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丙类谐振功率放大器电路设计

1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

2.1.1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。

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

2.3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

。

2.4.1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。

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、PC、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

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波变为中间凹陷的脉冲波，如图2-4-6所示。

基极调制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。

当Vbm一定,VBB自负值向正值方向增大时,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，如图2-4-7所示。

图2-4-6放大器性能随VCC变化的特性

图2-4-7放大器性能随VBB变化的特性

放大器随Vbm变化特性曲线，与放大器性能随VBB变化的特性曲线类似，如图2-4-8所示。

图2-4-8放大器性能随Vbm变化的特性

谐振功率放大器过压状态下集电极电流凹陷分析。

当谐振功率放大器处于过压状态时，晶体管集电极的周期性脉冲电流的顶部会凹陷，晶体管进入饱和区内，各物理量之间有着复杂的非线性关系，在此用微变量之间的线性关系进行分析。

根据晶体管特性,管子的集电极电流的微变量可表示为

ΔiC=h1①ΔiB+h2②ΔVCE⑴

在放大区内，iC主要由iB控制，此时，h1﹥h2，在饱和区内iC主要由反向饱和电流iCEO决定，而iCEO大小取决于UCE电压，因此，此时h2﹥h1。

设输入信号为正弦波uBE=VBB+VbmsinωSt

两边取微变量，有ΔuBE=ΔVbmsinωSt

两边同除晶体管动态输入电阻rbe,有ΔiB=1／rbeΔVbmsinωSt⑵

输出电压为uCE=VCC-VcmsinωSt

两边取微变量，有ΔuCE=-ΔVcmsinωSt⑶

将⑵⑶带入⑴，得ΔiC=（h1Vbm/rbe-h2Vcm）ΔsinωSt⑷

因此，⑷式中,

在放大区内,h1﹥h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm﹥0,ΔiC与ΔiB同号。

在饱和区内,ΔiC与ΔiB反号。

由此可知，集电极电流波形会存在顶部凹陷。

注释:

①h1为ΔVBE=0时,iC对iB的偏导数。

②h2为ΔiB=0时,iC对VCE的偏导数。

3丙类谐振功率放大器电路的设计

3.1丙类谐振功率放大器设计

3.1.1晶体管的选择

任何电子电路都以电子元件为基础，常用的元件由电阻器、电容器、电感器、半导体器件（二极管、晶体管、场效应管以及集成电路）。

半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心元件。

二极管具有单向导电性,可用于整流检波、稳压混频等电路。

晶体管具有放大和开关作用,可用于放大、震荡、调制等电路。

表3-1-1是半导体器件型号的命名方法,可用此表对应型号选择半导体器件。

表3-1-1半导体器件型号的命名方法

电极数

材料与极性

类型

性能序号

规格号

符号

含义

符号

含义

符号

含义

含义

含义

2

3

二极管

三极管

A

B

C

D

A

B

C

D

E

N型锗材料

P型锗材料

N型硅材料

P型硅材料

PNP型锗材料

NPN型锗材料

PNP型硅材料

P

V

W

C

Z

S

N

U

K

X

普通管

微波管

稳压二极管

参量管

整流管

β隧道管

阻尼管

光电管

开关管

低频小功率管

反映了管子的直流、交流参数，极限参数等性能的差别。

反映了管子承受反向击穿电压的能力,按A、B、C、D…编号，A的承受能力最低，依次递增。

NPN型硅材料

化合物材料

G

D

A

高频小功率管

低频大功率管

高频大功率管

晶体管分NPN型和PNP型两大类。

通过外壳上所标注的规格和型号,可以区分出管子的类型、材料、功能大小、频率高频等性能。

此外,管壳上一般还用色点的颜色来表示管子的电流放大倍数β的大致范围。

如黄色表示β=30～60，绿色表示β=50～110，蓝色表示β=90～160，白色表示β=140～200。

3.1.2判别三极管类型和三个电极的方法

要弄清管子类型与三个电极。

将万用表至于电阻“R×1K”档，用黑表笔接晶体管的某一脚（假设其为基极），用红表笔分别接另两个脚。

若两次显示阻值都很小,则表示该管是NPN管,且黑表笔所接管脚为基极;若两次显示的阻值都很大，则表示是PNP管，且黑表笔所接管脚为基极；若两次显示阻值一大一小，则表示黑表笔所接管脚不是基极，按上述方法测量，直到找到为止。

若三个管脚测试下来,都不能确定基极。

则晶体管可能以损坏。

确定管子的类型和基极后,可进一步判断发射极和集电极。

用万用表置于电阻“R×1K”挡，两表笔分别接除基极外的两个电极。

对于NPN管,用手指捏住基极与黑表笔所接管脚，可测得一阻值

。

然后将两表笔对换,同样用手指捏住基极与黑表笔所接管脚，又测得一阻值。

所得阻值小的那次测量,黑表笔所接管脚所接的是集电极,而红表笔所接的是发射极。

对于PNP管,应用手指捏住基极与红表笔所接管脚,所得阻值小的那次测量,红表笔所接的管脚为集电极,而黑表笔所接的管脚为发射极。

3.1.3电容的选择

射频电容的关键指标是高Q和低ESR。

在功率放大器匹配电路的应用上,射频功率的消耗与Q值成反比,直接与ESR值成正比。

高Q电容是保证功率放大器增益和输出功率指标的关键因素。

另外,电容器不是理想的电容，其模型都是由串联的电感、电阻和电容组成，如图4-1-2所示，因此，高Q电容在不同频率下所呈现的等效电容值也不一样。

图3-1-2不理想电容器

射频高Q最大的生产厂家当属ATC（目前已被AVX收购），常用的ATC隔直流电容参数见表4-1-3所示。

表3-1-3常用ATC隔值流电容参数

封装

电容值（PF）

应用频率（MHz）

ESR（Ω）

Q

谐振频率

等效电容

串联电感值（nH）

600S

47

2017.5

0.111

15.2

2082.8

761.13

0.12

600S

51

1900

0.106

15.4

1984.9

608.94

0.13

600S

36

2350

0.123

15.3

2437.3

511.85

0.12

600F

39

2017.5

0.115

17.5

2072.5

744.59

0.15

600F

47

1900

0.114

15.6

1918

2514.42

0.15

600F

27

2350

0.123

20.4

2414.4

513.2

0.16

100B

10

2017.5

0.163

48.4

2029.3

862.16

0.62

100B

11

1900

0.153

49.8

1939.8

270.63

0.61

100B

6.8

2350

0.202

49.4

2435.5

98.59

0.63

3.2电路设计与分析

丙类谐振功率放大器导通角θ＜90o，其效率可达到85%，且电路结构简单，易于调整和测试，从而的到了广泛的应用。

3.2.1电路设计基本事项

丙类谐振功率放大器在工作中,有很多理论上难以预知的要素，因此，不能期望按照桌面上的设计就能工作，要经过反复实验与分析。

1）散热问题

半导体器件的故障率随结温的升高,大体是按照指数增加的,因此，需要注意尽量用散热的方法降低结温。

结温最大值,对于晶体管来说,通常是150℃～200℃。

设计时,最好使实际使用结温在120

℃～130℃以下.下面是从管壳温度来计算结温的计算公式:

Tj=PCRth（j-c）+TC,

式中，TC—管壳温度，单位℃

PC—管壳耗散功率，单位W

Rth（j-c）—从结温到管壳的热阻，单位℃/W

2）对二次击穿现象的考虑

晶体管工作时,有产生二次击穿的现象,可能会损坏晶体管，为了预防器件损坏，除了使晶体管工作在安全工作区，以及接入保护电路外，同时尽量可能防止负载变动是很重要的。

3）公共端电感的影响

设计高频电路时，多数情况下不能忽视布线的电感，特别是在高频大功率晶体管电路中，因为电路阻抗低，所以，寄生电感响应显著，尤其是公共端（或接地端）。

为了减小晶体管内部接线不可避免的电感影响，公共端的接线必须尽量的短，且在发射极接一可变电容器，形成串联谐振电路。

这种方法使用于电源电压有富裕的场合。

4）扼流圈

扼流圈是在加直流偏压时,为了防止信号进入电源而使用的,因此,必须要求对信号有很大的阻抗,但扼流圈电感过大,对于低频来说,会产生寄生震荡和工作不稳定,也会损坏晶体管。

3.2.2电路设计与分析

发光二极管颜色与电压：

黄色通常为1.8V～2.0V,红色通常为2V～2.2V，绿色通常为3.0V～3.2V,正常发光时额定电流为20mA。

如图4-2-1所示,为所设计丙类谐振功率放大器电路。

输入端采用自给偏置电路提供偏置电压，它提供的偏置电压是基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在电阻RB上产生的压降，LB是用来避免RB，CB对输入滤波匹配网络的旁路影响。

C1，C2，C3和L1构成T型滤波匹配网络。

输出端，RD1和D1构成构成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路，随着结温的升高，功率管基极—放射极电压VCE超过齐纳二极管D1的击穿电压时（耗散功率限制保护电路中，齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值），齐纳二极管D1击穿，从而限制了晶体管的耗散功率，防止了晶体管发生二次击穿而导致晶体管损坏。

D2和RD2是为了防止无意中接入大于晶体管击穿电压的电压造成电路损坏而接入的保护电路（齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值），当接入VCC电压大于齐纳二极管反向击穿电压时，齐纳二极管D2导通，放光二极管亮提醒工作人员，整个电路停止工作。

直流电源VCC,功率管T和滤波匹配网络在电路形式上并接成并馈馈电方式，可调整可变电容器C3和C4使其调整在输入信号频率上，时期输出不失真的信号功率，也可同时与输出电阻构成匹配网络提高输出功率。

图3-2-1

3.3电路仿真

对图3-2-1电路用Electronicsworkbench进行仿真。

3.3.1ElectronicsWorkbenchEDA简介

随着电子系统和集成电路芯片设计的日益复杂化，出现了以电子电路计算机辅助设计（CAD）为基础的电子设计自动化（EDA—electronicdesignautomation）技术。

EWB（electronicsworkbench）是基于PC平台的电子设计软件，也称为电子工作平台。

EWB是一种功能强大的电子设计软件，具有集成化、一体化的设计环境，交互式的设计和仿真，专业化的原理图输入工具，丰富的元件库和齐全的虚拟仪器，强大的分析工具，设计的恢复和共享以及与其它EDA工具通信等主要特色。

3.3.2基于EWB电路仿真用例

打开EWB5.0，在电路设计窗口调用所需元件并按图3-2-1进行连线并设计参数。

如图3-3-1所示。

打开示波器，接通电源进行仿真，仿真波形如图4-3-2所示，（图4-3-2仿真波形为反复调试参数后较满意波形）。

图3-3-1丙类谐振功率放大器电路设计用例图

图3-3-2电路仿真波形

4对丙类谐振功率放大器的展望

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。

丙类谐振功率功率放大器由于安全、高效和电路结构简单的优势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。

在未来的生活中，谐振功率放大器，会出现在各个领域，充当更重要的角色。

尤其通信电路中更是不可缺少。

结论

丙类谐振功率放大器是电子电路的重要单元，其性能和稳定性直接影响整个电路，甚至使昂贵的元件损坏。

在设计丙类谐振功率放大器时，充分考虑功率管的极限参数，设置适当的保护电路和散热装置，各元件参数经过反复仿真和试验确定。

该论文从介绍、分析丙类谐振功率放大器核心部件—晶体管，到基本放大电路，再到丙类谐振功率放大器基本电路和工作原理，最后给出设计用例并进行仿真。

由局部到整体，由理论到实际的设计理念。

在未来生活中，对丙类谐振功率放大器的要求会越来越高，人类将设计出更为高质量的器件来适应社会需要。

谢辞

提笔写下“谢辞”，才知道自己即将离开，从此翻开人生的新篇章，大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。

饮其流时思其源，成吾学时念吾师，在此论文完成之际，向我尊敬的指导老师张书法致以诚挚的谢意。

另外，向在工作之余抽出时间对我的论文进行评阅及并提出宝贵意见的老师商艳丽、胡宏林以及同学们致以最衷心的感谢。

在论文写作过程中，通过查阅资料和有关文献，进一步提升了自学能力和动手能力，学会了怎样更好的处理理论和实践相结合的问题。

在此，祝老师们，以及所有人身体健康，工作顺利，心情愉快，幸福平安！

参考文献

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