丙类功率放大器Word文件下载.docx
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2.1电路原理
2.1.1工作原理
如图2-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压Ube是利用发射极电流的直流分量IE。
在发射极直流负反馈电阻R10上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。
当放大器的输入信号Ui为正弦波时，集电极电流ic为余弦脉冲波。
利用谐振回路L5C5的选频作用可输
出基波谐振电压UC1、电流iclo
图2-1功率放大器电路（丙类）原理图
2.1.2主要的技术指标
（1）直流电源Vcc提供的直流功率
PV二VccIco（2_13）
式中，IC0为集电极电流ic的直流分量。
电流ic经傅立叶级数分解，可得峰值Icm与分
解系数九㈡）的关系式
故有
（2-15）
IC0=|cm：
.°
⑺
分解系数"
G）与二的关系如图所示
（2-18）
（2）集电极输出的基波功率
载电阻，最佳匹配状态下有R。
二Rh，三者间的关系为
式中，［抽二心川"
，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解
系数之积。
（3）功率增益
式中，Pi为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅Ib1m、基波输入电压振
幅Ub1m及输入电阻Ri的关系为
实验电流中，Ri可表示为Ri”hie。
由公式（2-19）和（2-22）可得
Uc1m|c1m
（2-23）
Ap=Ub1m|b1m
（4）放大器的效率
PC1Uc1mIc1m
n=——=-.
pv2Vcc|co
1Uc1m.Z1^l）1-C71）
■■r'
=r«
2
（2-24）
VCC：
0^）2〉0⑺
式中，•二Uc1m/vcc称为电压利用系数。
功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。
在实际运用中，为兼顾高
00
输出功率和高效率原则，通常取"
■60~80。
2.2电路的参数值的估计
2.2.1三极管的选取
功率放大器管：
选用Philips公司的NPN型高压晶体管（2N5551）作为放大管。
直流电
流根据设计要求放大器的电源电压初始值均取+12V。
2.2.2确定放大器的工作状态
谐振功放的三种工作状态
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2-4为电压、电流随负载变化的波形图
eb=ebmax
图2-4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。
223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2-1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Rl能与放大器的最佳负载Rh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
e151
2兀ULC或pLC
谐振阻抗与变压器线圈匝数比为
N45_,2PoRl_Rl
N12Ucm:
Ro
N230L
LrlQl
224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2-7所示。
图2-7（a）是利用基极电流在
基区体电阻“上的降压作为偏置电压。
其电路简单，但偏压小，且易随晶体管帥而变，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Rb上的降压得到偏置电压，6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Re上建立偏压，Ce为高频旁路电容。
为了避免Re上产生交流负反馈，需设置时间常数ReCe•（3〜5）〃‘0。
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Ie0相对增加量减小。
这实质上就是直流负反馈的作用，可以是放大器工作状态变化不大。
缺点是由于Re上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率。
因此Re不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。
而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。
2.3功率放大器性能分析和工作状态的确定
2.3.1对功放进行理论分析
输出特性上的动态线近似作法
高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法一一折线法来分析其工作原理和工作状态。
这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。
所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。
对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量Ico和基频分量Icml。
根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于Vbz的一条直线来表示（Vbz为截
止偏压）。
如图为晶体管实际特性和理想折线。
2.3.2对功放性能进行分析和工作状态的确定
负载特性：
如果Vcc、Vbb、Vb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Rp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*Ic1，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。
2临界状态：
负载线和Ebmax正好相交于临界线的拐点。
放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。
所以，高频谐振功率放大器一般工
作于这个状态。
3过压状态：
放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小•
图2-5谐振放大器的负载特性
放大特性：
放大特性是指VbBVcc和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。
固定VBB、增大Vm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，随着Mm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。
图2-8谐振放大器的放大特性
调制特性：
（1）集电极调制特性
当Vbb、Vbm和R—定，放大器性能随Vcc变化的特性。
如图2-6所示。
由于Vbb和Vbm一定，也就是VBEmax和lc脉冲宽度一定，因而对应于VCEmin的动态点必定在VBE=VBEmax的那条特性曲线上移动；
当VCC由大减小时，相应的VcEmin也由大减小，放大器的工作状态将由
欠压进入过压，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
图2-6谐振放大器的集电极调制特性
（2）基极调制特性
基极调制特性是指VCCVbm和R一定，放大器性能随Vbb变化的特性。
如图2-7所示。
当Vm—定，Vbb自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEma增大
而使其高度增加，因而ICO和IC1m（相应的VCR）增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。
图2-7谐振放大器的基极调制特性
三、仿真软件使用方法的基本描述
PSPICE是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序
目前微机上广泛使用的PSPICE是由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出的。
能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析现已成为微机级电路模拟标准软件
PSPICEA/D是PSPICE软件包中的分析程序完成对模拟或数字电路的仿真分析。
PSPICE
A/D程序的输入文件是由电路编辑程序根据输入电路图自动生成以.CIR为后缀的文件，
或由用户直接输入的电路描述文件。
PSPICEA/D程序的输出文件是.DAT为后缀的数据文件（供Probe使用）和.OUT为后缀的文本文件
四、仿真结论分析
4.1功率放大器的仿真设计电路
功率放大器的仿真电路原理：
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ib,ib控制较大的集电极电流ic,ic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。
I■il■!
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■!
U■I■I■ilHiiII■I■il■il■illi■I■il
功率放大器的仿真波形图:
其电流、电压波形如图所示
图高频功率放大器电流、电压波形
不同输入信号振幅时的集电极电流均为半个周期的余弦脉冲序列，，但形状不同。
这
是由于丙类状态下的晶体管导通时间小于输入信号的半个周期的缘故，故当输入信号较小时，工作在欠压状态，集
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