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开发工具菜鸡的学习之路-

• 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

1. 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。

2. 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
   $f_0$

   f0​、输出功率
   $P_{out}$

   Pout​、集电极转换效率ηc、集电极等效电阻
   $R_c$

   Rc​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）
$f_0$

f0​

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

$f_0=frac{1}{2 pi sqrt{LC}}$

f0​=2πLC​1​

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

$P_{out}=frac{1}{2} U_{cm}I_{c1m} = frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c} = frac{U^2_{cm}}{2R_c}$

Pout​=21​Ucm​Ic1m​=21​Ic1m2​Rc​=2Rc​Ucm2​​

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

$P_{DC}=E_cI_{c0}$

PDC​=Ec​Ic0​

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

$eta = frac{P_{out}}{P_{DC}}=frac{U_{cm}I_{c1m}}{2E_cI_{c0}}$

η=PDC​Pout​​=2Ec​Ic0​Ucm​Ic1m​​

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

$R_c=frac{U_{cm}}{I_{c1m}}=frac{U^2_{c1m}}{2P_{out}}=frac{(E_c-U_{ces})^2}{2P_{out}}$

Rc​=Ic1m​Ucm​​=2Pout​Uc1m2​​=2Pout​(Ec​−Uces​)2​
其中
$U_{ces}$

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：

1. 工作频率
   $f_0=15MHz$

   f0​=15MHz；

2. 输入信号幅值
   $V_{im}=1.5V$

   Vim​=1.5V；

3. 输出功率
   $P_{out} =2W$

   Pout​=2W；

4. 效率
   $η_c ≥ 70$

   ηc​≥70%；

5. 基极自给偏压馈电；

6. 集电极串联馈电；

7. 电源电压
   $E_C$

   EC​为12V；

8. 功率管推荐使用Q2N2222，其
   $I_{cmax} = 800mA$

   Icmax​=800mA，特征频率
   $f_T ≈ 398MHz$

   fT​≈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：

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
$L_1$

L1​和
$C_1$

C1​的参数确定，由

$f_0=15MHz=frac{1}{2pisqrt{LC}}$

f0​=15MHz=2πLC​1​
我控制
$L_1$

L1​为
$10^1nH$

101nH级别，而电容
$C_1$

C1​根据计算，得到大概是
$10^1nF$

101nF级别。

2️⃣而对于
$R_c$

Rc​，由于实验要求
$P_{out}= 2W$

Pout​=2W，

而一般三极管饱和压降
$U_{ces}approx0.3V$

Uces​≈0.3V，由此，我们可以得到

$R_c =frac{(E_c-U_{ces})^2}{2P_{out}}approx 34Omega$

Rc​=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：

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
$f_0=1/Tapprox14.97MHz$

f0​=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：
$f_0=1/T=frac{1}{33.397ns}approx14.97MHz$

f0​=1/T=33.397ns1​≈14.97MHz

幅值
$V_{cpp}=13.91V$

Vcpp​=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


$直流分量 I_{c0}=313.82mA$

直流分量Ic0​=313.82mA

$基波 I_{c1m}=533.30mA$

基波Ic1m​=533.30mA

$i_c$

ic​电流瞬时分析

$R_c=34Omega$

Rc​=34Ω

输出功率和转换效率

• 交流输出功率Pout
  
  $P_{out}=frac{1}{2} U_{cm}I_{c1m} = frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c} = frac{U^2_{cm}}{2R_c}$

  Pout​=21​Ucm​Ic1m​=21​Ic1m2​Rc​=2Rc​Ucm2​​
  ∵
  $基波 I_{c1m}=533.30mA$

  基波Ic1m​=533.30mA，
  $R_c=34Omega$

  Rc​=34Ω
  ∴
  $P_{out}= frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c}=4.83W$

  Pout​=21​Ic1m2​Rc​=4.83W

• 直流电源提供功率PDC
  
  $P_{DC}=E_cI_{c0}$

  PDC​=Ec​Ic0​
  ∵
  $电源电压E_{c}=12.0V$

  电源电压Ec​=12.0V，
  $I_{c0}=313.82mA$

  Ic0​=313.82mA
  ∴
  $P_{DC}=E_cI_{c0}=3.77W$

  PDC​=Ec​Ic0​=3.77W

• 集电极转换效率ηc
  
  $eta = frac{P_{out}}{P_{DC}}=frac{3.77W}{4.83W}=78.05$

  η=PDC​Pout​​=4.83W3.77W​=78.05%>70%

$i_c$

ic​输出波形随
$R_c$

Rc​变化

• 
  $R_c=34Omega$

  Rc​=34Ω
  

• 
  $R_c=35Omega$

  Rc​=35Ω
  

• 
  $R_c=36Omega$

  Rc​=36Ω