(jié)論：一、直流電壓源電壓由小到大變化過程，即丙類功率放大器由欠壓臨界再到飽和的過程變化。通過觀察輸出波形變化可得：在欠壓到臨界輸出電壓的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電壓的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。二、當(dāng)U由小增大時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間加長，從而使得集電極電流脈沖寬度和高度均增加，固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。 三、負(fù)載由小到大的變化過程，即丙類功率放大器由欠壓經(jīng)臨界再到過壓的過程變化。通過觀察輸