《并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器設(shè)計》7200字（論文）

并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器設(shè)計摘要帶有并聯(lián)電容的開關(guān)模式E類功率放大器因為其設(shè)計簡便和高效地運行在工業(yè)設(shè)計中被廣泛采用。它們的負載網(wǎng)絡配置包括并聯(lián)電容，串聯(lián)電感和調(diào)諧至基本頻率的串聯(lián)濾波器，以提供高水平的諧波抑制。在E類功率放大器中，晶體管用作通斷開關(guān)，電流和電壓波形的形狀提供了當高電流和高電壓不同時重疊的條件，從而使功耗最小化并最大化功率放大器的效率。本文通過使用Multisim軟件給出了一種含有并聯(lián)電容的E類功率放大器的設(shè)計方法，對E類功率放大器中的并聯(lián)電容進行了詳細的描述與介紹,對并聯(lián)電容在E類功率放大器中的地位與作用進行了分析并進行針對性的仿真，從而得到一定的成果。關(guān)鍵詞：并聯(lián)電容E類功率放大器multisim仿真目錄1緒論 11.1研究背景與意義 11.2本文研究內(nèi)容 12E類放大器原理 32.1傳統(tǒng)功率放大器分析 32.2并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器原理分析 43并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器設(shè)計 63.1并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器參數(shù)推導 64系統(tǒng)仿真 104.1仿真軟件multisim介紹 104.2系統(tǒng)仿真 105總結(jié)與展望 165.1研究總結(jié) 165.2研究展望 16參考文獻 171緒論1.1研究背景與意義在電子電路發(fā)展歷程中，放大電路是非常重要、非?；A(chǔ)的一種應用電路。功率放大電路是常用的電子電路，其應用十分廣泛。在電源電路中能進行調(diào)壓或者移項控制等等，在外部設(shè)備中經(jīng)常應用于功放等音像設(shè)備、或者是一些需要功率放大的應用場景，例如超聲波的應用、無線電能傳輸?shù)鹊?。隨著特斯拉的崛起，智能電動車時代日益臨近，人類對自動駕駛不再是幻想，而超聲波技術(shù)將會是自動駕駛中一個非常重要的核心控制組件。在超聲波技術(shù)中利用了功率放大，然后在自動駕駛這一高精度的應用領(lǐng)域中，更加要求功率放大的穩(wěn)定性、高效性。無線充電技術(shù)的普及，使得無線電能傳輸也受到了資本的追捧，無線電能傳輸需要更高效率的功率放大器、需要其穩(wěn)定性高、效率高、良好的放大系數(shù)。另外隨著通信技術(shù)的發(fā)展，5G應用的普及，這些新領(lǐng)域中，它們對功率放大具有較高要求，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)量日益變大，對于功率放大器來說，需要越來越寬的傳輸頻段，也需要保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｒ虼?，越來越多的研究人員傾向于采用新型的功率放大模式，有別于傳統(tǒng)功率放大器的E類功率放大器便孕育而生。E類功率放大器是利用開關(guān)管的啟動和閉合,使得開關(guān)管的能量損耗減少到最小，所以E類功率放大器相對于其他傳統(tǒng)的放大器而言，效率有明顯提高。本文根據(jù)E類功率放大電路的基本原理圖設(shè)計了含有并聯(lián)結(jié)構(gòu)的E類功率放大電路，并在multisim中進行仿真，獲得較好的效果。因此，研究E類功率放大器具有非常好的時代性與先進性。作為畢業(yè)論文的研究核心，不僅反映了所學知識，也是展開了進一步的學習，對現(xiàn)在流行應用的認知與探索。1.2本文研究內(nèi)容根據(jù)本文的研究背景與意義，E類功率放大器具有很強的可行性。越來越多的設(shè)備已經(jīng)在研發(fā)甚至實際使用之中。在未來前景上，E類功率放大器系統(tǒng)有著非常美好的未來，5G應用的到來將大大改善人類的生活，5G應用也帶來了大量新型設(shè)備、更高效的電子器件的出現(xiàn)，極大的提高了這些5G設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。電子產(chǎn)品作為人類現(xiàn)代生產(chǎn)生活中必需品，它將伴隨著人類歷史，并將不斷改進優(yōu)化。隨著人類科技技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對電子的低噪音、材料的環(huán)保、能耗效率的提高的要求與追求也會越來越高。未來，功率放大器的類型和數(shù)量也必將隨著時代變化而產(chǎn)生巨變。本文將分為五個章節(jié)：第一章將介紹本文的應用背景與意義，詳細闡述了不久將來智能時代下，電子產(chǎn)品的革新與應用，功率放大器作為電子產(chǎn)品的一部件，其隨著電子發(fā)展而發(fā)生的巨大革新，因此這也是本文研究的意義。第二章將介紹E類放大器的原理，首先介紹傳統(tǒng)甲類放大器、推挽式放大器的工作原理與特點，再進一步介紹并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器的工作特點與優(yōu)勢。第三章將重點介紹對并聯(lián)結(jié)構(gòu)的E類放大器參數(shù)的推導。第四章進行系統(tǒng)仿真。對multisim軟件進行簡單介紹，進行相關(guān)原理圖的設(shè)計與對仿真數(shù)據(jù)以及結(jié)果進行重點分析。第五章總結(jié)與展望，對本文研究進行總結(jié)，對本文研究中的結(jié)論與不足進行分析，對未來研究與發(fā)展進行展望。2E類放大器原理2.1傳統(tǒng)功率放大器分析功率放大器的工作效率由其在輸出網(wǎng)絡的傳輸效率和放大器件效率這兩個主要部分組成。功率放大器本身的實質(zhì)就是一個能量轉(zhuǎn)換器,，將直流電源電路提供的直流能量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成交流能量。根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類如下：線性功率放大器：甲類（A類）、乙類（B類）、丙類（C類）開關(guān)型功率放大器：丁類（D類）、戌類（E類）射頻信號功率電流放大器根據(jù)測量電流的導向和通角不同,可將其類別分為甲類（A類）、乙類（B類）、丙類（C類）這三類工作狀態(tài)。假使晶體管在信號的整個周期內(nèi)均導通（導通角為360度），稱之為甲類（A類）；如果晶體管僅在信號的正半周或負半周導通（導通角為180度），稱之為工作在乙類（B類）；假如晶體管的導通時間大于半個周期而且小于整個周期（導通角在180-360°之間），稱之工作在甲乙類（AB類）；倘若晶體管的導通時間小于半個周期（導通角小于180°），稱之工作在丙類（C類）；如果晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，此時管子僅在飽和導通時消耗功率，稱之工作在丁類（D類）。下面列舉了各類放大器的特點，如表2-1所示。表2-1各類功率放大電路特點電路類型效率失真度工作區(qū)域特性甲類低無失真飽和區(qū)散熱差、成本高乙類較高嚴重放大區(qū)發(fā)熱小甲乙類一般一般微導通應用廣泛丙類高很大通信用途丁類最高小導通區(qū)域乙類（B類）以及丙類（C類）都十分適用于大功率工作狀態(tài)，丙類（C類）工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，并且丙類只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然很好的接近于一個正弦波形，失真很小。傳統(tǒng)的線性功率放大器雖然具有高增益和高線性度，但是效率較低，而開關(guān)功率放大器則具有高效率和高輸出功率，但是線性度較差。2.2并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器原理分析E類功率放大器，也被廣泛地稱作為E類開關(guān)調(diào)諧功率放大器，是近些年引起較多關(guān)注與重視的功率放大器結(jié)構(gòu)形式之一。它工作在開關(guān)狀態(tài)，具有電路結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)的優(yōu)勢，它的理想功率轉(zhuǎn)換效率為100%。這些特性的優(yōu)勢使得E類功率放大器極其適合用作于高頻電路的功率放大器。具有并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器之設(shè)計方案最早于1975年由N.0.Sokal和A.D.Sokal提出其基本模型。其中，晶體管作為通斷開關(guān)，并在開關(guān)狀態(tài)下工作，電壓與電流的成型必須要提供一個條件：高電流和大電壓不會同時出現(xiàn)。這減小了功耗，并且增大了功率放大器的效率。由于它簡單的結(jié)構(gòu)并且具有較高的效率，E類功率放大器被廣泛地應用于各種頻率范圍，其功率范圍在1W到幾KW之間。圖2-1具有并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器的基本電路E類功率放大器的特性是由它在穩(wěn)態(tài)的條件下的集電極的電壓波形與電流的波形來確定的。包含并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類功率放大器的基本電路如圖2-1所示，其中它的負載網(wǎng)絡是主要是由與晶體管（開關(guān)管）并聯(lián)的電容C、電感L、串聯(lián)L0C03并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器設(shè)計3.1并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器參數(shù)推導本節(jié)將重點介紹并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器參數(shù)選擇，上一章已經(jīng)詳細闡述了傳統(tǒng)功率放大器與并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器的工作原理。在計算放大電路中的各項參數(shù)中，我們先給定了如下一些假設(shè)條件，以便研究。線圈RFC是理想線圈，其可以完全濾除所有頻率的的交流信號，而且對于直流信號不會產(chǎn)生損耗；開關(guān)Q1的控制占空比為50%的最佳工作模式；開關(guān)管的導通瞬間同時滿足電壓為零和電壓導數(shù)為零兩個條件。Vd式子中的V(ωt)表示為Q1開關(guān)元件的漏電壓。如表3-1所示為E類放大器所用的所有數(shù)據(jù)電路參數(shù)。表3-1E類功率放大器參數(shù)參數(shù)參數(shù)符號直流電壓V直流電流I負載電流I并聯(lián)電容電流I開關(guān)管電流I并聯(lián)電容C串聯(lián)電容C串聯(lián)諧振電感L串聯(lián)負載電感L匹配電容C參數(shù)參數(shù)符號匹配電感L匹配電阻R匹配前電阻R開關(guān)管漏極的瞬時電流在開關(guān)關(guān)閉的瞬間應為零值，具體公式如下表示：I根據(jù)基爾霍夫電流定律，得知開關(guān)的漏極電流等于負載電流與直流電流之和：I=由基爾霍夫電壓定律，我們可以得到V通過之前的推論，我們可以得出相位值為φ=?32.43o，代入上式：ωLext下一步就是要求諧振串聯(lián)部分的元器件參數(shù)，Lres和Cl。頻率和負載的值已經(jīng)在前面的論述中給出。下一步要確定的就是共振電路的Q值。Q值沒有嚴格的要求，Q值的選擇受三個方面制約：一是給負載提供低諧波成分的電壓；二是要保證高效率；三是如果有諧波壓縮所用的濾波器的話，要考慮濾波器的復雜度。Q值的選擇在這三個因素中折中選擇。確定了諧振電路的Q值之后，我們就可以確定其他兩個元器件。CLE類放大器用于經(jīng)皮能量傳輸時，負載阻抗網(wǎng)絡的特性有可能會發(fā)生變化。負載網(wǎng)絡發(fā)生變化，則原來工作于最佳調(diào)諧狀態(tài)的放大器會失調(diào)，放大器不再滿足ZVS和ZDS條件。E類放大器在高頻加熱的應用中同樣存在這樣的問題。要全面地考察在這些應用中的不同條件下E類放大器的工作狀態(tài)和傳輸功率、傳輸效率等因素，作出優(yōu)化設(shè)計。最后需要確認的參數(shù)就是匹配電路的參數(shù)。通常，E類放大器的最終負載會比較小，通常為幾歐姆。而E類放大器的標準輸出電阻一般為50歐姆。L匹配是一個較好的方法，可以將小電阻匹配為指定值并提供一些額外抑制諧波的作用。如果最終負載為Rl，那么匹配網(wǎng)絡的元器件參數(shù)可由以下公式求得：CL最終，串聯(lián)電路上的電感值應為：LQ1開關(guān)管作為控制的核心，其作用毋庸置疑。因此對于本文來說選擇一款合適的開關(guān)管十分重要，開關(guān)管一般有三極管、MOS管和IGBT，三極管一般作用是驅(qū)動小電流，而mos管驅(qū)動能力更強些，一般用于電機驅(qū)動，而IGBT一般使用于大功率電力電子設(shè)備之中。然而本文沒有使用條件的限制，因此本文可以隨意選擇開關(guān)管的類型。根據(jù)上一節(jié)的參數(shù)，本文對E類放大器進行了一系列的仿真。開關(guān)管選用IRFB4020，IRFB4020具有一系列優(yōu)良的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)本文所需功能。表4-1IRF4020的性能參數(shù)參數(shù)參數(shù)大小V200VR80Q18ncQ6.7ncR3.2從表中可以看出，IRFB4020的漏極電壓可達200V。除此之外，IRFB4020還具有以下特性：該開關(guān)管的開關(guān)速度快，延時基本可以忽略。RDS(ON)較小，因此開關(guān)管的消耗功率可以減少到最低值。負載功率大，最大可以負載300W（8?）的輸出功率,功率損耗為100W耐高溫，最高工作溫度為175攝氏度。因此，在此次仿真實驗中取輸入功率為200W。圖4-1表示了E類放大器在理想狀態(tài)下的工作波形。在理想狀態(tài)下，當開關(guān)管關(guān)閉時，漏極電流一直保持為零，漏極電壓為接近正弦電壓，其峰值大約為直流電壓Vcc的3.5倍。圖4-1E類放大器漏極電壓電流理論峰值在開關(guān)管閉合的最后階段，開關(guān)管漏極電壓趨近于零，并且下降趨勢緩和，導數(shù)也在接近零值的狀態(tài)。當開關(guān)開啟時，漏極電壓降為零并且在開關(guān)管導通階段一直處于零值的狀態(tài)，電流出現(xiàn)上升態(tài)，并在達到最高值后下降，最高值可以達到直流電流I0的2.86倍。原則上，除負載之外沒有元器件消耗能量。實際上，由于電感的阻值不可能為零，且開關(guān)管上有寄生電阻等存在，因此E類放大器會有一定的能量損耗。理論上，采用E類放大器的放大電路，效率能夠達到90%。4系統(tǒng)仿真4.1仿真軟件multisim介紹圖4-1multisim界面本文主要采用仿真軟件multisim進行對并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器的仿真。NImultisim14.0是一款美國國家儀器有限公司（NI）自主開發(fā)并用于提供功能強大的可集成化的微電路過程模擬和系統(tǒng)仿真的應用軟件，可以對電路進行建模，在電腦上進行仿真，還支持圖形的優(yōu)化及后期編輯處理。multisim告別了復雜的編程式仿真，采用圖形化輸入，將庫中的元件放入電路圖中便能自動生成網(wǎng)表進行仿真和模擬。因此，multisim有廣泛的應用，除了進行電路的仿真與模擬外，還大量的用于電子電路的教學與演示之中。multisim與CAD或protel等印制電路軟件進行聯(lián)合開發(fā)，可實現(xiàn)電子電路程式化開發(fā)。因此，multisim被公認為一個非常適合做仿真的軟件。4.2系統(tǒng)仿真本文采用multisim對放大器模塊進行仿真，仿真參數(shù)基于理論計算值進行部分修改，開關(guān)管采用IRFB4020，信號源的頻率為20kHz，幅度為15V。圖4-2并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器multisim仿真原理圖外接一個示波器XSC1測柵極電壓與漏極電壓如圖4-3所示：圖4-3示波器XSC1接線示意圖在E類功率放大電路中,并聯(lián)電容的作用很重要,它主要用來確保晶體管在截止后的一段時間內(nèi),使柵極的電壓保持一個十分低的數(shù)值,直至柵極的電流被減小至零。E類功率放大器實現(xiàn)高效率工作的必要條件之一便是柵極電壓的延遲上升。本文首先取并聯(lián)電容為40nF，73nF和100nF時，進行開關(guān)管漏極電壓波形的比較，選取1個符合期望的并聯(lián)電容數(shù)值。通過仿真，我們可以得到柵極電壓（紅）與漏極電壓（綠）的波形為電容C分別取以上三個不同數(shù)值時輸出電壓的波形。如圖4-4，4-5，4-6所示。圖4-5C=40nF時漏極電壓波形仿真圖4-6C=73nF時漏極電壓波形仿真圖4-7C=100nF時漏極電壓波形仿真改變并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的電容的大小，觀察輸出波形，發(fā)現(xiàn)電容越大，輸出電壓越小。其中當并聯(lián)電容為40nF時輸出電壓最大，并聯(lián)電容為100nF時輸出電壓最小，但是失真程度較大。從上圖4-6中可以看出，當開關(guān)管Q關(guān)閉時，漏極電壓基本呈現(xiàn)半個正弦波，當開關(guān)管開啟時，漏極電壓降為零值，且漏極電壓下降趨勢減緩，導數(shù)值趨近于零，能夠防止在開關(guān)開啟時產(chǎn)生瞬時電流?？傮w來說，選取并聯(lián)電容為73nF時漏極電壓值符合理論預期。上圖4-6中，漏極電流基本與理論分析中相合，在2.084ms處出現(xiàn)尖峰。通過分析，應該為該周期內(nèi)，并聯(lián)電容的漏極電壓在開關(guān)管導通前沒有下降至零值，從而導致了開關(guān)管的瞬間短路。由于大部分周期內(nèi)電流都能保證為正常值，并且該尖峰值持續(xù)時間短，不會對電路產(chǎn)生巨大影響，因此該現(xiàn)象在允許范圍內(nèi)。圖4-8輸出頻譜圖圖4-9輸入頻譜圖圖4-8，4-9分別為輸出/輸入頻譜圖，通過這兩張圖，可以清楚地看出，其中的輸出信號和接收器輸入信號的頻率組合成分大致相同。兩張圖中的下半段被稱為輸入信號的時序波形,可見輸出信號與輸入信號之間仍然存在著一種線性的關(guān)系。接著，在仿真系統(tǒng)中，外接一個示波器XSC2測出負載電壓如圖4-10，圖4-11所示：圖4-10示波器XSC1接線示意圖圖4-11負載電壓波形圖由圖4-11所示我們所給的負載電壓的峰值已經(jīng)接近40V，滿足我們的設(shè)計要求。根據(jù)公式η=進行運算：Pη=174.8W÷200W=87.4%#由公式（4-3），我們可以得到此并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器效率值為87.4％，得到了理想的效果。5總結(jié)與展望5.1研究總結(jié)本文完成了系統(tǒng)里面的模塊設(shè)計與實現(xiàn)，主要的立足點也是在課題過程里面的設(shè)計思路與實現(xiàn)的方法，總結(jié)起來主要含有一下幾個方面：（1）論述了功率放大器的應用背景與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，詳述了并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器系統(tǒng)的意義。（2）說明了并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器的工作原理、系統(tǒng)特征，對比分析各種功率放大器的特點，選擇合適的并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器參數(shù)。（3）研究了基于multisim的硬件電路仿真軟件。給出了并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器的原理圖，對每個參數(shù)做了簡要說明。選取了幾個不同數(shù)值的電容并建立了仿真模型，比較它們對波形的影響并進行分析。5.2研究展望含有并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器的基本結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)提出了多年，然后這個僅由數(shù)個元件組成的電路仍然得到許多研究者的關(guān)注。盡管關(guān)于并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器電路設(shè)計的理論已經(jīng)比較成熟，而且在工程上也已經(jīng)得到廣泛應用然而對于如何適應負載或者其它電路參數(shù)變化以保證高效功率轉(zhuǎn)換的理論還在發(fā)展之中。通過推廣阻抗概念，把并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器電路作為特殊的阻抗網(wǎng)絡分析是一種新穎的分析方法。未來可以在這個理論的基礎(chǔ)上繼續(xù)得出更多并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器電路的內(nèi)在關(guān)系。本文從電路、原理是上設(shè)計了并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)的E類放大器，實現(xiàn)了功率放大等基本信息等基本功能。從原理上進行了論述，在電路上進行了一定的驗證，并且結(jié)合multisim仿真軟件，進行了相關(guān)仿真分析。但是對于開關(guān)管的控制上，元器件的選型上、節(jié)能控制、是否可以更加人性化，還有待在后期工作中，可以通過產(chǎn)品的制作來驗證本文思想。參考文獻高葆新,梁春廣.高效率E類放大器(續(xù))[J].半導體技術(shù),2001,026(010):58-61.李均鋒,廖承林,王麗芳.基于E類放大器的中距離無線能量傳輸系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報,2014,29(9):7-11.劉平,曾波.E類放大電路中晶體管的功率損耗[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(16):178-180+183.梁俊睿.E類放大器原理及其在經(jīng)皮能量傳輸應用中的研究[D].上海交通大學.曹偉炯,孫文賓.高效率E類放大器的一種調(diào)整方法[J].南京航空航天大學學報,1990.丹尼爾·林肯,保羅·班尼特.具有感性箝位電路的e類放大器:CN.胡長陽.D類和E類開關(guān)模式功率放大器[M].高等教育出版社,1985.高鎮(zhèn),于廣強,劉寧.基于E類放大器的電場耦合式水下無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].河海大學學報(自然科學版),2019(6).張敏,張元良,李瑞品.基于E類功率放大器的雙頻超聲治療系統(tǒng)研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2019,040(006):16-20.王曉蕾,葉坤,王月恒,等.一種55nmCMOS5GHz高效E類射頻功率放大器[J