丙类功率放大器的设计与仿真

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ABSTRACTInthisdissertation，thesimulationoftheclass-CresonantPower-AmplifierisgivenindetailbystudyingEWB,byusingwhichtheaccuratesimulationanalysisoftheestimatedcircuitisobtainedaftertheCircuitparametersoftheclass-CresonantPower-Amplifierareestimatedaccordingtothecircuitperformance.Onthebaseofobservingandanalyzingloadcharacteristics,amplifycharacteristicsandmodulationcharacteristics,optimizedCircuitPerformanceareobtainedbyadjustingthecircuitparametersforthepurposeofmeetingthedemandsofthedesign.Keywords：EWB；classCamplifier；amplificationcharacteristics；loadcharacteristics目录第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....................................................83.3EWB软件介绍..................................................93.3.1EWB操作介绍............................................93.3.2EWB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...............................................................21第1章前言1.1研究背景随着无线通信技术的高速发展，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]2[。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[。21.3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]3[。3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c的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的导通角0=180c，效率最高也只能达到50%，而丙类功放的导通角c0≤90，效率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。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]5[。集电极电源0V提供的直流功率为CCCUIP00（2.1）式中，0CI为余弦脉冲的直流分解系数。4C0cmc()II（2.2）式中，CMI为余弦脉冲的最大值；0c（）为余弦脉冲的直流分解系数。（2.3）式中，BB'U为晶体管的导通电压；BBV为晶体管的基极偏置；bmV为功率放大器的激励电压振幅。集电极输出基波功率为2211111222CCCCLLUPUIIRR（2.4）式中，CU为回路两端的基频电压，C1I为余弦电流脉冲基频电流，LR为回路的谐振阻抗。集电极效率为（2.5）式中，,为集电极电压利用系数；1()c为余弦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ooc=6080～。2.3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BBV，bmV和Re一定，放大器性能随CCV变化的特性，当CCV由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，ci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CCV，bmV和Re一定，放大器性能随BBV变化的特性，当bmV一定时，BBV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。BBBBbmUU'cosUcarcyIUIUPPCCCCC21210101CCLCCCCURIUU15图2-2放大器性能随CCV变化的特性图2-3放大器性能随CCV变化的特性2.3.2放大特性（振幅特性）放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-4所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、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，6随着Vbm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CU随负载电阻LR的增大而增大，而电流CMAXI、1CI、0CI基本不变，输出电流的振幅基本上不随CCU变化而变化，故输出功率基本不变。临界状态：负载线和bU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PR表示，即20()2CCCESPVURP（2.6）当PR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。PR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cescmccUUV（2.7）式中，cmU为集电极输出电压幅度；ccV为电源电压；cesU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LR的加大，1cI要下降，7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ccV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