基于MATLAB的C類功率放大器設(shè)計(jì)

高 磊，趙婷婷

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

高頻功率放大器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、廣播等電子設(shè)備中，是通信系統(tǒng)發(fā)送裝置的重要組件。高頻功率放大器按其工作頻帶劃分為窄帶放大器和寬帶放大器。窄帶放大器通常以選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧放大器或諧振放大器。按工作狀態(tài)的不同，功率放大器又可以分為A類、B類、C類、D類、E類…。A類放大器線性好，電路簡(jiǎn)單，但輸出效率低；B類放大器比A類放大器效率略高，而C類放大器效率又高于B類；D類和E類屬于開關(guān)型放大器，這類放大器效率比C類更高，但工作機(jī)理與A、B和C類不同。就A、B和C三類放大器而言，C類放大器的效率最高，但由于它是非線性電路，波形易產(chǎn)生失真。

C類放大器由于導(dǎo)通角小于90°，集電極電流失真嚴(yán)重，輸出端需要配置濾波網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為了輸出最大功率，還要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。匹配網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)連在一起，相互影響，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)使匹配網(wǎng)絡(luò)降低作用，輸出功率大打折扣，且波形失真不能消除，這是C類功率放大器設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)之一。本文將C類放大器的輸出匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為交流等效電路，求出等效電路的整體傳遞函數(shù)，利用MATLAB繪制傳遞函數(shù)曲線。通過分析傳遞函數(shù)在基波上的增益和諧波上的衰減情況，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。該方法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算公式少，設(shè)計(jì)效率高且精度較高。

目前，雖然市場(chǎng)上有多款商業(yè)電子仿真軟件在銷售，為電路設(shè)計(jì)提供了便利條件，但這些軟件不能解決電路的優(yōu)化問題，最佳方案和元件最佳參數(shù)還要靠設(shè)計(jì)者自己解決。

1 電路方案選擇

C類功率放大器的電路形式很多[1-3]，圖1是常用電路之一。基極偏置電壓是零電壓或負(fù)電壓，輸入高頻信號(hào)（這里只給出原理性的簡(jiǎn)化電路）由基極加入。在集電極回路要解決直流饋電、隔直、阻抗匹配和濾波等問題。集電極一般通過一個(gè)扼流圈L（或抽頭變壓器）連接到電源，以提供直流饋電并阻斷交流進(jìn)入電源。C是隔直兼耦合作用的電容，防止負(fù)載回路對(duì)直流饋電造成短路。交流信號(hào)由集電極通過C、匹配網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)輸出到負(fù)載，該饋電方式為并饋。設(shè)計(jì)中，匹配網(wǎng)絡(luò)也可安排在濾波網(wǎng)絡(luò)之后。匹配網(wǎng)絡(luò)一般有L型、T型和Π型三種，L型匹配網(wǎng)絡(luò)形式最簡(jiǎn)單。這里的匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型，其交流等效電路如圖2所示。

圖2 交流等效電路

2 確定元件參數(shù)

確定元件參數(shù)是設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。圖2中扼流圈L和耦合電容C一般憑經(jīng)驗(yàn)選擇，數(shù)值應(yīng)大一點(diǎn)，但也不能太大，否則會(huì)影響集電極調(diào)幅（后面實(shí)現(xiàn)）的作用。其次是設(shè)計(jì)匹配元件Cp和Lp。從圖2交流等效電路可以看出，L和C也構(gòu)成L型網(wǎng)絡(luò)，如果數(shù)值合適也能起到阻抗匹配的作用，所以沒必要用兩級(jí)匹配，可以去掉Cp和Lp，由L和C兼做阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（見圖3）。下面根據(jù)工作頻率和輸出功率要求設(shè)計(jì)L和C。設(shè)放大器電源電壓24 V，輸出功率2 W，工作頻率10 MHz。因集電極飽和壓降Uces≥1.5 V（取2.5 V），故集電極等效負(fù)載電阻為：

選定C之后的等效負(fù)載電阻為 50 Ω（與 RL一致），則L和C求解如下：

該匹配網(wǎng)絡(luò)只是在諧振頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，而在其他頻率上呈現(xiàn)高通特性，對(duì)諧波沒有抑制作用，后面必須加低通（或帶通）濾波器對(duì)諧波進(jìn)行壓制。

下一步設(shè)計(jì)濾波器，在此選低通濾波器。濾波器有多種成熟類型[4]，如巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)和定K型濾波器等，它們各有特點(diǎn)。這些濾波器有規(guī)范的設(shè)計(jì)方法，有圖表和曲線可供查詢，設(shè)計(jì)十分方便。濾波器的階數(shù)根據(jù)截止頻率和帶外衰減（或矩形系數(shù)）來確定。

因工作頻率為10 MHz，所以低通濾波器的截止頻率暫時(shí)選為15 MHz。因帶外衰減（或矩形系數(shù)）沒做具體要求，濾波器階數(shù)暫時(shí)選為4階，類型為巴特沃斯。4階低通巴特沃斯濾波器有兩種形式，它們的原始特性相同，但與匹配網(wǎng)絡(luò)連接后的特性就不一定相同了，所以濾波網(wǎng)絡(luò)要考慮兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 濾波網(wǎng)絡(luò)的兩種結(jié)構(gòu)

濾波元件的參數(shù)根據(jù)假設(shè)的截止頻率fc和負(fù)載電阻 RL計(jì)算[2]如下：

其中g(shù)1和g2是查表[4]得到的巴特沃斯歸一化濾波器元件值。至此輸出網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均已確定。下一步是求輸出網(wǎng)絡(luò)的整體傳遞函數(shù)。先求各元件的ABCD網(wǎng)絡(luò)矩陣，例如L1和C2的矩陣參數(shù)分別為：

其他元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求取方法同上。則兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總矩陣分別是各矩陣級(jí)聯(lián)：

根據(jù)ABCD網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的定義，A參數(shù)的倒數(shù)即為該網(wǎng)絡(luò)的電壓傳遞函數(shù)，即：

取模則分別為：

它們是頻率的函數(shù)。用MATLAB繪制G1和G2曲線，如圖4所示。觀察兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，它們?cè)?次以上諧波（≥30 MHz）的衰減相當(dāng)；在基波（10 MHz）上的增益 G1大于 G2，預(yù)示著 G1的輸出功率大于 G2；在 2次諧波（20 MHz）上 G1比 G2的衰減大，預(yù)示著 G1電路的波形失真小于G2，所以應(yīng)該選擇G1對(duì)應(yīng)的濾波器。選擇的原則是：基波上的幅度越大越好而諧波的幅度越小越好，如果這兩點(diǎn)未達(dá)要求，需調(diào)整截止頻率或增加濾波器階數(shù)，直至滿意。最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖4 MATLAB仿真曲線

圖5 最終設(shè)計(jì)電路圖

3 Multisim仿真

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性，用Multisim10對(duì)圖5進(jìn)行仿真。輸出波形如圖6所示，負(fù)載電壓幅度為13.5 V，計(jì)算輸出功率為1.82 W，接近設(shè)計(jì)值，效率為82.7%。

圖6 輸出負(fù)載電壓波形

C類功率放大器可產(chǎn)生調(diào)幅波輸出，其電路分為基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅?；鶚O調(diào)幅所需驅(qū)動(dòng)功率小，但線性范圍小，不易調(diào)整。集電極調(diào)幅線性范圍大，但所需驅(qū)動(dòng)功率較大。在此設(shè)計(jì)了一個(gè)集電極調(diào)幅電路，并用Multisim10進(jìn)行仿真，電路如圖7所示。

圖7 集電極調(diào)幅電路

集電極調(diào)幅電路應(yīng)工作于過壓狀態(tài)，最大輸出應(yīng)設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)。T1為1：1音頻變壓器，設(shè)置方法見參考文獻(xiàn)[5]，調(diào)制信號(hào)頻率為10 kHz。前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化為V1信號(hào)源。輸出波形如圖8所示。

圖8 集電極調(diào)幅電路波形

4 結(jié)論

利用MATLAB編程對(duì)C類功率放大器輸出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以快速確定電路方案和元件參數(shù)，大大減輕功率放大器設(shè)計(jì)的工作量，提高了工作效率。

該方法不僅可以用于放大器輸出網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，也可以用于級(jí)間網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。不僅可以用于C類功率放大器設(shè)計(jì)，也可以為其他調(diào)諧功率放大器設(shè)計(jì)作參考。

在本實(shí)例中，沒有考慮晶體管的輸出電容，輸出電容對(duì)匹配電路有一定影響，如要考慮輸出電容，只要在電流源的后端加一個(gè)并聯(lián)電容即可，設(shè)計(jì)結(jié)果將更加精確。晶體管輸出電容是一個(gè)變化值，與晶體管偏置狀態(tài)有關(guān)。即使不考慮晶體管輸出電容，輸出波形也已經(jīng)相當(dāng)理想。

[1]于洪珍.通信電子線路（第 1版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]馬鵬飛.高性能低功耗射頻功率放大器的設(shè)計(jì) [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[3]林云，曾浩，胡文江.射頻通信電路[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[4]REINHOLDLUDWIG.射頻電路設(shè)計(jì)—理論與應(yīng)用[M].王子宇，王心悅，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[5]高磊.Multisim變壓器參數(shù)分析與應(yīng)用 [J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（14）：85-87.