甲、丙類級聯(lián)調(diào)諧放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析?

蔡志明，葉輕舟

甲、丙類級聯(lián)調(diào)諧放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析?

蔡志明，葉輕舟

（福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系，福州350108）

目前，甲、丙類調(diào)諧放大器的理論研究較為離散，缺少多級級聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析與測試方法。根據(jù)設(shè)計(jì)案例指標(biāo)需求，結(jié)合理論分析，采用Multisim進(jìn)行仿真與測試，對級聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中元件參數(shù)測量、電路參數(shù)計(jì)算、系統(tǒng)穩(wěn)定性調(diào)整、工作狀態(tài)調(diào)整、效率計(jì)算、阻抗匹配等關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)解析。仿真實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求，可作為甲、丙類多級級聯(lián)調(diào)諧放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。

調(diào)諧放大器；甲丙類級聯(lián)；理論分析；仿真；調(diào)試

1 引言

調(diào)諧放大器亦稱諧振放大器，在高頻無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，可以分為電平放大和功率放大兩大類。前者可用于對微伏數(shù)量級的高頻信號進(jìn)行電平放大，主要關(guān)注電壓增益；后者用于進(jìn)行功率放大，主要關(guān)注放大器的功率增益和效率。調(diào)諧放大器采用諧振回路作為負(fù)載，集放大、選頻于一體，需要考慮的技術(shù)指標(biāo)包括諧振頻率、增益、通頻帶、工作穩(wěn)定性等，這些指標(biāo)之間既有聯(lián)系又有矛盾；在高頻工作時(shí)，晶體管內(nèi)部的電容效應(yīng)帶來的寄生反饋容易導(dǎo)致管子工作不穩(wěn)定；調(diào)諧放大器電路常采用π型等效電路或Y參數(shù)等效電路進(jìn)行分析，這些等效電路的元件參數(shù)與工作頻率、直流靜態(tài)工作點(diǎn)等有關(guān)，而晶體管手冊一般只提供某種特定工作條件下的參數(shù)，與實(shí)際工作條件會(huì)有較大的差異；在多級級連時(shí)，由于前后級之間相互影響，使得理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大誤差，同時(shí)也會(huì)給系統(tǒng)分析帶來干擾。以上這些因素的存在使得調(diào)諧放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整變得十分困難和繁瑣。為此，結(jié)合理論分析，先進(jìn)行仿真和調(diào)整，再進(jìn)行實(shí)際的硬件電路制作與調(diào)試是比較好的設(shè)計(jì)方法。對于調(diào)諧放大器的理論分析、設(shè)計(jì)和仿真，前人已經(jīng)做了大量的工作。1965年，Slatter［1］采用傅里葉分析推導(dǎo)了大信號的晶體管調(diào)諧功率放大器的集電極電流波形表示式。Kazimierczuk等［2］對丙類、戊類的調(diào)諧功率放大器進(jìn)行了系統(tǒng)的比較和分析，得出了C類放大器具有較高的工作頻率而E類放大器則具有較高的效率等結(jié)論。Sivonen［3］提出了一種集成的低噪聲諧振放大器的增益穩(wěn)定性技術(shù)，該技術(shù)依賴于高精度的集成電阻。王康壽等［4］把晶體管諧振放大器的匹配條件分為3種，并給出了最佳匹配條件。Yamazoe［5］采用SPICE仿真分析并設(shè)計(jì)了一種工作于短波頻段的寬帶調(diào)諧功率放大器，它通過控制旁路電容獲取較高的輸出功率，并采用傳輸線變壓器等實(shí)現(xiàn)較寬通頻帶。Lungu［6］等利用傅里葉分析并結(jié)合Matlab仿真建立了設(shè)計(jì)戊類諧振放大器所需的基本功能函數(shù)表達(dá)式。任青蓮［7］采用SPICE仿真軟件對高頻小信號諧振放大器的通頻帶、功率增益等性能進(jìn)行了仿真分析。辛修芳等［8］利用Multisim2001對單級丙類調(diào)諧放大器電路進(jìn)行了仿真，討論了集電極電流、輸出電壓、輸出功率、集電極效率等。Cui［9］等利用Multisim對甲類調(diào)諧放大器進(jìn)行仿真，主要是通過修改元件參數(shù)來觀測仿真結(jié)果，沒有系統(tǒng)地結(jié)合理論進(jìn)行分析和調(diào)整。以上這些研究只是對單級放大器，或者同一類型的放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析或仿真，沒有考慮不同類型放大器多級級聯(lián)的情形。從近幾年的文獻(xiàn)看，對于調(diào)諧放大器的研究更多地放在高效率的放大器設(shè)計(jì)上，但是高效的調(diào)諧放大器是以大信號輸入為代價(jià)的，其供電電源電壓一般都比較高。在實(shí)際應(yīng)用中，采用低壓供電，對微弱信號進(jìn)行放大的應(yīng)用場合仍然很多，因而，基礎(chǔ)的甲類、丙類調(diào)諧放大器的設(shè)計(jì)仍然很重要。為此，本文仿照實(shí)際的設(shè)計(jì)案例，規(guī)定技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合理論并采用Multisim進(jìn)行仿真分析，對多級級連的甲類、丙類調(diào)諧放大器的設(shè)計(jì)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，以期為甲、丙類調(diào)諧放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)思路

2.1 技術(shù)指標(biāo)

不失一般性，假設(shè)調(diào)諧放大器工作中心頻率為10.7 MHz，供電電源電壓為3.6 V，輸入信號電壓幅度小于等于10μV，要求輸出功率大于等于5 mW，-3 dB帶寬小于等于1 MHz，調(diào)諧放大器輸出負(fù)載為50Ω。

2.2 設(shè)計(jì)思路

由于輸入信號極其微弱，需要先進(jìn)行電壓放大，考慮到高電壓增益的要求，前端采用三級甲類調(diào)諧放大器對弱信號進(jìn)行電壓放大。同時(shí)，為了滿足功率增益的需求，末級采用丙類調(diào)諧功率放大器，系統(tǒng)采用3.6 V電源供電。晶體管采用高增益BC548C，由該管的數(shù)據(jù)手冊的hFE～I(xiàn)C關(guān)系曲線可以看出：在常溫下當(dāng)集電極靜態(tài)電流IC∈（0，5 mA）時(shí)，該管的電壓增益較大且較為平穩(wěn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可取3 mA。

3 調(diào)諧放大器理論分析與計(jì)算

在設(shè)計(jì)調(diào)諧放大器時(shí)，借助Multisim仿真，可以隨意調(diào)整各個(gè)元器件的參數(shù)，并通過示波器、波特儀等仿真儀器來調(diào)整電路。但仿真也不能盲目進(jìn)行，需要在理論指導(dǎo)下進(jìn)行。以下對甲、丙類調(diào)諧放大器設(shè)計(jì)中相關(guān)的理論進(jìn)行分析。

3.1 晶體管Y參數(shù)

以圖1（a）共射電路為例，其Y參數(shù)等效電路如圖1（b），根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)方程一般較小，有時(shí)可以忽略。

理論上可利用Multisim的阻抗測量儀（Impedance Meter）測量晶體管在f=10.7 MHz時(shí)的zi、zo（圖1（c）為測量zi的情形），再根據(jù)阻抗與導(dǎo)納的倒數(shù)關(guān)系求得gi、go、Ci、Co4個(gè)參數(shù)。但是，實(shí)際上在高頻工作條件下，晶體管的Y參數(shù)與靜態(tài)工作點(diǎn)、工作頻率等密切相關(guān)，因此上述的測量方法并不準(zhǔn)確。而晶體管的參數(shù)手冊給出的參數(shù)是在特定條件下測得的，在具體電路設(shè)計(jì)時(shí)也只能作為大致的參考。因而，針對具體的應(yīng)用場合，gi、go、Ci、Co4個(gè)參數(shù)的測量是調(diào)諧放大器電路設(shè)計(jì)與調(diào)整的關(guān)鍵。

可得到Y(jié)參數(shù)yi、yf、yr、yo。由于Y參數(shù)一般為復(fù)數(shù)，可令yi=gi+jωCi，yo=go+jωCo，工程上

3.2 甲類調(diào)諧放大器電壓放大倍數(shù)

甲類調(diào)諧放大器由于發(fā)射結(jié)采用正偏置，適合于對高頻小信號進(jìn)行電壓放大，常用在系統(tǒng)前級。單級甲類調(diào)諧放大器電路及其交流等效電路如圖2所示。下面分析其電壓放大倍數(shù)的計(jì)算。

如圖2的Q1級，假設(shè)晶體管集電極接入LC回路的接入系數(shù)為p1，下一級輸入端通過變壓器線圈耦合到LC回路的接入系數(shù)為p2，LC回路兩端的導(dǎo)納為yL，晶體管輸出端向右看的等效導(dǎo)納為y′L。

集電極電壓˙Uc和輸出電壓˙Uo之比等于它們在LC回路上的接入系數(shù)p1和p2之比

由式（2）、（3）得到單級放大器的電壓放大倍數(shù)

把

其中：

LC回路諧振時(shí)，ωC∑=1／ωL，電壓放大倍數(shù)大小簡化為

根據(jù)上面的分析不難得出，當(dāng)單級調(diào)諧放大器不接下一級電路時(shí)，其諧振電壓增益為

3.3 晶體管gi、go、Ci、Co參數(shù)測量

（1）理想變壓器耦合系數(shù)

為簡單起見，變壓器采用Multisim的理想變壓器TS-IDEAL進(jìn)行仿真，其耦合系數(shù)k=1。設(shè)變壓器初級、次級回路的電感、電容分別為L、L′、C、C′，

考慮初次級之間互感影響，由變壓器理論可知初級的總阻抗為

當(dāng)諧振時(shí)，Zin的虛部為0，可得初級諧振頻率為

設(shè)次級對初級的接入系數(shù)為p，諧振頻率又可近似表示為

由式（8）、（9）可得

（2）Co、go的測量

為了測量Co、go，去掉圖2（a）陰影部分的電路。為簡單起見，接入系數(shù)p1調(diào)整為1。供電電壓取3.6 V，調(diào)整Q1的直流偏置電阻Rb1、Rb2，并通過Multisim的“DC Operating Point Analysis”觀測晶體管發(fā)射極靜態(tài)電流IE，使之達(dá)到3 mA。然后在Q1的基極輸入f0=10.7 MHz的高頻小信號，利用f0≈估算并設(shè)置L、C的初始值。用示波器觀測LC回路兩端的電壓，調(diào)節(jié)電容C的容值，使回路兩端的電壓達(dá)到最大，則此時(shí)回路諧振在10.7 MHz，即C、p1均已知，因此可求Co。根據(jù)公式（6），得到線性儀多次測得10.7 MHz諧振點(diǎn)的電壓增益Au得到線性方程組，用最小二乘法即可求yf、go。Multisim仿真測得Co=3.45 pF，yf=0.1137 s，go=390.54μs。

（3）Ci、gi的測量

保留圖2（a）陰影部分的電路。為簡單起見，接入系數(shù)p1調(diào)整為1。供電電壓取3.6 V。發(fā)射極靜態(tài)電流IE調(diào)到3 mA。同樣在Q1的基極輸入f0= 10.7 MHz的高頻小信號。為了防止Q2級的負(fù)載電抗通過反向傳輸導(dǎo)納影響到輸入端，進(jìn)而影響Q1級的電壓增益，首先調(diào)整Q2的負(fù)載回路，使其諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離10.7 MHz（例如諧振在30 MHz附近，使之對Q1的諧振點(diǎn)的影響幾乎可以忽略）。然后，仿照前面的方法調(diào)整C，使Q1負(fù)載回路諧振在10.7 MHz，C1、p1、Co均已知，p2可由公式（10）求得，因此可求p1p2yf-Au·g-A·go，改變電阻R，利用波特儀多次測得10.7 MHz諧振點(diǎn)的電壓增益Au得到線性方程組，利用最小二乘法即可求gi。Multisim仿真測得Ci=106.59 pF，gi=50.81μs。

3.4 丙類調(diào)諧放大器工作狀態(tài)

甲類調(diào)諧放大器管子工作時(shí)處于全導(dǎo)通狀態(tài)，集電極耗散功率較大效率較低。為了降低耗散功率，需要減小集電極電流的導(dǎo)通時(shí)間。丙類調(diào)諧放大器的集電極電流半導(dǎo)通角θ＜90°，可獲得較高的輸出功率和效率。為此，在系統(tǒng)末級采用丙類調(diào)諧放大器，見圖3的Q4級。丙類放大器根據(jù)其集電極交流電流iC是否出現(xiàn)凹陷分為欠壓、臨界、過壓3種工作狀態(tài)，可以通過改變供電電壓VCC、負(fù)載回路的諧振等效電阻Rp、發(fā)射結(jié)直流偏置電壓VBB以及輸入信號的電壓幅值Ubm等來調(diào)整管子的工作狀態(tài)。當(dāng)其工作在臨界狀態(tài)時(shí)管子的輸出功率和效率均較高。其中發(fā)射極電流中的直流分量在Re4上產(chǎn)生的電壓為管子的發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏置，使θ＜90°。

4 電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

如前所述，為了對微弱信號進(jìn)行放大，同時(shí)為了給末級的丙類功率放大器的調(diào)整提供足夠的電壓增益裕量，系統(tǒng)前端采用三級甲類調(diào)諧放大器，末級采用丙類調(diào)諧放大器進(jìn)行功率放大。系統(tǒng)電路如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整過程為：首先確定直流靜態(tài)工作點(diǎn)，然后根據(jù)工作頻率理論計(jì)算諧振回路的元件參數(shù)，結(jié)合中和電容進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)整，再對丙類放大器的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最后根據(jù)調(diào)整好的虛擬負(fù)載與實(shí)際負(fù)載進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。由于前后級之間會(huì)相互影響，系統(tǒng)調(diào)試需要經(jīng)過不斷調(diào)整才能達(dá)到滿意的結(jié)果。

4.1 直流靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算

以圖3的Q1級為例，取IC=3 mA，則

取Rb1=Rb2=2 kΩ，則Rbe1≈370Ω。

4.2 諧振點(diǎn)與電壓放大倍數(shù)計(jì)算

以圖3的Q1級為例，取T1的初次級線圈的電感為L1i=3μH、L1o=1μH。接入系數(shù)p1=1，p2=

得到C1=34 pF。R1取20 kΩ，則理論上電壓放大倍數(shù)

前三級甲類采用基本相同的電路，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)R1～R3來改變電壓增益和通頻帶。前三級甲類放大器的信號輸出作為末級丙類放大器的信號輸入，其電壓幅度太小會(huì)導(dǎo)致Q4工作于欠壓狀態(tài)，太大又會(huì)導(dǎo)致Q4工作于過壓狀態(tài)。因此，需要不斷調(diào)節(jié)R1～R3，在滿足通頻帶要求的條件下，盡量讓Q4工作接近于臨界狀態(tài)。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性調(diào)整

一般晶體管的yr≠0，這使得輸出信號會(huì)反饋到輸入端，引起放大器工作不穩(wěn)定。為消除不穩(wěn)定，可以引入中和電容，如圖3的CN1、CN2。以Q2、Q3級為例，調(diào)整CN2，通過波特儀觀測Q2級的幅頻特性，如圖4所示。當(dāng)Q3級沒有接中和電容CN2時(shí)，由于其輸出電壓反饋到輸入端，即Q2的輸出端，導(dǎo)致Q2級在諧振點(diǎn)的幅頻特性曲線出現(xiàn)凹陷，如曲線2。而Q2級理論計(jì)算的幅頻特性曲線應(yīng)為曲線1。為了減小Q3級輸出通過yr反饋到輸入對Q2級產(chǎn)生影響，在Q3級輸出的反相變壓器和輸入端之間引入中和電容CN2，將輸出信號反相反饋到輸入端以抵消晶體管內(nèi)部電容的影響。調(diào)節(jié)CN2，觀測Q2級的幅頻特性曲線，當(dāng)調(diào)整到如曲線3，和理想的曲線1較為接近時(shí)CN2即調(diào)整完畢。同理，調(diào)整其他級的中和電容。

此外，為了減小高頻信號對直流供電電源的影響，在每一級的直流饋電處引入由Rxi、Cxi（i=1，2，…，4）組成低通濾波器，作為電源退耦電路，由低通濾波器的幅頻特性可知，參數(shù)取值需要滿≤2πf0。

4.4 丙類調(diào)諧放大器的調(diào)整

在Q4的集電極串連一個(gè)小電阻（如1Ω），用示波器測量該電阻兩端的電壓波形，即可觀測集電極交流電流iC。若iC出現(xiàn)凹陷，則說明管子工作在過壓狀態(tài)，可通過減小Rp、Ubm使管子由過壓狀態(tài)進(jìn)入臨界；若iC未出現(xiàn)凹陷，可適當(dāng)增加Rp、Ubm，當(dāng)iC接近于出現(xiàn)凹陷時(shí)即為臨界點(diǎn)。其中Ubm的改變可以通過改變前幾級甲類放大器的電壓增益實(shí)現(xiàn)；而Rp可通過RL來調(diào)整。理論上，為了減小負(fù)載對諧振回路的影響，RL應(yīng)取值較大，以提高諧振回路的選頻特性，減小高次諧波疊加造成負(fù)載信號波形的失真。但是Rp太大又會(huì)導(dǎo)致管子工作于過壓狀態(tài)，降低管子的效率。根據(jù)需要，當(dāng)管子工作于過壓狀態(tài)時(shí)，需要減小前幾級甲類放大器的增益來減小Ubm，使管子由過壓狀態(tài)向臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)移。為了防止產(chǎn)生調(diào)幅，工作狀態(tài)可選擇臨界向過壓偏移一點(diǎn)。表1為調(diào)整過程中RL取不同值時(shí)，在不同的Ubm條件下，所測得的Q4級的集電極交流電流iC波形、RL電壓波形、輸出功率Po、集電極效率ηc和系統(tǒng)的-3 dB帶寬B0.707。從輸出功率、效率以及波形失真、帶寬要求等整體考慮，RL=200Ω、Ubm=1.03 V時(shí)符合技術(shù)指標(biāo)要求，且效率較高。

4.5 效率計(jì)算

由于系統(tǒng)的輸入信號極其微弱，前級需要采用甲類放大器，但甲類放大器的效率較低。在此只分析末級丙類調(diào)諧放大器的效率。理論上丙類調(diào)諧放大器的輸出功，直流電源供給功率PDC=VCCIc0，管子集電極效其中U為

cm集電極負(fù)載等效諧振電阻Rp上的一次諧波電壓、Ic0為集電極電流的直流分量。忽略諧振回路損耗，則Po等效為RL上獲得的功率，可用Wattmeter進(jìn)行測量，Ic0可用Measurement Probe進(jìn)行測量。各種條件下的測量和計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4.6 阻抗匹配

從末級丙類調(diào)諧放大器調(diào)整可知，負(fù)載RL為 200Ω時(shí)較為理想，而系統(tǒng)輸出的實(shí)際負(fù)載R′L為50Ω。如圖3所示，采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，把小阻抗負(fù)載變換為較大的等效諧振阻抗。由L型網(wǎng)絡(luò)匹配條件，有

其中ZC′=1／(ω0C′)，ZL′=ω0L′，得到L′= 1.288μH，C′=128.83 pF。由Impedance Meter測得匹配網(wǎng)絡(luò)在諧振點(diǎn)的等效阻抗大小為滿足匹配要求。

5 總結(jié)

作為基礎(chǔ)的諧振放大器，甲、丙類調(diào)諧放大器在小信號放大中具有廣泛的應(yīng)用，其分析與調(diào)試是一個(gè)繁瑣且復(fù)雜的過程。針對現(xiàn)有的研究多按照甲、丙類分類進(jìn)行分析的不足，本文借助于仿真，對理論指導(dǎo)下的甲、丙類多級級聯(lián)的調(diào)諧放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，仿真調(diào)試過程及仿真結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)整方法是有效和可行的，對于此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。借助于類似的方法，后續(xù)考慮對其他類，如丁類、戊類等多級級聯(lián)的諧振放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究。

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CAI Zhi-ming was born in Zhangpu，F(xiàn)ujian Province，in 1977.He received the M.S.degree in 2004.He is now a lecturer and currently working toward the Ph.D.degree.His research interests include wireless network communication and signal processing.

Email：caizm＠163.com，caizm＠fjut.edu.cn

葉輕舟（1968—），男，福建羅源人，2005年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)通信和信號處理。

YE Qing-zhou was born in Luoyuan，F(xiàn)ujian Province，in 1968.He received the M.S.degree in 2005.He is now an associate professor.His research interests include wireless network communication and signal processing.

Systematic Design and Simulation Analysis of Class A，C Cascaded Tuned Amplifier

CAI Zhi-ming，YE Qing-zhou
（Department of Electronic Information and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China）

At present，theoretical research on class A，C tuned amplifier is discrete，especially lacking of theoretical analysis and test method for cascaded system.According to the indexes of a design case，combining theoretical analysis with simulation and test by Multisim，some key issues in cascaded system design are detailed，including measurement of component parameters，calculation of circuit parameters，system stability regulation，working condition adjustment，efficiency calculation，impedance matching.Simulation results indicate that the design method achieves the technical requirements and can be a reference for systematic design of class A，C cascaded tuned amplifier.

tuned amplifier；class A，C cascade；theoretical analysis；simulation；adjustment

The Science and Technology Project of Fujian Provincial Education Department（JA09172）；Innovative and Experimental Project of Application-oriented Talent Cultivation Mode，F(xiàn)ujian University of Technology（TMC2010-2-29）

TN722.14

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.003

蔡志明（1977—），男，福建漳浦人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師、博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)通信和信號處理；

1001-893X（2012）07-1068-07

2012-02-17；

2012-04-16

福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA09172）；福建工程學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目（TMC2010-2-29）