丙类功率放大器设计

摘要本文分析了丙类功率放大器的电路原理，估计了下电路的相关参数值。

对丙类功率放大器的性能进行了分析讨论并对其工作状态做出了基本的确定。

关键词：丙类功率放大器；Multisim仿真；简谐回路目录1、方案选择 (1)2、工作原理与参数计算 (1)2.1 实验原理 (1)2.2 丙类谐振功率放大器的效率与功率 (2)2.2.1 放大器的集电极效率 (2)2.2.2 谐振功率放大器临界状态的计算 (3)2.3 功率放大器的负载特性 (3)2.3.1 uc、ic随负载变化的波形 (3)2.3.2 丙类高频功放的振幅特性 (4)2.3.3 欠压、临界、过压工作状态的调整 (4)2.4 谐振回路及耦合回路的设计 (5)2.5 基极偏置电路的设计 (6)3、电路调试与排故 (6)3.1 实验电路图 (6)3.2 放大器电路设计要求 (7)3.3 丙类放大器电路分析 (7)4、结论 (8)参考文献 (9)主要元器件参数 (9)1、方案选择高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器; 窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器。

功率放大器的任务是供给负载足够大的信号功率，其主要性能指标是输出功率和效率。

丙类谐振功率放大器可获得高效率的功率放大。

谐振功率放大器主要有四个特点：①放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流；②输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配；③基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态；④输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

2、工作原理与参数计算2.1 实验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 1 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 θ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 θ，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的导通角c θ0≤90,效率η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。

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1 简谐功率放大器原理图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电源所供给的直流功率P 0，实质一部分转换为交流信号功率P 1输出去，一部分功率以热能的形式损耗在集电极上，成为集电极耗散功率P c 。

根据能量守恒定律：P 0 = P 1+ P c直流功率：P 0=I c0U cc输出交流功率：P 1=21U C I c1=L c R U 22=L c R I 2121 Uc ——回路两端基频电压 I c1——基频电流 R L ——回路的负载阻抗2.2.1 放大器的集电极效率γξη⋅=⋅==21210101C CC C C I U I U P P 其中集电极电压利用系数：CCL C CC C U R I U U 1==ξ波形系数：)()(0101θαθαγ==C C I I 为导通角θ的函数；θ越小γ越大。

2.2.2 谐振功率放大器临界状态的计算临界状态下，若已知电源电压U cc ，U BB 三极管的参数g c ，'BB U ，设电压利用系数为ξ，集电极的导通角为θ。

求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效率等。

1）首先要求求得集电极电流脉冲的两个主要参量i m ax c 和θ导通角θ：b BBBB U U U 'arccos +=θ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，为兼顾高效率的输出功率和高效率，通常 60=θ集电极电流脉冲幅值)cos 1(max θ-=b c c U g i2）由θ值，查表的电流余弦脉冲的各谐波分量)(0θα、)(1θα、)(θγ，并求得各个分量的实际值I c0、I c1。

3）根据P 1=L c R U 22=Lcc R U 2)(212ξ 可求得最佳负载电阻：122)(P U R cc LCR ξ= 2.3 功率放大器的负载特性只在其他条件不变（U CC 、U BB 、U b 为一定），只变化放大器的负载电阻R L 而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。

2.3.1 uc 、ic 随负载变化的波形当负载电阻R L 由小至大变化时，1.负载线的斜率由小至大，如图中1→2→3。

2.放大器的工作状态由欠压→临界→过压3.输出电压u c 逐渐增大4.输出电流i c 的波形由尖顶脉冲→凹顶脉冲具体变化过程如图2所示：图2 谐振功率放大器的负载特性高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp 、激励电压Vb 、供电电压VCC 、VBB 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。

2.3.2 丙类高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅b U 时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。

由图3 高频功放的振幅特性可以看出，在欠压区，C0I 、C1I 、C U 随b U 的增加而增加，但并不一定是线性关系。

在过压区，c U 基本不随b U 变化，可以认为是恒压区，放大等幅信号时，应选择在此状态。

2.3.3 欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载L R ；改变供电电压CC U ；改变偏压BB U ；改变激励b U 。

方法1:改变L R ，但b U 、CC U 、BB U 不变：当负载电阻L R 由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。

在临界状态时输出功率最大。

方法2:改变CC U ，但L R 、b U 、BB U 不变：当集电极供电电压CC U 由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。

方法3: b U 变化，但CC U 、BB U 、L R 不变或BB U 变化，但CC U 、b U 、L R 不变：这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。

因为无论是b U 还是BB U 的变化，其结果都是引起be U 的变化。

当BB U 或b U 由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。

图3 高频功放的振幅特性2.4 谐振回路及耦合回路的设计输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。

如图1所示，丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为： ①实现阻抗匹配，使负载电阻L R 能与放大器的最佳负载H R 匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。

②与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。

耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式， 其等效电路如图所示。

为了减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。

回路的谐振频率为LC πω210=或LC f 10=谐振阻抗与变压器线圈匝数比为012452R R U R P N N L cm L o ==L L Q R L N N 04523ω=2.5 基极偏置电路的设计丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路如图8所示。

图8(a)是利用基极电流在基区体电阻'bb r 上的降压作为偏置电压。

其电路简单，但偏压小，且易随晶体管'bb r 而变，不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。

图(b)是利用基极电流的直流分量在b R 上的降压得到偏置电压，b C 为高频旁路电容。

其优点是偏置电压随输入信号的大小自动调节。

图(c)是利用发射极电流的直流分量在e R 上建立偏压，e C 为高频旁路电容。

为了避免e R 上产生交流负反馈，需设置时间常数0e /)5~3(R ω>e C 。

它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时，负偏压加大，似的0e I 相对增加量减小。

3、电路调试与排故3.1 实验电路图高频谐振功率放大器的的负载是谐振回路，其原理电路如图 所示，电路由电压源、直流偏置电路、晶体管、谐振回路和输入回路组成。

谐振负载对输入信号谐振。

晶体管在交流输入信号的作用下产生b i ，b i 控制较大的集电极电流c i ，c i 流过谐振回路输出大功率，完成了将Ucc 提供的直流功率转换成交流输出功率的任务。

高频谐振功率放大器静态时晶体管截止，当有交流输入电压时，由于输入电压为大信号，晶体管工作于截止和导通两种状态。

图4 仿真电路图3.2 放大器电路设计要求本次课设要求用Multisim仿真软件做出一个符合要求的电路图，以及对电路的分析和调试。

电源电压20V，中心频率6MHz，功率增益大于13db，负载电阻5kΩ。

图5 中心频率图6 9MH下功率放大波形图3.3 丙类放大器电路分析根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种，如图7。

图7 集电极馈电电路串馈电路指直流电源CC V 、负载回路(匹配网络)、功 率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。

1C 、LC 为低通滤波电路，A 点为高频地电位，既阻止电源CC V 中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。

并馈电路 指直流电源CC V 、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路如图5 C L 为高频扼流圈，1C 为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，2C 为高频输出耦合电容。

4、结 论通过这次课程设计，我充分感受到了EWB 的强大功能，并且通过课设，巩固了我们上课所学的知识，并把它们运用到实际中来。

这次课设也暴露出我平时学习的不足，在今后的学习中要更加努力地学习，更加丰富自己的理论知识，同时增加自己亲身实践的机会，这样理论指导实践，实践反过来加深理论的理解，这样才能真正学懂一门科学。

在这一周里，我总结出善于交流意见也是学习能力的一种体现，每次完成一个任务，我都会和同学们交流一下，找到自己的不足，从而更好的提升自己。

丙类功率放大器设计参考文献[1] 《高频电子线路》张肃文高等教育出版社[2] 《通信电子线路》于洪珍清华大学出版社[3] 《电子线路集》人民邮电出版社主要元器件参数元器件清单如表1表1元器件清单9。