LC谐振放大器

LC谐振放大器摘要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功率输出，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。

由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。

本次设计先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，最后设计出整体电路图，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，最后焊接并调试电路。

关键词：高频谐振功率放大器谐振回路耦合回路工作状态AbstractHigh frequency power amplifier is an important part of the equipment to send one of communication, circuit, in order to make up for in process of wireless transmission signal attenuation requirements with greater transmitter output power and communications, the farther the distance, the greater the output power requirements. So in order to get enough high frequency output power, must use high frequency power amplifier. Due to the high frequency power amplifier high frequency band, relatively narrow, so the general use of the web as a load circuit choose frequency.The first design of the high frequency power amplifier theory knowledge about some briefly introduced, and then the performance index analysis in based on the circuit design, and in the end the design unit circuit diagram, a whole in software simulation verify whether attain the technical requirements of the simulation results on analysis, the final installation and debugging circuit circuit.Keywords：High-frequency resonant power amplifier Resonant circuitCoupling Loop Working condition一、方案比较与论证1．基本方案根据要求，需要设计并制作一个低压、低功耗的LC谐振放大器；为了便于测试，在放大器的输入端插入一个40dB的固定衰减器。

电路框图如下：图1-1电路基本框图2．各模块方案的确定2.1衰减器衰减器一般采用电阻元件，有两种主要电路形式：π型和T型。

如图1-2所示：图1-2 射频功率衰减器电路类型将很小，由于受引线和焊点的当衰减的分贝数较大时，在T型衰减器中R1影响，阻值过小很难保证其精度，从而影响衰减的准确度。

如题中，输入输出阻抗为50Ω，衰减为40dB时，T型衰减器中R≈49.01Ω，R≈1.00Ω，而π型衰1≈2.5kΩ，所以，当要求衰减较大时用π型衰减器较合适，减器中R≈51.01Ω，R1因此，本电路设计采用π型衰减器。

2.2 LC谐振放大器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。

根据放大器的流通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同功率类型的放大器。

电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。

为了达到题目要求的增益不小于60dB，须采用两级功率放大器，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。

本设计有以下两种方案：方案一：采用甲类功率放大器，为了提高增益，电路须采用两级甲类放大，但是甲类功放的流通角θ=180o，效率最高也只能达到50%。

方案二：采用一级甲类功率放大器，另一级采用丙类功率放大器，丙类功放的θ<90o ，效率可达到80%，同时又达到题目所要求的增益。

综上所述，我们采用了方案二。

二、主要电路设计与计算1．衰减器的设计1.1电路形式衰减器一般采用电阻元件，对该设计要求的衰减器而言，一般不需要进行阻抗变换，即：输入阻抗和输出阻抗相等，电路呈对称形式，所以R 2和R 3取相同的阻值。

电路如图所示：图2-1 衰减器1.2 电路分析计算设信号源的输出阻抗和负载阻抗均为R 0，电压衰减倍数为A T =V in /V out ，V in 和V out 分别为衰减器的输入电压和输出电压，R 2=R 3=R ，如图2-2所示：图2-2 π型衰减器的计算虚线框内是为了计算方便虚加的。

这样已知R 0和A T ，要确定R 1和R 的值。

根据阻抗匹配条件，从V in 往右看对地阻抗等于信号源的输出阻抗R 0，即：R ∥（R 1+R ∥R 0)=R 0 得:1001)()(R R R RR R R R R RR R R =+++++即：00001R R RR R R RR R -=++根据电压衰减倍数的要求： A T = V in /V out 因为:in out V R R R R R V 010////+=即：则：由以上各式得：即：OT T R A A R 2121-=所以π型电路的计算公式为：011R A A R T T -+=02121R A A R TT -=根据题中给出的特性阻抗为50Ω，衰减量为40dB ，可以计算出 A T =100 R ≈51.01Ω R 1≈2499.75Ω2 LC 谐振放大器的设计2.1谐振功放基本电路组成如图所示为高频功率放大器的基本电路。

为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。

我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。

由图可知基极直流偏压V BB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN 型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC 是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。

+ –v b –i B – + V BB– +V CC– + e c C– +v c L输出i E i c e b图2-3 高频功率放大器基本电路图2-4为谐振功率放大器各级电压和电流波形。

图2-2 谐振功率放大器各级电压和电流波形图2-4 谐振功率放大器各级电压和电流波形2.2 集电极电流余弦脉冲分解 当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。

这适用于欠压或临界状态。

晶体管的内部特性为：i c = g c (e b –V BZ )它的外部电路关系式：e b = –V BB + V bm cos ωt e c = V CC –V cm cos ωt当ωt=0时，(a )(b )(c )(d )ω ti C U o n转移特性iCω tω tω tω tω tU b m－θθu BEu b－θθi CmaxU o n U BBu BE i Bi Cu CE U CC U CEminθθ－θθθ－θU b mU BB(e )i c = i c max因此，i c max = g c V bm (1–cos θc )若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得i c =I c0+I cm1cos ωt+I cm2cos2ωt+…+I cmn cosn ωt+…由傅里叶级数的求系数法得其中图2-5 尖顶脉冲的分解系数由图可见，当θc≈120︒时，Icm1/Icmax 达到最大值。

在Icmax 与负载阻抗Rp 为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。

这样看来，取θc=120︒应该是最佳通角了。

但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。

为了兼顾效率和功率，常常取导通角70度左右。

2.3 谐振功率放大器的动态特性 （1）谐振功放的三种工作状态θ / ︒α1/α0=γ1α0α1α2α3α0 , α1 , α2 , α32.0 1.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0)()(max max 10max 0C n C cmn C C cm C C C i I i I i I θαθαθα==)(=1)cos 1)(1(sin cos cos sin 2)()cos 1(sin cos )()cos 1(cos sin )(210c c c c c c n c cc cc c cc c c n n n n n θθθθθπθαθπθθθθαθπθθθθα---⋅=--=--=在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：①欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方 ②过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区 ③临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。

如图2-6为电压、电流随负载变化的波形图。

图2-6 电压、电流随负载变化波形高频放大器的工作状态是由负载阻抗R p 、激励电压V b 、供电电压V CC 、V BB等4个参量决定的。

为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。

（2） 谐振功率放大器的外部特性 Ⅰ 负载特性如果V CC 、V BB 、V b 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。

此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随R p 而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

①欠压状态：B 点以右的区域。

在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic 1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R 的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。