丙类谐振功率放大器电路设计

目 录 1 前 言 1 2 丙类谐振功率放大器 1 2 1 BJT 使用注意事项 1 2 1 1 集电极最大允许电流 ICM 2 2 1 2 集电极最大允许耗散功率 PCM 2 2 1 3 二极管击穿耐量 PSB 2 2 1 4 发射极开路 集电极 基极间反向击穿电压 U BR CEO 2 2 2 丙类谐振功率放大器电路 2 2 3 丙类谐振功率放大器工作原理 4 2 4 丙类谐振功率放大器电路分析 4 2 4 1 丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路 5 2 4 2 丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路 5 2 4 3 匹配网络 6 2 4 4 VBB VCM VBM VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析 6 3 丙类谐振功率放大器电路的设计 11 3 1 丙类谐振功率放大器设计 11 3 1 1 晶体管的选择 11 3 1 2 判别三极管类型和三个电极的方法 12 3 1 3 电容的选择 12 3 2 电路设计与分析 13 3 2 1 电路设计基本事项 13 3 2 2 电路设计与分析 14 3 3 电路仿真 15 3 3 1 ELECTRONICS WORKBENCH EDA 简介 15 3 3 2 基于 EWB 电路仿真用例 15 4 对丙类谐振功率放大器的展望 17 结 论 17 谢 辞 18 参 考 文 献 19 1 前 言 电子技术迅猛发展 由分立元件发展到集成电路 中小规模集成电路 大规模集成 电路和超大规模集成电路 基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元 弱电控制 强电在许多电子设备中需要用到 放大器在当今和未来社会中的作用日益增加 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一 通信电路中 为了弥补信号在无 线传输过程中的衰耗 要求发射机具有较大的输出功率 而且 通信距离越远 要求输 出功率越大 所以 为了获得足够大的高频输出功率 必须采用高频功率放大器 高频 功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分 丙类谐振功率放大器在人类生活中得到 了广泛的应用 而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出 研究它具 有很高的社会价值 这里主要介绍放大器核心部件 BJT 丙类谐振功率放大器的电路组成及其原理 设 计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真 以及对丙类谐振功率放大器发展的展望 2 丙类谐振功率放大器 2 1 BJT 使用注意事项 晶体管作为放大器的核心部件 为使电路发挥其更高价值 一定要注意 在使用晶 体管时 让其工作在安全工作区内 安全工作区如图 2 1 1 所示 图图 2 1 12 1 1 晶体管安全工作区晶体管安全工作区 2 1 1 集电极最大允许电流 ICM 当 IC 超过 ICM 后 放大器性能降低 若 IC 过大也可能烧坏晶体管 2 1 2 集电极最大允许耗散功率 PCM 晶体管在集电极上产生的功耗使集电结发热 超过集电结的最大耗散功率后 晶体 管可能会被烧坏 大功率管中为提高 PCM 一般外装散热器 2 1 3 二极管击穿耐量 PSB 由于二次击穿是不可逆的 在使用时必须要求不发生二次击穿 2 1 4 发射极开路 集电极 基极间反向击穿电压 U BR CEO 使用时 集电结电压超过 U BR CEO后 会使晶体管造成永久性损坏或功能下降 2 2 丙类谐振功率放大器电路 在放大器原理上 功率放大器与其他放大器一样 都是能量转换器件 最主要是安 全 高效和不失真 失真在允许范围内 地输出所需信号功率 为高效率输出信号且不 失真 或失真在允许的范围内 通常采用丙类谐振功率放大器 本章主要介绍丙类谐振 功率放大器的电路组成和工作原理并对各种状态进行分析 在丙类谐振功率放大器中 管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成 如图 2 2 1 所示为集电极直流馈电电路 串馈 图中 LC为高频扼流圈 它与 CC构成电 源滤波电路 需要在信号频率上 LC的感抗很大 接近于开路 CC容抗很小 接近于短路 目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈 造成工作不稳定 由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅 因此 在 基极通常采用自给偏置电路 如图 2 1 2 所示 提高的偏置电压是由基极电流脉冲 iB中的 平均分量 IBO在高频扼流圈 LB中固有直流电阻上产生的压降 电路中 LB为功率管基极电 路提供直流通路 滤波匹配网络介于晶体管和外接负载之间 充分滤除不需要的高次谐波 以 保证负载上的输出基波功率 图图 2 2 12 2 1 集电极直流馈电电路 串馈 集电极直流馈电电路 串馈 图图 2 2 22 2 2 自给偏置电路自给偏置电路 图 2 2 3 为丙类谐振功率放大器的简单基本电路 输入端采用自给偏置电路 输出端 为集电极直流馈电电路 串馈 图图 2 2 32 2 3 丙类谐振功率放大器的简单基本电路丙类谐振功率放大器的简单基本电路 2 3 丙类谐振功率放大器工作原理 图 2 3 1 为丙类谐振功率放大器原理图 为实现丙类工作 基极偏置电压 VBB应设置在 功率的截止区 输入回路 由于功率管处于截止状态 基极偏置电压 VBB作为结外电场 无法克服结内电场 没 有达到晶体管门坎电压 从而 导致输入电流脉冲严重失真 脉冲宽度小于 90o 由 iC iB知 iC也严重失真 且脉宽小于 90o 输出回路 若忽略晶体管的基区宽度调制效应以及结电容影响 在静态转移特性曲线 iC VBE 上 画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列 脉冲宽度小于半个周期 图图 2 3 12 3 1 丙类谐振功率放大器原理图丙类谐振功率放大器原理图 由 Dirichlet 收敛定理可知 可将电流脉冲序列 iC分解成平均分量 基波分量和各次 谐波分量之和 即 iC ICO Ic1mcos St Ic2m cos2 St 由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对 iC中的基波分量呈现的阻抗很 大 且为纯电阻 而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小 可以忽略 这样 在负载 上得到了所需的不失真的信号功率 2 4 丙类谐振功率放大器电路分析 本节主要在丙类谐振功率放大器管外电路进行分析 谈论 VBB Vbm VCC 和 Vcm对放大 器的影响 2 4 1 丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路 我们知道 丙类谐振功率放大器输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电压 采用这种 方式可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出的作用 但要注意 存在自给偏置电路 的丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号 载波 调频信号 而不适宜放大调幅信号 否 则调幅信号包络将会失真 常用的基极偏置电路见图 2 4 1 输出回路均以略去 所示 图图 2 4 12 4 1 基极偏置电路基极偏置电路 现分析基极偏置电压是怎样产生的 如图 2 4 1 b 所示 当电源 V1电压处在正半 周期且电压振幅大于 PN 结门坎电压时 基极导通 此时 记流经 C2的电流为 i1 一个 周期内的其他时间处于截止状态 此时 记流经 C1的电流为 i2 显而易见 基极导通时 流经 C2的电流 i1大于截止时的电流 i2 即 i1 i2 C2两端的电压关系为 U i1 U i2 由 于基极相对于地的电压波形为正半周期幅度小于负半周期幅度 由傅里叶级数可知 它的 平均分量为负 使功率管发射结正偏 处于截止状态 2 4 2 丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路 集电极直流馈电电路有两种连接方式 串馈和并馈 所谓串馈是指 将直流电源 匹 配网络和放大管串接起来的一种方式 如图 2 4 2 a 所示 图中 LC为高频扼流圈 CC为电 源滤波器 ZL为电抗 要求 LC对信号频率的感抗很大 接近开路 CC的容抗很小 接近短路 是 为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定 图图 2 4 2 a 2 4 2 a 串馈电路 图串馈电路 图 2 4 22 4 2 b b 并馈电路 并馈电路 并馈电路是把直流电源 匹配网络和放大器并接起来的一种馈电方式 如图 2 4 2 b 所示 图中 LC为高频扼流圈 CC1为隔值电容 CC2为电源滤波电容 要求 LC对信 号频率的感抗很大 接近开路 CC1和 CC2的电容很小 接近短路 2 4 3 匹配网络 匹配网络介于晶体管和负载之间 在丙类谐振功率放大器电路中的作用非常重要 具有阻抗转换 滤除高次谐波和高频率传送能量的作用 2 4 4 VBB Vcm Vbm VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析 1 负载特性 所谓谐振功率放大器的负载特性是指 VBB Vbm和 VCC一定 放大器性能随 Re 变化的 特性 利用准静态分析法对负载特性进行分析 画出电路的特性曲线 如图 2 4 3 所示 由图 2 4 3 看以看出 当 A 沿 UBE0曲线由右向左移动 即 A A A 方向移动 时 电路状态将发生变化 曲线 较陡 近似直线斜率绝对值较大 从而 Re 较小 曲线 较缓 近似直线斜率绝对值较小 因此 Re 较大 所以 在 A A A 移动的过程中 Re 由小增大 放大器将由欠压状态进入过压状态 相应的 iC 由余弦变化脉冲变为中间凹 陷的脉冲波 用傅里叶级数将电流脉冲 iC分解 即 iC ICO Ic1mcos St Ic2m cos2 St 可画出 ICO和 Ic1m随 Re 变化特性 如图 2 4 4 所示 由 Vcm Ic1mRe Po I2c1mRe 2 PD VCCICO PC PD Po C Po PD Po 可画出 Vcm Po PD PC C随 Re 变化曲线 如图 2 4 5 所示 图图 2 4 32 4 3 谐振功率放大器电路特性曲线谐振功率放大器电路特性曲线 图图 2 4 42 4 4 I ICO CO和 和 I Ic1m c1m随 随 ReRe 变化特性变化特性 图图 2 4 52 4 5 V Vcm cm P Po o P PD D P PC C C C随随 ReRe 变化曲线变化曲线 2 调制特性 集电极调制特性是指 VBB Vbm 和 Re 一定 放大器性能随 VCC变化的特性 当 VCC由 大减小时 放大器性能由欠压状态进入过压状态 iC波形也将由接近余弦变化的脉冲波 变为中间凹陷的脉冲波 如图 2 4 6 所示 基极调制特性是指 VCC Vbm和 Re 一定 放大器性能随 VBB变化的特性 当 Vbm一定 VBB自负值向正值方向增大时 集电极电流脉冲不仅宽度增大 而且高度增加 放大器由欠 压状态进入过压状态 如图 2 4 7 所示 图图 2 4 62 4 6 放大器性能随放大器性能随 V VCC CC变化的特性 变化的特性 图图 2 4 72 4 7 放大器性能随放大器性能随 V VBB BB变化的特性 变化的特性 放大器随 Vbm 变化特性曲线 与放大器性能随 VBB变化的特性曲线类似 如图 2 4 8 所示 图图 2 4 82 4 8 放大器性能随放大器性能随 V Vbm bm变化的特性 变化的特性 谐振功率放大器过压状态下集电极电流凹陷分析 当谐振功率放大器处于过压状态时 晶体管集电极的周期性脉冲电流的顶部会凹陷 晶体管进入饱和区内 各物理量之间有着复杂的非线性关系 在此用微变量之间的线性 关系进行分析 根据晶体管特性 管子的集电极电流的微变量可表示为 iC h1 iB h2 VCE 在放大区内 iC主要由 iB控制 此时 h1 h2 在饱和区内 iC主要由反向饱和电流 iCEO决定 而 iCEO大小取决于 UCE电压 因此 此时 h2 h1 设输入信号为正弦波 uBE VBB Vbmsin St 两边取微变量 有 uBE Vbmsin St 两边同除晶体管动态输入电阻 rbe 有 iB 1 rbe Vbmsin St 输出电压为 uCE VCC Vcm sin St 两边取微变量 有 uCE Vcmsin St 将 带入 得 iC h1Vbm rbe h2Vcm sin St 因此 式中 在放大区内 h1 h2 且 h1Vbm rbe h2Vcm 0 iC与 iB同号 在饱和区内 iC与 iB反号 由此可知 集电极电流波形会存在顶部凹陷 注释 h1 为 VBE 0 时 iC对 iB的偏导数 h2 为 iB 0 时 iC对 VCE的偏导数 3 丙类谐振功率放大器电路的设计 3 1 丙类谐振功率放大器设计 3 1 1 晶体管的选择 任何电子电路都以电子元件为基础 常用的元件由电阻器 电容器 电感器 半导体 器件 二极管 晶体管 场效应管以及集成电路 半导体二极管和三极管是组成分立元 件电子电路的核心元件 二极管具有单向导电性 可用于整流检波 稳压混频等电路 晶 体管具有放大和开关作用 可用于放大 震荡 调制等电路 表 3 1 1 是半导体器件型号 的命名方法 可用此表对应型号选择半导体器件 表表 3 1 13 1 1 半导体器件型号的命名方法半导体器件型号的命名方法 电极数电极数材料与极性材料与极性类型类型性能序性能序 号号 规格号规格号 符号含义符号含义符号含义含义含义 2 2 3 3 二极管 三极管 A B C D A B C D E N 型锗材料 P 型锗材料 N 型硅材料 P 型硅材料 PNP 型锗材料 NPN 型锗材料 PNP 型硅材料 NPN 型硅材料 化合物材料 P V W C Z S N U K X G D A 普通管 微波管 稳压二极管 参量管 整流管 隧道管 阻尼管 光电管 开关管 低频小功率管 高频小功率管 低频大功率管 高频大功率管 反映了 管子的 直流 交流参 数 极 限参数 等性能 的差别 反映了管 子承受反 向击穿电 压的能力 按 A B C D 编号 A 的承受能 力最低 依次递增 晶体管分 NPN 型和 PNP 型两大类 通过外壳上所标注的规格和型号 可以区分出管子 的类型 材料 功能大小 频率高频等性能 此外 管壳上一般还用色点的颜色来表示管 子的电流放大倍数 的大致范围 如黄色表示 30 60 绿色表示 50 110 蓝色 表示 90 160 白色表示 140 200 3 1 2 判别三极管类型和三个电极的方法 要弄清管子类型与三个电极 将万用表至于电阻 R 1K 档 用黑表笔接晶体管的 某一脚 假设其为基极 用红表笔分别接另两个脚 若两次显示阻值都很小 则表示该 管是 NPN 管 且黑表笔所接管脚为基极 若两次显示的阻值都很大 则表示是 PNP 管 且 黑表笔所接管脚为基极 若两次显示阻值一大一小 则表示黑表笔所接管脚不是基极 按上述方法测量 直到找到为止 若三个管脚测试下来 都不能确定基极 则晶体管可能 以损坏 确定管子的类型和基极后 可进一步判断发射极和集电极 用万用表置于电阻 R 1K 挡 两表笔分别接除基极外的两个电极 对于 NPN 管 用手指捏住基极与黑表 笔所接管脚 可测得一阻值 然后将两表笔对换 同样用手指捏住基极与黑表笔所接管脚 又测得一阻值 所得阻值小的那次测量 黑表笔所接管脚所接的是集电极 而红表笔所接 的是发射极 对于 PNP 管 应用手指捏住基极与红表笔所接管脚 所得阻值小的那次测量 红表笔所接的管脚为集电极 而黑表笔所接的管脚为发射极 3 1 3 电容的选择 射频电容的关键指标是高 Q 和低 ESR 在功率放大器匹配电路的应用上 射频功率的 消耗与 Q 值成反比 直接与 ESR 值成正比 高 Q 电容是保证功率放大器增益和输出功率指 标的关键因素 另外 电容器不是理想的电容 其模型都是由串联的电感 电阻和电容组成 如图 4 1 2 所示 因此 高 Q 电容在不同频率下所呈现的等效电容值也不一样 图图 3 1 23 1 2 不理想电容器不理想电容器 射频高 Q 最大的生产厂家当属 ATC 目前已被 AVX 收购 常用的 ATC 隔直流电容参数 见表 4 1 3 所示 表表 3 1 33 1 3 常用常用 ATCATC 隔值流电容参数隔值流电容参数 封装封装 电容值电容值 PFPF 应用频率应用频率 MHzMHz ESRESR Q Q 谐振频率谐振频率等效电容等效电容 串联电感值串联电感值 nHnH 600S600S472017 50 11115 22082 8761 130 12 600S600S5119000 10615 41984 9608 940 13 600S600S3623500 12315 32437 3511 850 12 600F600F392017 50 11517 52072 5744 590 15 600F600F4719000 11415 619182514 420 15 600F600F2723500 12320 42414 4513 20 16 100B100B102017 50 16348 42029 3862 160 62 100B100B1119000 15349 81939 8270 630 61 100B100B6 823500 20249 42435 598 590 63 3 2 电路设计与分析 丙类谐振功率放大器导通角 90o 其效率可达到 85 且电路结构简单 易于调 整和测试 从而的到了广泛的应用 3 2 1 电路设计基本事项 丙类谐振功率放大器在工作中 有很多理论上难以预知的要素 因此 不能期望按照 桌面上的设计就能工作 要经过反复实验与分析 1 散热问题 半导体器件的故障率随结温的升高 大体是按照指数增加的 因此 需要注意尽量用 散热的方法降低结温 结温最大值 对于晶体管来说 通常是 150 200 设计时 最好 使实际使用结温在 120 130 以下 下面是从管壳温度来计算结温的计算公式 Tj PCRth j c TC 式中 TC 管壳温度 单位 PC 管壳耗散功率 单位 W Rth j c 从结温到管壳的热阻 单位 W 2 对二次击穿现象的考虑 晶体管工作时 有产生二次击穿的现象 可能会损坏晶体管 为了预防器件损坏 除 了使晶体管工作在安全工作区 以及接入保护电路外 同时尽量可能防止负载变动是很 重要的 3 公共端电感的影响 设计高频电路时 多数情况下不能忽视布线的电感 特别是在高频大功率晶体管电 路中 因为电路阻抗低 所以 寄生电感响应显著 尤其是公共端 或接地端 为了减 小晶体管内部接线不可避免的电感影响 公共端的接线必须尽量的短 且在发射极接一 可变电容器 形成串联谐振电路 这种方法使用于电源电压有富裕的场合 4 扼流圈 扼流圈是在加直流偏压时 为了防止信号进入电源而使用的 因此 必须要求对信号有 很大的阻抗 但扼流圈电感过大 对于低频来说 会产生寄生震荡和工作不稳定 也会损坏 晶体管 3 2 2 电路设计与分析 发光二极管颜色与电压 黄色通常为 1 8V 2 0V 红色通常为 2V 2 2V 绿色通常为 3 0V 3 2V 正常发光 时额定电流为 20mA 如图 4 2 1 所示 为所设计丙类谐振功率放大器电路 输入端采用自给偏置电路提供偏置电压 它提供的偏置电压是基极电流脉冲 iB中的 平均分量 IBO在电阻 R B上产生的压降 LB是用来避免 RB CB对输入滤波匹配网络的旁路 影响 C1 C2 C3 和 L1 构成 T 型滤波匹配网络 输出端 RD1和 D1构成构成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路 随着结温的升高 功率管基极 放射极电压 VCE超过齐纳二极管 D1的击穿电压时 耗散功率限制保护电路中 齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值 齐纳二极管 D1击穿 从 而限制了晶体管的耗散功率 防止了晶体管发生二次击穿而导致晶体管损坏 D2和 RD2是 为了防止无意中接入大于晶体管击穿电压的电压造成电路损坏而接入的保护电路 齐纳 二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值 当接入 VCC电压大于齐纳二 极管反向击穿电压时 齐纳二极管 D2导通 放光二极管亮提醒工作人员 整个电路停止 工作 直流电源 VCC 功率管 T 和滤波匹配网络在电路形式上并接成并馈馈电方式 可调整 可变电容器 C3 和 C4 使其调整在输入信号频率上 时期输出不失真的信号功率 也可同 时与输出电阻构成匹配网络提高输出功率 图图 3 2 13 2 1 3 3 电路仿真 对图 3 2 1 电路用 Electronics workbench 进行仿真 3 3 1 Electronics Workbench EDA 简介 随着电子系统和集成电路芯片设计的日益复杂化 出现了以电子电路计算机辅助设 计 CAD 为基础的电子设计自动化 EDA electronic design automation 技术 EWB electronics workbench 是基于 PC 平台的电子设计软件 也称为电子工作平台 EWB 是一种功能强大的电子设计软件 具有集成化 一体化的设计环境 交互式的设 计和仿真 专业化的原理图输入工具 丰富的元件库和齐全的虚拟仪器 强大的分析工 具 设计的恢复和共享以及与其它 EDA 工具通信等主要特色 3 3 2 基于 EWB 电路仿真用例 打开 EWB5 0 在电路设计窗口调用所需元件并按图 3 2 1 进行连线并设计参数 如图 3 3 1 所示 打开示波器 接通电源进行仿真 仿真波形如图 4 3 2 所示 图 4 3 2 仿真波形为 反复调试参数后较满意波形 图图 3 3 13 3 1 丙类谐振功率放大器电路设计用例图丙类谐振功率放大器电路设计用例图 图图 3 3 23 3 2 电路仿真波形电路仿真波形 4 对丙类谐振功率放大器的展望 电子技术迅猛发展 由分立元件发展到集成电路 中小规模集成电路 大规模集成 电路和超大规模集成电路 基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元 弱电控制 强电在许多电子设备中需要用到 放大器在当今和未来社会中的作用日益增加 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一 通信电路中 为了弥补信号在无 线传输过程中的衰耗 要求发射机具有较大的输出功率 而且 通信距离越远 要求输 出功率越大 所以 为了获得足够大的高频输出功率 必须采用高频功率放大器 高频 功率放大器是无线电发射设备的重要组成