丙类谐振功率放大器电路设计

邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）目录1前言.....................................................12丙类谐振功率放大器........................................12.1BJT使用注意事项..........................................12.1.1集电极最大允许电流ICM....................................22.1.2集电极最大允许耗散功率PCM................................22.1.3二极管击穿耐量PSB.......................................22.1.4发射极开路,集电极-基极间反向击穿电压U(BR)CEO.................22.2丙类谐振功率放大器电路....................................22.3丙类谐振功率放大器工作原理................................42.4丙类谐振功率放大器电路分析................................42.4.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路..................52.4.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路..................52.4.3匹配网络...............................................62.4.4VBB、VCM、VBM、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析...........63丙类谐振功率放大器电路的设计.............................113.1丙类谐振功率放大器设计...................................113.1.1晶体管的选择...........................................11邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）13.1.2判别三极管类型和三个电极的方法..........................123.1.3电容的选择............................................123.2电路设计与分析...........................................133.2.1电路设计基本事项.......................................133.2.2电路设计与分析.........................................143.3电路仿真................................................153.3.1ELECTRONICSWORKBENCHEDA简介..........................153.3.2基于EWB电路仿真用例...................................154对丙类谐振功率放大器的展望...............................17结论.....................................................17谢辞.....................................................18参考文献................................................19邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）11前言电子技术迅猛发展。由分立元件发展到集成电路，中小规模集成电路，大规模集成电路和超大规模集成电路。基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器在当今和未来社会中的作用日益增加。高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗，要求发射机具有较大的输出功率，而且，通信距离越远，要求输出功率越大。所以，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛的应用，而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高的社会价值。这里主要介绍放大器核心部件BJT，丙类谐振功率放大器的电路组成及其原理，设计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真，以及对丙类谐振功率放大器发展的展望。2丙类谐振功率放大器2.1BJT使用注意事项晶体管作为放大器的核心部件，为使电路发挥其更高价值，一定要注意，在使用晶体管时，让其工作在安全工作区内，安全工作区如图2-1-1所示。图2-1-1晶体管安全工作区邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）22.1.1集电极最大允许电流ICM当IC超过ICM后，放大器性能降低，若IC过大也可能烧坏晶体管。2.1.2集电极最大允许耗散功率PCM晶体管在集电极上产生的功耗使集电结发热，超过集电结的最大耗散功率后，晶体管可能会被烧坏，大功率管中为提高PCM，一般外装散热器。2.1.3二极管击穿耐量PSB由于二次击穿是不可逆的,在使用时必须要求不发生二次击穿。2.1.4发射极开路,集电极-基极间反向击穿电压U(BR)CEO使用时,集电结电压超过U(BR)CEO后,会使晶体管造成永久性损坏或功能下降。2.2丙类谐振功率放大器电路在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允许范围内）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在允许的范围内），通常采用丙类谐振功率放大器。本章主要介绍丙类谐振功率放大器的电路组成和工作原理并对各种状态进行分析。在丙类谐振功率放大器中，管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成。如图2-2-1所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它与CC构成电源滤波电路,需要在信号频率上，LC的感抗很大，接近于开路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈，造成工作不稳定。由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅,因此,在基极通常采用自给偏置电路,如图2-1-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生的压降，电路中LB为功率管基极电路提供直流通路。滤波匹配网络介于晶体管和外接负载之间,充分滤除不需要的高次谐波,以保证负载上的输出基波功率。邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）3图2-2-1集电极直流馈电电路（串馈）图2-2-2自给偏置电路图2-2-3为丙类谐振功率放大器的简单基本电路,输入端采用自给偏置电路,输出端为集电极直流馈电电路(串馈)。图2-2-3丙类谐振功率放大器的简单基本电路邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）42.3丙类谐振功率放大器工作原理图2-3-1为丙类谐振功率放大器原理图,为实现丙类工作,基极偏置电压VBB应设置在功率的截止区。输入回路由于功率管处于截止状态，基极偏置电压VBB作为结外电场，无法克服结内电场，没有达到晶体管门坎电压，从而，导致输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度小于90o。由iC≈βiB知，iC也严重失真，且脉宽小于90o。输出回路若忽略晶体管的基区宽度调制效应以及结电容影响,在静态转移特性曲线(iC～VBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列,脉冲宽度小于半个周期。图2-3-1丙类谐振功率放大器原理图由Dirichlet收敛定理可知,可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗很大，且为纯电阻。而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，这样，在负载上得到了所需的不失真的信号功率。2.4丙类谐振功率放大器电路分析本节主要在丙类谐振功率放大器管外电路进行分析，谈论VBB、Vbm、VCC和Vcm对放大器的影响。邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）52.4.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路我们知道,丙类谐振功率放大器输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电压，采用这种方式可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出的作用。但要注意,存在自给偏置电路的丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号(载波、调频信号)而不适宜放大调幅信号，否则调幅信号包络将会失真。常用的基极偏置电路见图2-4-1(输出回路均以略去)所示。图2-4-1基极偏置电路现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图2-4-1（b）所示，当电源V1电压处在正半周期且电压振幅大于PN结门坎电压时，基极导通，此时，记流经C2的电流为i1，一个周期内的其他时间处于截止状态，此时，记流经C1的电流为i2。显而易见，基极导通时流经C2的电流i1大于截止时的电流i2，即i1＞i2。C2两端的电压关系为Ui1＞Ui2.由于基极相对于地的电压波形为正半周期幅度小于负半周期幅度,由傅里叶级数可知，它的平均分量为负，使功率管发射结正偏，处于截止状态。2.4.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路集电极直流馈电电路有两种连接方式:串馈和并馈。所谓串馈是指,将直流电源、匹配网络和放大管串接起来的一种方式。如图2-4-2(a)所示,图中LC为高频扼流圈,CC为电源滤波器,ZL为电抗。要求LC对信号频率的感抗很大,接近开路,CC的容抗很小,接近短路,是为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定。邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）6图2-4-2(a)串馈电路、图2-4-2（b）并馈电路并馈电路是把直流电源、匹配网络和放大器并接起来的一种馈电方式，如图2-4-2（b）所示，图中LC为高频扼流圈，CC1为隔值电容，CC2为电源滤波电容，要求LC对信号频率的感抗很大，接近开路，CC1和CC2的电容很小,接近短路。2.4.3匹配网络匹配网络介于晶体管和负载之间，在丙类谐振功率放大器电路中的作用非常重要，具有阻抗转换、滤除高次谐波和高频率传送能量的作用。2.4.4VBB、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析1负载特性所谓谐振功率放大器的负载特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能随Re变化的特性。利用准静态分析法对负载特性进行分析，画出电路的特性曲线，如图2-4-3所示。由图2-4-3看以看出,当A′沿UBE0曲线由右向左移动(即A′→A″→A，，，方向移动)时，电路状态将发生变化，曲线①较陡，近似直线斜率绝对值较大，从而，Re较小；曲线②较缓，近似直线斜率绝对值较小，因此，Re较大.所以,在A′→A″→A，，，移动的过程中Re由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状态，相应的iC由余弦变化脉冲变为中间凹陷的脉冲波，用傅里叶级数将电流脉冲iC分解，即iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…，可画出ICO和Ic1m随Re变化特性,如图2-4-4所示。由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC=PD-Po,ηC=Po/(PD+Po)，可画出Vcm、Po、PD、邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）7PC、ηC随Re变化曲线,如图2-4-5所示。图2-4-3谐振功率放大器电路特性曲线图2-4-4ICO和Ic1m随Re变化特性邢台学院2011届本科生毕业论文（设计）8图2-4-5Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re变化曲线2调制特性集电极调制特性是指VBB、Vbm和Re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波形也将由接近余弦变化的脉冲