通信电子电路实验（二）—— 高频C类谐振功率放大器的设计与仿真

文章目录

实验目的
技术指标
实验原理
实验要求
电路图与实验参数设计
电压瞬态分析
电压傅里叶分析
ici_cic电流瞬时分析
输出功率和转换效率
ici_cic输出波形随RcR_cRc变化

请有条件的同学一定采用pspice仿真，实践证明，相同参数下，pspice仿真的电流波形更加令人舒适：）
另外想略过理论部分的同学请直接点击第五节从电路图与实验参数设计开始看

实验目的

掌握应用电路仿真软件Pspice/Multisim等对高频C类谐振功率放大器的仿真设计方法。
掌握高频C类谐振功率放大器的主要技术指标如中心频率f0f_0f0、输出功率PoutP_{out}Pout、集电极转换效率ηc、集电极等效电阻RcR_cRc的仿真测试方法。

技术指标

C类谐振功率放大器的主要技术指标有中心频率、交流输出功率、直流电源提供功率、集电极转换效率和集电极等效电阻等，具体简述如下。

（1）中心频率（谐振频率）f0f_0f0

C类谐振功率放大器的LC谐振回路发生谐振时所对应的频率称为中心频率，其公式为
f0=12πLCf_0=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}f0=2πLC1

对于LC串联谐振回路，谐振时阻抗最小，电流最大。对于LC并联谐振回路，谐振时阻抗最大，电压也最大。通常LC谐振回路作为C类谐振功率放大器的负载，要求谐振时输出功率最大，故常用LC并联谐振回路。

（2）交流输出功率Pout
Pout=12UcmIc1m=12Ic1m2Rc=Ucm22RcP_{out}=\frac{1}{2} U_{cm}I_{c1m} = \frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c} = \frac{U^2_{cm}}{2R_c}Pout=21UcmIc1m=21Ic1m2Rc=2RcUcm2

其中Rc是晶体管集电极的等效电阻，Ucm是集电极的电压幅度，Ic1m是集电极电流的基波幅度。

（3）直流电源提供功率PDC
PDC=EcIc0P_{DC}=E_cI_{c0}PDC=EcIc0

其中Ec是电源电压，Ic0是集电极电流的直流分量。

（4）集电极转换效率ηc
η=PoutPDC=UcmIc1m2EcIc0\eta = \frac{P_{out}}{P_{DC}}=\frac{U_{cm}I_{c1m}}{2E_cI_{c0}}η=PDCPout=2EcIc0UcmIc1m

其中ξ = Ucm/Ec是集电极的电压利用系数，γ = Ic1m/Ic0是集电极的电流利用系数。

（5）集电极等效电阻Rc
Rc=UcmIc1m=Uc1m22Pout=(Ec−Uces)22PoutR_c=\frac{U_{cm}}{I_{c1m}}=\frac{U^2_{c1m}}{2P_{out}}=\frac{(E_c-U_{ces})^2}{2P_{out}}Rc=Ic1mUcm=2PoutUc1m2=2Pout(Ec−Uces)2
其中UcesU_{ces}Uces是功率管的饱和压降。

实验原理

高频功率放大器是通信系统中发射机的重要组成单元，输出功率和效率是两大主要指标。与低频功率放大器工作在宽带状态下不同，高频功率放大器通常工作在窄带状态。为了减小集电极耗散功率、提高效率，需要减少晶体管的导通时间，因此一般工作在C类状态。

C类功率放大器的导通角小于90°，晶体管的集电极输出电流出现了非线性失真，是一系列周期性的余弦脉冲。为了在负载上获得不失真的完整的余弦电压波形，通常在晶体管的集电极和负载之间使用LC谐振回路或调谐滤波器。这样，虽然晶体管的电流波形存在少于半个周期，但由于LC谐振回路的选频，输出电压的波形是不失真的，仍然是完整的余弦电压波形。

图1是高频C类谐振功率放大器的电路图。基极采用自给偏压方式，集电极采用串联馈电。基极电流的直流分量IB0流过基极自给偏置电阻Rb和高频扼流圈Lb，在Rb上产生的压降为功率管基极提供反向直流偏压，保证功率管工作在C类。高频扼流圈Lb在将自给偏压送到功率管基极的同时，还可防止高频输入信号影响基极的直流偏置。集电极电源EC通过高频扼流圈Lc、高频谐振电感L1为功率管集电极串联供电，电容Cc是高频滤波电容，对功放的高频输出信号短路。高频扼流圈Lc对高频信号开路，在保证为功率管集电极提供直流电源的同时，防止功率管输出的高频交流信号串入电源，起隔离作用。L1、C1组成并联谐振电路，谐振在输入高频信号的频率上。Rc是晶体管集电极的等效电阻。

高频C类谐振功率放大器有欠压、临界、过压三个工作状态，在实验室中，我们可以通过传统的硬件电路实验来研究高频谐振功放的特性，但由于调试不方便，集电极电流较大或负载不小心短路会容易烧坏功率管等因素，实际的实验效果并不理想。此时，采用电路仿真软件来设计和仿真会显得更方便和更安全。高频C类谐振功放的设计需要考虑晶体管极限参数、导通角、输出功率和效率等问题。

实验要求

用电路仿真软件设计一个高频C类谐振功率放大器，要求满足以下技术指标：

工作频率f0=15MHzf_0=15MHzf0=15MHz；
输入信号幅值Vim=1.5VV_{im}=1.5VVim=1.5V；
输出功率Pout=2WP_{out} =2WPout=2W；
效率ηc≥70%η_c ≥ 70\%ηc≥70%；
基极自给偏压馈电；
集电极串联馈电；
电源电压ECE_CEC为12V；
功率管推荐使用Q2N2222，其Icmax=800mAI_{cmax} = 800mAIcmax=800mA，特征频率fT≈398MHzf_T ≈ 398MHzfT≈398MHz。

电路图与实验参数设计

电路图如下：

对于一些不是我们控制的元件其取值是有经验数值的：

元器件	数量级
Lb和LcL_b 和L_cLb和Lc	101mH10^1mH101mH
R1R_1R1	101Ω10^1 \Omega101Ω
CcC_cCc	101μF10^1\mu F101μF

而其他参数我们就可以用类似控制变量的方式确定大致数量级了

1️⃣ 对于L1L_1L1和C1C_1C1的参数确定，由
f0=15MHz=12πLCf_0=15MHz=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}f0=15MHz=2πLC1
我控制L1L_1L1为 101nH10^1nH101nH级别，而电容C1C_1C1根据计算，得到大概是 101nF10^1nF101nF级别。

2️⃣而对于RcR_cRc，由于实验要求Pout=2WP_{out}= 2WPout=2W，

而一般三极管饱和压降Uces≈0.3VU_{ces}\approx0.3VUces≈0.3V，由此，我们可以得到

Rc=(Ec−Uces)22Pout≈34ΩR_c =\frac{(E_c-U_{ces})^2}{2P_{out}}\approx 34\OmegaRc=2Pout(Ec−Uces)2≈34Ω 之所以略掉小数，一方面是BJT饱和压降也是不稳定的，另一方面是因为我们实际的电阻，都是5%精度的，稍微贵一点的大概是1%精度的，因此那些小数真的意义不大，一般不用费脑子输入那些小数：）

如果确定数量级别，那么根据波形的好坏进行微调以后，具体的参数就不难出来了：

元件	参数
L1L_1L1	8.6nH8.6nH8.6nH
C1C_1C1	12.6nF12.6nF12.6nF
Lb和LcL_b 和L_cLb和Lc	10mH10mH10mH
R1R_1R1	10Ω10\Omega10Ω
CcC_cCc	10μF10\mu F10μF

这里建议大家用上可变电容和可变电阻，

你可以实时的看示波器波形，同时利用快捷键进行调参。实际电路中，我们也可能用好几个电位器对着示波器进行调参的（如果没有经验真的是苦不堪言）。

比如我这里调参感觉43% 63%合适，因为f0=1/T≈14.97MHzf_0=1/T\approx14.97MHzf0=1/T≈14.97MHz，因此我就用了这个值了。

电压瞬态分析

波形如下：

频率：f0=1/T=133.397ns≈14.97MHzf_0=1/T=\frac{1}{33.397ns}\approx14.97MHzf0=1/T=33.397ns1≈14.97MHz

幅值Vcpp=13.91VV_{cpp}=13.91VVcpp=13.91V

电压傅里叶分析

这里修改为傅里叶分析：

分析参数调整如下：

傅里叶分析结果如下：

首先我们能看到基波频率很接近15MHz

然后分析图表，直流分量为0次谐波（Harmonic 0），基波为1次谐波（Harmonic 1），单位为A

直流分量Ic0=313.82mA直流分量 I_{c0}=313.82mA直流分量Ic0=313.82mA

基波Ic1m=533.30mA基波 I_{c1m}=533.30mA基波Ic1m=533.30mA

ici_cic电流瞬时分析

Rc=34ΩR_c=34\OmegaRc=34Ω

输出功率和转换效率

交流输出功率Pout
Pout=12UcmIc1m=12Ic1m2Rc=Ucm22RcP_{out}=\frac{1}{2} U_{cm}I_{c1m} = \frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c} = \frac{U^2_{cm}}{2R_c}Pout=21UcmIc1m=21Ic1m2Rc=2RcUcm2
∵ 基波Ic1m=533.30mA基波 I_{c1m}=533.30mA基波Ic1m=533.30mA，Rc=34ΩR_c=34\OmegaRc=34Ω
∴ Pout=12Ic1m2Rc=3.77WP_{out}= \frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c}=3.77WPout=21Ic1m2Rc=3.77W
直流电源提供功率PDC
PDC=EcIc0P_{DC}=E_cI_{c0}PDC=EcIc0
∵ 电源电压Ec=12.0V电源电压E_{c}=12.0V电源电压Ec=12.0V，Ic0=313.82mAI_{c0}=313.82mAIc0=313.82mA
∴ PDC=EcIc0=4.83WP_{DC}=E_cI_{c0}=4.83WPDC=EcIc0=4.83W
集电极转换效率ηc
η=PoutPDC=3.77W4.83W=78.05%>70%\eta = \frac{P_{out}}{P_{DC}}=\frac{3.77W}{4.83W}=78.05\%>70\%η=PDCPout=4.83W3.77W=78.05%>70%

ici_cic输出波形随RcR_cRc变化

Rc=34ΩR_c=34\OmegaRc=34Ω
Rc=35ΩR_c=35\OmegaRc=35Ω
Rc=36ΩR_c=36\OmegaRc=36Ω