E类放大器的研究与仿真.docx

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E类放大器的研究与仿真

摘要

在许多领域必须要求用大功率的射频电能，例如，特种材料熔炼，介质加热，等离子源，大功率发射机等。

这就需要把直流电源转换为所需要的高频交流电源，功率放大器是转换过程中的重要装置，它正在朝着高频化，低功耗，高功率容量，高效率的方向发展。

本课题的E类功率放大器用电子管作为开关元件，目的是提高放大器的效率和频率，同时获得较大的功率输出。

本文针对E类高频放大器的组成形式、工作原理和设计，计算方法进行了研究。

为了提高高E类高频功率放大器的效率，本文首先对E类高频功率放大器的电路结构和工作原理进行了分析，推导出了输出功率、效率和有关的电压电流的计算公式，以及负载网络参数的设计计算方法。

为了验证了设计的可行性，根据现有的条件用RPOTEL99Se对电子管E类功率放大器的进行了仿真，在电路仿真过程中优化了负载网络参数，达到最佳工作状态。

最佳工作状态下效率为95%。

针对E类放大器的工作特性以及电子管的驱动特性，根据电子管栅极电压电流的特点，提出了驱动电路设计方案。

对驱动电路的组成进行了理论分析，并设计出实际应用电路。

经过实验，得到了理想的正弦波输出。

关键词:

E类放大器;高频;大功率;电子管;效率

ABSTRACT

Theelectricalenergywithhigh-frequencyandhighpowerhasbeenappliedinmanyfields,suchashigh-frequencyinductionheatingequipment,dielectricheating,plasmasource,highpowertransmitter,ect...High-frequencyandhighpoweramplifierisnecessaryinconvertingthedcpowertoacpower.poweramplifierisanimportantequipmentinthetransferdevice,whichhashadagreatdevelopmentinthewayofhighfrequency,lowpowerloss,highpowercapability,highefficiency.InthissubjectvacuumtubeisusedastheswitchingcomponentintheClassEpoweramplifiertogethighoutputpowerwithhigherfrequency.

Inthispaper,wemadearesearchonstructureform,operatingprincipleanddesighcalculatingmethodofclassEpoweramplifier.

InordertoimprovetheefficiencyofclassEpoweramplifier,thispapercircuitstructureandoperatingprinciplewereanalyze.Wededucedthecalculatingformulaonoutputpower,efficiency,voltageandcircuit.Besides,thecalculationforelementswasusedinclassEpoweramplifier.

Toverifythefeasibilityofhigh-frequencyclassEpoweramplifier,accordingtoexistingconditions,circuitaboutclassEpoweramplifierwithvacuumtubehasbeensimulatedwithPROTEL99se.Inthissimulatingprocess,parametersintheloadnetworkhavebeenoptimized.Thesimulatedcircuithasreachedoptimumoperation.Theefficiencyinsimulationachieved95%.Wediscussedandanalyzedthephenomenoninthesimulatingprocess.

Thelastpartpresenteddrivecircuitaccordingtothecharacteristicsofhigh-frequencyclassEpoweramplifierandthefeatureofvacuumtube.ThenweanalyzedthestructureofdrivecircuitanddesignedactualappliedcircuitAfterexperiment,perfectsinusoidalwaveformhasbeenobtained.

KEYWORDS:

classepoweramplifier;high-frequency;highpower;vacuumtube;efficiency

第一章绪论..........................................................................1

1.1课题背景及意义...........................................................1

1.2开关功率放大器的国内外发展现状............................4

1.3高频大功率放大器对功率管的要求............................5

1.4论文主要任务及工作....................................................6

第二章E类高频大功率放大器的分析.................................7

2.1E类高频率大功率放大器的工作原理.........................7

2.2E类功率.放大器的数学分析.......................................11

2.2.1电路参数分析.........................................................11

2.2.2负载网络分析.........................................................19

2.2.3电路损耗分.............................................................23

2.3大功率输出级开关功率管器件的选择........................26

2.4电子管的基本结构和特点............................................26

……….28

2.6小结.................................................................................31

第三章电子管E类高频功率放大器电路仿真......................33

3.1电路的仿真.....................................................................33

3.2大功率电子管放大器推论结果....................................40

第四章结论….........................................................................42

致谢…......................................................................................43

参考文献..................................................................................44

第一章绪论

功率放大器在很多领域都得到了广泛的应用，比如无线通信里的发射机，而只要有发射机，就一定有射频功率放大器。

功率放大器发展至今，有许种类和应用川，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功放、也有上千瓦的电视信号发射机，高频功率放大器也是无线电发送设备的重要组成部分，它的主要任务就是放大高频信号，使其达到足够的功率，以满足天线辐射的需要或技术指标要求。

高频功率放大器不仅应用于各种类型的发射机中，而且许多电子设备，如功率信号源、高频大功率加热设备等也都广泛用到。

有些高频率DC一DC变换器中的逆变电路选用E类电路拓扑，E类逆变器可以选用更高的开关频率，同时保持高效率。

所有的功放，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。

功率放大器发展至今，已经广泛的应用于军用，民用领域。

如现代通信的发展对带宽，线性，效率等指标提出了更高的要求。

相应的功放研究也成了未来的趋势和热点。

随着材料，计算机，以及功放相关理论的进一步发展，可以预见指标更优的功率放大器，不久将会出现，并服务于军用、民用领域。

功率放大器的历史很悠久，常被认为是:

个很老的课题。

甲、乙、丙类的划分方法可以追溯到上世纪30年代，现今这样的概念仍然被广泛使用。

然而，随着现代通信体制的发展，功率放大器所涉及的许多概念正被重新定义或者修正。

现代功率放大器设计中，引入了很多过去没有的概念和技术。

功率放大器的设计考虑的因素越来越多，设计中折衷考虑的过程也越发复杂。

随着计算机技术的发展，设计过程也和传统方法大相径庭，引入了建模、仿真等新工具。

高频功率放大器主要的技术指标有输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制等。

由于发射机的输出功率和效率主要取决于高频功率放大器，对同一耗散功率来一说，效率的提高意味着输出功率的增大，当输出功率一定时，效率的提高使消耗的电源功率减小，管子的耗散功率降低，可降低冷却系统的压力。

这对于节省能源、使用较小的功率管输出较大的功率、减小设备的体积和重量都有颇大的实际意义。

因此提高功率放大器的效率一直是人们一直关注的重要课题，它推动了功率放大技术的不断发展。

功率放大器实质上是一个能量转换器，它把电源供给的直流能量转换为交流能量，功率放大器则是进行能量转换的决定性环节。

功率放大器的效率

的定义为:

式中

为电源供给的直流功率，

为转换后的交流输出功率，

为转换过程中消耗在功率器件本身的部分能量，称为耗散功率。

从上式可以看出，要提高功率放大器的效率

，则应尽量减小功率器件的耗散功率

。

功率放大器效率的提高，主要反映在功率器件工作状态的改进上。

A类（甲类）、B类（乙类）低频功率放大器发展到C类（丙类）高频调谐式功率放大器，目的都是为了提高功率放大器的效率。

A类工作状态，通角

为

，理想效率为50%;B类工作状态，通角

为

理想效率为78.5%;C类工作状态，通角

小于

，其效率比B类更高。

但是，用减小导通角

的方法来提高效率有一个极限，对C类高频功率放大器来说，当导通角

减小到零时，理想效率达到100%，但输出功率为零，这是没有意义的。

究其原因，是因为A，B，C类功率放大器的功率器件阳极（集电极或漏极）的电压v和电流在导通期间同时存在，而且数值都比较大。

由耗散功率的定义可知，耗散功率是阳极（集电极或漏极）瞬时电压，与瞬时电流i在一个周期T内的乘积的平均值，即:

所以A,B,C类功率放大器的集电极（阳极或漏极）耗散功率

也比较大，这几类放大器的效率也就难以进一步提高。

D类和E类功率放大器克服了A、B、C类功率放大器的缺陷，使功率器件工作于开关状态。

D类功率放大器在工作时，当功率管导通时，阳极（集电极或漏极）电压V很小，甚至趋近于零;当管子截至时，管子两端有电压存在。

这样在任意时刻内，管子的电压和电流乘积为很小，甚至趋于零，因此功率管的耗散功率亦很小甚至趋近于零。

D类功率放大器正是按照这个原理来实现高效率放大的，它的理想效率为100%，实际效率为90%左右。

另外功率管工作在D类状态时，电路中有两个功率管组成。

两管轮流导电，效率很高。

但是在开关转换的瞬间，两个功率管可能同时导通或同时断开，可能由此引起二次击穿而使功率管损坏，这就限制了D类状态的电路工作频率的进一步提高。

E类功率放大器克服了这些弱点，有助于提高效率和工作频率。

因此，工作于E类状态的电路是一个值得研究的课题。

E类功率放大器在提高效率方面比D类更进一步，它是按照“功率管电压和电流不同时出现”的道理设计的。

这样在任意时刻，管子的电压和电流乘积为零，功率耗散为零。

理想效率为100%，实际效率为90%左右。

功率放大器不仅要提高效率，也要提高它的功率，因为现代的功率放大器应用越来越广泛。

通信、航海和广播使用的频率从甚低频到毫米波。

输出功率从无线系统的10毫瓦到广播发射机的大功率。

功放也用在雷达、射频加热、等离子发生器、激光设备、磁共振图像和直流一直流转换器中应用。

许多现在应用的设备是几十年前制造的。

这些技术效率不高，大功率输出和高频率也不能同时实现。

以往的放大器大多采用MOSFET（场效应管）或者工GBT（绝缘栅双极晶体管）作为开关元件，这些半导体器件作为功放管，尽管频率可以做的很高，但是功率容量有限。

当功率放大器输出功率比较大时，工作频率又不能太高。

总之，以往的半导体器件不能实现大功率和高频率的兼容。

本文研究大功率射频功率放大器高效率、高频率和大功率的同时实现。

本课题选用电子管做为功放管，充分利用了电子管的优点，设计出高频率、大功率输出的功率放大器。

1.2开关功率放大器的国内外发展现状

早在60年代就有人提出了开关功率放大器的概念，本文的E类功率放大器就是属于开关功率放大器。

尽管开关:

功率放大器具有效率高的优点，但是受当时电子器件开关特性的限制，并没有得到很大的发展。

自从80年代以来，随着电力电子技术的日新月异，出现了许多新型器件，如工GBT和MOSFET等，电力电子器件的开关频率也大大提高，人们对开关功率放大器又投入了极大的热情。

目前，国外开关功率放大器的研究已经达到了一个很高的水平。

例如美国德州仪器公司和APEX公司相继推出了PWM型集成电路元件。

早在2000年左右，日本就有人已经研制成功了10KW，最高输出频率为100kHZ的开关功率放大器。

其整个频率范围内的THD都小于10%，5KHZ内的THD小于2%。

在国外，有很多实验设备己采用开关功率放大器，例如振动实验设备。

到目前为止，国内新的振动实验设备也开始使用开关功率放大器，但产品主要依赖进口。

我国原有的振动实验设备大都采用线性功率放大器，它与开关功率放大器相比效率低、功耗大，可靠性差。

国内每年需要可观数量的开关功率放大器，市场前景广阔，取代进口后可节省大量外汇和经费。

1.3高频大功率放大器对功率管的要求

高频大功率放大器是由功率管、驱动电路和控制电路组成的。

由于高频功率放大器承担着功率变换的任务，因此，高频大功率放大器对功率管的要求，主要有以下几点:

（1）功率容量大

高频功率放大器中的功率管应该具有足够大的电压和电流容量，才能控制足够大的功率，完成功率变换的任务;

（2）工作频率高、开关速度快

无论哪种类型的高频功率放大器，都要求所用的功率管的极限频率大于放大器的工作频率。

对于工作于开关状态的开关管来说，还要求其开通和关断的时间与放大器期相比尽可能的小，以减小开关期间的功率损耗;

（3）容易驱动

大功率器件的驱动要比普通小功率半导体器件的驱动复杂的多，因此在设计高频功率放大器时，驱动电路的设计是一个必不可少的方面。

采用容易驱动的功率器件，可以简化驱动电路的设计，从而减少电路设计时的工作量。

论文的主要任务研究了电子管E类大功率射频放大器的工作状态，详细分析了E类大功率射频放大器组成结构和工‘作原理，以及E类放大器在电路中的应用特点。

其中包括E类功率放大器工作过程的数学分析、电路参数的计算方法、驱动电路、电路参数的优化以及电子管的性能特点等问题。

论文的思路是通过设计一个E类高频功率放大器，对E类高频功率放大器的主电路工作原理和过程进行分析，对影响其最佳工作状态的各种因素进行分析，提出了逼近最佳工作状态的具体措施。

最终目的是使其输出功率最大，效率最高。

第二章E类高频大功率放大器的分析

从电路的角度来看，E类高频大功率放大器一般是由功率管、驱动电路和负载网络组成的。

下面首先详细分析E类高频功率放大器的工作原理和过程。

2.1E类高频率大功率放大器的工作原理

E类高频率大功率放大器由单个功率管组成，工作于开关状态，电路组成方框图如图2.1所示。

图2-1E类高频功率放大器方框图

所谓E类功率放大器的最佳工作状态，就是指功率器件的阳极（集电极或漏极）的电压电流波形满足以下三个条件

（1）从导通到关断转换时，阳极（集电极或漏极）电压应在电子管关断之后才开始上升;

（2）从关断到导通转换时，阳极（集电极或漏极）电流应在阳极（集电极或漏极）电压降到零之后才开始上升;

（3）在从关断到导通转换时，即导通时刻，还必须满足电压变化率等于零。

E类放大器也可以工作在准最佳工作状态，这种状态只需满足上述条件的前两条。

当开关按激励信号的频率周期性地工作时，就把来自电源的直流能量转变为交流能量，它的基波频率等于开关频率。

为了使基波分量输出最大，开关占空比应为50%，即一半时间“导通”，另一半时间“断开”。

选取适当的负载网络参数。

使它取得最佳的瞬态响应。

也就是说，当开关“导通”的瞬间，由于负载网络的瞬态响应，使得阳极（集电极）电压降为零后，才开始建立电流;当开关“断开”的瞬间，由于负载网络的瞬态响应，使得电子管关断之后，阳极（集电极或漏极）电压才开始上升。

这样，即使开关转换时间与信号周期相比己经相当长时，也能避免电子管同时产生大的电压和电流，从而避免了在开关转换期间电子管产生功耗。

另外，负载网络还包含一个带通滤波器，以滤除不需要的谐波成分，并用以变换负载阻抗的数值。

图（a）为E类高频功率放大器的电路原理图。

其中开关器件为电子管，

为电子管的输出电容，

为外接电容，

为高频扼流圈，LC为串联谐振回路，

为等效负载电阻。

放大器的等效电路如（b）所示，其中S是将功率器件等效为理想开关，

为理想串联谐振回路，谐振频率等于输入信号的基波频率，Z是频率为基波频率时的LC回路与

回路的阻抗之差。

（a）电路原理图

（b）等效电路图

（C）电流和电压波形

图E类功率放大器

当功率管饱和导通时，相当于开关S闭合，此时阳极电压

为零，行数学分析之前，首先作如下假定

（1）高频扼流圈L.只允许恒定的直流电流通过;

（2）L、C、

串联谐振回路的有载品质因数认要足够高;

（3）开关器件的开关作用是瞬间的、无损耗的，其通态电阻R等于零，而截止电阻为无穷大;

（4）总的并联电容

与阳极电压

无关。

由于负载网络的影响，阳极电流is有一个上升和下降的过程:

当功率管截止时，相当于S断开，此时

完全由负载网络决定。

合理地设计负载网络的参数，可以使得

和is交替出现在电子管上。

即当开关S闭合时，is流过功率管而

为零;当S断开时，is为零而

不为零。

这样在任一时刻，

与is的乘积均为零，开关器件的耗散功率P亦为零，从而使功率放大器的效率达到100%考虑到开关损耗和负载网络的损耗，E类高频功率放大器的实际效率可以达到90%左右。

最佳工作状态时的电压和电流波形如图（c）所示。

E类功率放大器的数学分析

在对E类高频功率放大器进行数学分析之前，先作如下假定

（1）高频扼流圈L.只允许恒定的直流电流通过;

（2）L、C、RL串联谐振回路的有载品质因数认要足够高;

（3）开关器件的开关作用是瞬间的、无损耗的，其通态电阻RL等于零，而截止电阻为无穷大;

（4）总的并联电容C。

=C1+C2与阳极电压V无关。

电路参数分析

（1）阳极电压

表达式

首先从输出端的电压和电流表达式作为分析的出发点。

令

，

为相对于驱动信号的初相位，则

其中

和

是待定的参数。

从图2一2（b）上可以看出，参考电压V也是正弦波。

由于存在剩余电感或电容，它与输出电压

有一定的相位差。

假定存在的是剩余电感是其电抗为jX，则

式中：

为jX产生的附加相移。

由于高频扼流圈L，维持恒定的输入直流电流工d。

，而串联回路的

足够高，产生正弦输出电流

。

这两种电流叠加，就是流过开关S的电流

（当S闭合时），或是电容

的充电电流

（当S断开时）。

当开关S断开时，

对电容

充电，建立起阳极电压

。

则

的波形如图2一2（c）所示。

（2）输出电压

的幅度

由于理想谐振回路对基波频率的阻抗为零，所以阳极电压

的基频分量就是V。

根据傅里叶分析可得

将2-5式代入上式，可求出气的表达式为

因为阳极电压的基频分量是相位鹤的正弦波，没有余弦的成分，所以输出电压v。

的l隔度代可以进一步表示为

式中

（3）功率和效率

因为高频扼流圈

上没有直流压降，所以在一个高频周期中下式成立

将式（2一8）和式（2一11）代入上式得

因为

，

为放大器对直流电源呈现的直流负载电阻。

由式（2一13）可得

放大器的输出功率为

输入直流功率为

放大器的效率为

（4）电子管的阳极峰值电压和电流

将式（2一11）代入式（2一8）可得

欲求

的最大值，令

，得

所以

将式（2一19）代入（2一18）则得

（5）最佳状态时的函数g

这里取占空比为0.5，根据前面提出的获得高效率的条件:

①、阳极电压

在

，必须等于零。

由式（2一18）得

所以

②阳极电压在导通时的波形斜率必须为零，由式（2一18）得

可求得

由式（2一22）和式（2一23）可得

所以

又根据三角关系

比较式（2一23）和式（2一25）可得

因为函数g的数值是根据高效率条件①和②求出，所以这时的

令式（2一17）等于1，则得

（6）电路参数的计算

将式（2一27）代入（2一14）可得

再将式（2一22）和（2一23）以及（2一26）代入上式，经化简后可得

又因

，确定

后,

就可由上式确定。

由式（2一11）中g的函数表达式可以求得

所以剩余电抗

再由式（2一11）、（2一13）、（2一26），经化简运算后可得

输出功率为

式（2一20）和式（2一21）经化简后可得

式（2一33）和（2一34）就是选用功率开关管器件时的重要条件。

一般来说

类功率放大器对功率开关管器件的工作电流和耐压要求要高一些。

（1）负载网络有载品质因数

的选取

负