高频LC谐振功率放大器--剖析

天津天狮学院《高频电子线路》设计报告题目：高频LC谐振功率放大器专业：(本)14级电子信息工程班级：2班姓名：黄霞天津天狮学院信息与自动化学院2016年 5月 15日高频电子线路课程设计目录前言 (2)1 高频LC谐振功率放大器原理 (3)1.1 原理电路 (3)1.2 高频功率放大器的特性曲线. (4)1.3 功率放大器的三种工作状态 (6)1.4 高频功率放大器的外部特性 (6)2 高频LC谐振功率放大器电路设计 (7)2.1 实验电路参数计算 (7)2.2高频LC谐振功率放大器设计电路 (7)3高频谐振功率放大器电路的仿真与分析 (8)3.1 EWB软件简介 (8)3.2软件界面介绍 (8)3.3EWB软件对丙类功放的仿真 (11)3.3.1电路仿真图 (11)3.3.2负载特性 (11)3.3.3输入电压改变时对电路的影响 (14)3.3.4当电源电压改变时对电路的影响 (17)3.3.5输入仿真和输出仿真 (20)3.4中心频率、通频带、放大倍数的计算 (21)4 心得体会 (23)5 参考文献............................................................................................................ 25HX前言高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在发射设备中，为了有效地使信号通过信道传送到接收端，需要根据传送距离等因素来确定发射设备的发射功率，这就要用高频谐振放大器将信号放大到所需的发射功率；在接受设备中，从天线上级，要将传送的信号恢复出来，需要将信号放大，感应到的信号是非常微弱的，一般在V这就需要用高频小信号谐振放大器来完成。

高频功率放大器的主要功能是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。

它主要应用于各种无线电发射机中。

发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经过多级功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。

高频功放的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。

目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦以下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。

已知能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功放产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。

应当指出，尽管高频功放和低频功放的共同特点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。

低频功放的工作频率低，但相对频带很宽。

工作频率一般在20--20000Hz，高频端与低频端之差达1000倍。

所以，低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻，变压器等非调谐负载。

而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫到几百兆赫，甚至几万兆赫，但相对频带一般很窄。

例如调幅广播电台的频带宽度为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1%。

因此高频功放一般都采用选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。

近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一样，其负载采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中。

低频功率放大器可以工作在甲类状态，也可以工作在乙类状态，或甲乙类状态。

乙类状态要比甲类状态效率高。

为了提高效率，高频功放多工作在丙类状态。

为了进一步提高高频功放的效率，近年来又出现了D类，E类和S类等开关型高频功率放大器。

1 高频LC 谐振功率放大器原理1.1原理电路+ –u b – i b – + U BB– + U CC– + u ce C– +u c L输出i e i c u be图1 谐振功率放大器的基本电路图1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。

除电源和偏置电路外，它是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。

高频功放中常采用平面工艺制造的NPN 高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率T f 。

晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流i B ，i B 控制了较大的集电极电流i C ，i C 流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。

为了使高频功放以高效输出大功率，常选在丙类状态下工作，为了保证在丙类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。

此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V 以上，可达1到2V ，甚至更大。

晶体管的作用是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。

线路特点：(1) LC 谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。

(2)电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压（或零偏压）。

关系式：(1)外部电路关系式： cos cos be BB bm ce CC cm u U U tu U U t ωω=-+=-(2)晶体管的内部特性: ()'c m be BB I g u U =- (3)（半）导通角： 根据晶体管的转移特性曲线可得：'cos 'cosBB BBbm BB BB bmU U U U U arc U θθ+=+=即集电极的导通角是由输入回路决定的。

必须强调指出：集电极电流ic 虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。

1.2高频功率放大器的特性曲线转移 特性i cU ’BB0 理想化 i c maxi cωt0 –θ +θ–θ+θ U bmU bmU BE u b–U BB ωt图2 谐振功率放大器的转移特性曲线功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率o P ，使之一部分转变为交流信号功率1P 输出去，另一部分功率以热能形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率C P 。

根据能量守衡定理：1o C P P P =+ 直流功率：0o c CC P I U =⋅输出交流功率：2211111222c c c c L L U P U I I R R =⋅== C U -回路两端的基频电压 1c I -基频电流 L R -回路的负载阻抗 图解分析法的步骤：(1)测出晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线，并将这两组曲线折线化处理； (2)作出不同工作状态下的动态特性曲线；(3)根据激励电压b U 的大小在特性曲线上画出对应输出电压c U 和电流脉冲c i 的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、效率等指标的。

晶体管的特性曲线及其特性方程：由图可见，在放大区，有转移特性方程：()'c m be BB i g u U =- 所以，集电极电流随激励而正向变化。

在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。

因此有临界线方程：c c ce i S u =在截止区，有方程：0=c i (当 BB be U u '<时)理想化折线 （虚线）i cg cu beU ’BBi c过压区 临界线 欠压区u beu ce(a)(b)S c图3 晶体管的输入和输出特性曲线谐振功率放大器的动态特性曲线（负载线）高频放大器的工作状态是由负载阻抗L R 、激励电压b u 、供电电压BB CC U ,U 等4个参量决定的。

如果BB CC U ,U , b u 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻L R 决定。

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

所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的c be ce i u u 和, 的关系曲线就叫做动态特性。

i ci c32 1 I cmax 0 180︒＜90︒半导通角ωtBA C D32 1 负载增大 U be =U bU CC Q U cesU c 1.欠压状态2.临界状态3.过压状态R LU cU c图4 功率及效率随负载变化的波形1.3功率放大器的三种工作状态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，将放大器的工作状态分为三种情况：(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：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。

1.4高频功率放大器的外部特性高频放大器的负载阻抗L R 、激励电压b U 、供电电压cc U 、BB U 4个外部变量会影响放大器的工作状态、功率及效率等。

对应的影响关系分别为：图5 高频功率放大器的负载特性R L欠压区 过压区临界区I c1 I coU c1P oR L欠压区过压区临界区cηP DP c图6 高频功率放大器的振幅特性0 0 (a) (b)欠压状态 过压状态 V CC 欠压状态 过压状态 V CCI c0I cm1 P oP =P c图7 高频功率放大器的调制特性2 高频LC 谐振功率放大器电路设计2.1实验电路参数计算晶体管2N2222A 的主要参数为：12,0.5,0.8cc c cm V V P W I A === 主要技术指标：交流电压放大倍数：25u A > 输出交流电压峰-峰值：2(2)op p L V V R k ->=Ω 中心频率：15MHz 通频带宽：250(3B)kHz d ≥±-2.2高频LC 谐振功率放大器设计电路U cm I cml I coU bm 过压临界 欠压 O图8功率放大器设计电路3 高频谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1EWB软件简介随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。

电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。

EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。

与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。

电子工作平台Electronics Workbench (EWB)软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点：(1)采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；(2)软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。