高頻功率放大器分析與仿真

李志威

【摘 要】在高頻信號(hào)的處理中，其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是信號(hào)不失真的放大，同時(shí)也要盡可能效率更高。高頻功率放大器中應(yīng)用最廣泛的為丙類諧振功率放大器（以下簡(jiǎn)稱丙類功放），它能滿足這些要求。本文分析了丙類功放的電流電壓波形，同時(shí)使用Multisim軟件對(duì)丙類功放的電流電壓波形進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】丙類功放；電流波形；電壓波形；Multisim

中圖分類號(hào)： TN722.75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0138-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.063

【Abstract】In high frequency signals processing， one of the important link is undistorted amplification， being more efficient as far as possible. The most widely used high frequency power amplifier is class C resonant power amplifier （hereinafter referred to as class C power amplifier）， which can meet these requirements. In this text， the current and voltage waveform of class C amplifier is analyzed， and the current and voltage waveform of class C amplifier is simulated and verified by Multisim software.

【Key words】Class C power amplifier； Current waveform； Voltage waveform； Multisim

1 高頻功率放大器的一般要求

調(diào)制后待發(fā)射的高頻信號(hào)，或者剛進(jìn)入接收機(jī)的高頻信號(hào)都有頻率高和幅度小的特點(diǎn)，為了處理這類信號(hào)，一般都要先進(jìn)行放大處理。而低頻功率放大器中常用的甲類、乙類和甲乙類放大器都有一定的局限性，比如甲類功率放大器效率比較低，乙類和甲乙類雖然效率較高，但是頻率響應(yīng)范圍一般處于較低頻段。綜合考慮，對(duì)于高頻信號(hào)的放大，一般采用丙類功放，它的放大效率比乙類和甲乙類功放高，響應(yīng)頻率高，并且對(duì)于高頻信號(hào)能不失真的放大輸出。

2 丙類功放的電流電壓波形分析[1-2]

如圖1所示，為丙類諧振功放的基本原理圖，丙類功放的導(dǎo)通角小于180度，為了使它工作在丙類狀態(tài)，則需要給它一個(gè)很小的正向偏壓VBB，甚至給它一個(gè)負(fù)的偏壓，使得輸入信號(hào)只有小于半個(gè)周期的部分能通過放大器。

假設(shè)輸入信號(hào)函數(shù)表示式為ui=Uimcos（ωt），為余弦信號(hào)，波形如圖2所示。放大器處于丙類狀態(tài)，則實(shí)際加在三極管基極與發(fā)射極之間的偏置電壓uBE的波形如圖2所示，在高于三極管導(dǎo)通電壓uBE（on）的部分才能使三極管導(dǎo)通。在導(dǎo)通的這部分時(shí)間內(nèi)，基極電流iB波形應(yīng)為圖2中所示的脈沖波形。

對(duì)于電路的輸出部分，在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)才有輸出，在不導(dǎo)通的這段時(shí)間，輸出為零，所以輸出的電流iC波形如圖3所示，也為脈沖波形。如果這個(gè)電流信號(hào)直接加在負(fù)載上，則輸出電壓波形將也為脈沖波形，對(duì)比輸入的ui波形，將產(chǎn)生嚴(yán)重失真。

一方面，注意到iC的波形雖然為脈沖波形，但是同時(shí)也為周期波形，所以可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開，展開后為iC=IC0+Ic1mcos（ωt）+Ic2mcos（2ωt）+……+Icnmcos（nωt），其中基波電流項(xiàng)Ic1mcos（ωt） 為與輸入信號(hào)頻率相同的項(xiàng)，即為不失真項(xiàng)，其余項(xiàng)則是與輸入信號(hào)頻率信息不同。所以輸出電路的一個(gè)重要作用就是濾除無用項(xiàng)，獲得有用的基波電流項(xiàng)。

另一方面，注意到輸出回路中含有并聯(lián)諧振回路，只要該諧振回路的諧振頻率等于輸入信號(hào)頻率ω，既可以從iC電流中獲得不失真的基波電流Ic1mcos（ωt），與此同時(shí)，如果諧振電阻Re與晶體管所需集電極負(fù)載相等，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，即可獲得最大的不失真電壓輸出uc，波形如圖3所示。

3 丙類功放的仿真

本文仿真采用美國(guó)NI公司的Multisim仿真軟件，仿真電路圖如圖4所示，仿真電路根據(jù)圖1電路設(shè)計(jì)，輸入信號(hào)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，輸入信號(hào)頻率為465KHz，幅值為350mVrms。

由先前的分析知道，放大電路處于丙類狀態(tài)，所以仿真電路中的三極管基極與發(fā)射極之間的偏置電壓設(shè)置為0.05V，集電極與發(fā)射極之間偏置電壓設(shè)置的比較高，避免iC波形進(jìn)入過壓狀態(tài)。由于三極管導(dǎo)通時(shí)間很短，相當(dāng)于處于頻繁的開關(guān)狀態(tài)，又由于三極管的開關(guān)速度限制[3]，所以仿真電路中增加了C2電容進(jìn)行iB波形的整形。

由于示波器顯示的為電壓波形，且電壓與電流是成正比關(guān)系的，所以仿真電路中加入電阻R1和R2是為了觀測(cè)基極電流iB和集電極電流iC，電流iB和iC的波形應(yīng)與示波器顯示的電壓波形的波形、頻率等參數(shù)一致，只是在幅度上有所差別。仿真電路中的并聯(lián)諧振回路中，電容和電感的參數(shù)能保證其諧振頻率在465KHz附近。

示波器仿真波形如圖5所示，示波器1的通道A的為iB波形，通道B為iC波形，對(duì)比兩個(gè)波形可以知道，與之前分析一致，它們都為周期脈沖波形，且頻率與輸入波形一致；示波器2的通道A為輸入信號(hào)波形，通道B為輸出波形，可以看到輸出與輸入波形存在相位上差別，這是由于三極管放大電路以及諧振回路產(chǎn)生的相移，但是輸入輸出波形的頻率、波形等參數(shù)都沒有發(fā)生變化，實(shí)際輸出波形也有一定的放大。

所以得出結(jié)論，丙類諧振功放能對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行有效的放大，且波形不失真。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]陳學(xué)鋒.淺談晶體三極管開關(guān)速度的提高[J].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2015年3月，第23卷，第2期：10-12.