谐振功率放大器设计第二版

一、设计的主要指标

工作频率在10MHz；

功率放大器的输入、输出阻抗为50欧；

三极管采用Q2N2222，集电极采用串馈供电，电源电压为12V，基极采用自给偏置方式供电；（注意三极管的极限参数：Icm800mA，Pcm1.2W，Vcemax30。 V）二、设计要求

设计合理的输出匹配网络和输入匹配网络； 输出功率1.5W； 二次谐波30dBc；

求出在最大输出功率时信号的输入功率；

分析最大输出功率时的电源功耗、集电极功耗、效率、功率增益及二次谐波失真。 三、设计步骤

1、利用Pspice分析三极管的输出特性曲线：

在Pspice中建立建立三极管直流仿真模型，如下图—1所示。

图—1 直流仿真电路模型

进行V1、V2的参数设置后，仿真结果如下图—2所示。

图—2 输出特性曲线

通过图—2选择适合的静态工作的Q,应该注意三极管的集电极电流不能超过极限电流（Icm800mA）。

2、谐振功率放大器电路的整体设计

在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两个部分组成，因此分为两个步骤设计外围电路。 （1）、直流馈电电路 在本设计中，三极管Q2N2222要求采用集电极串馈供电，基极采用自给偏置方式供电(电源电压为12V），电路结构图—3所示。

图—3 馈电电路

在电路中，L1为功率管的基极提供直流通路，它是由基极电流脉冲iB中的平均分量在

L1中固有的直流电阻(设直流电阻为8)上产生的压降。在集电极，L2为扼流圈，对于直流信号短路，交流信号开路（一般有L2Rp），C1为高频旁路电容。在这里我们选取L1=1mH，C1=30uF，L2=1mH，计算可得，C1对于交流信号，相当于短路状态，L2相当于交流信号相当于开路。

（2）、集电极选频网络 集电极电流iC为脉冲状，包含很多谐波，失真很大，利用并联谐振回路使之谐振于基频，为了使谐波成分尽量少，因此谐振回路的品质因数Q应该尽量的高。要使输出功率大于等于1.5W，对于输出电阻RP的取值范围为

VCCVces1.5W

2RP RP1213240

在本实验中选取RP30，并联谐振电路如下图—4所示。

IsCLRP

图—4 并联谐振电路

对于并联谐振回路有：

1C 其中10MHz

RQPLL 通过计算，我们选取L=152nH，C=1.6nF，（选取结果不唯一）。 （3）、输入、输出的滤波匹配电路设计

由于放大器的输入、输出阻抗都为50欧姆，因而必须引入一定的匹配网络，使之能够达到所要求的输出功率和其他一些指标，如图—5所示。

输入匹配网络ZS50谐振功放输出匹配网络ZinZ'LZL50

图—5 输入、输出匹配框图

对于输入匹配网络，为了得到最大的电源输出功率，使得处于最佳匹配状态，则有

*ZinZS50，对于输出匹配网络而言，有ZL'30。

LC阻抗匹配网络有滤波和阻抗匹配的功能，电路上常有的形式有L型、T型、型等不同的组合方式。

输出匹配网络设计：

将输出阻抗50欧姆转换到30欧姆，这里采用L型匹配网络。利用串、并阻抗等效互换，由下公式可有：

RS

Rp21Qe2RPRsXp 式中 QeXSRSRpXp

XS计算可得：

原理电路如下图—6所示。

C260pF

L0.39uHLCZout30ZL50

图—6 输出匹配电路

对于谐振功率放大器，选频网络的Q值越高，则电路的选频特性越好，为了进一步增加选频网络的Q值，在匹配网络中，改进加入一个高Q值的串联谐振电路。如下图—7所示，

L1C1LZout30

CZL50

图—7 等效输出匹配网络

由原理图使其中下式成立 ： LL11 C1 在这里选取值(结果不唯一)如下所示。

L11.7uHC1193pF

最终谐振功放和输出匹配网络形成的电路原理图为图—8所示。

图—8 输出匹配后原理图

输入匹配网络设计：

对于输入匹配网络的设计，首先要求得从三极管基极看进去的等效电阻，由于基极电

流为一脉冲波形，在这里只能粗略的估计其阻抗。因此，我们选取其基频分量，求出其相对于基频的输入阻抗，计算输入阻抗的等效原理图如图—9所示。

ZsIiACVinVSZequ等效部分

图—9 等效原理图

在Psspice中对图—8三极管基极加入信号源，设置频率f10MHz，对于VS的选取值应使三极管工作于临界状态，通过仿真观察三极管集电极输出电流波形，大致确定其VS，这里选取VS2.5V电源内阻ZS50，对于电流取出Ii中的基频成分I1则仿真后得到基极电压和电流波形为图—10、图—11所示。

图—10 基极电流、电压波形图

图—11 基极电流、电压频谱图

由输出波形图测量可得：

则输入阻抗为：

Vin1.66VI120.22mA （其中I1表示电流的基频分量）

ZequVin1.6610382 I120.22

因此，设计要求则应该从82欧姆匹配到50欧姆的输入阻抗。

在这里我们选择两个L型匹配网络来进行82欧姆到50欧姆的匹配(这样设计为了在后面步骤中进行电路的调整)设计原理图如下图—12所示。

C10L6C9

C8Zin50Zequ82

图—12 输入端匹配网络原理图

通过串、并转换，最后可计算得到(结果不唯一):

C8914pF,L6608nHC9569pF,C10241pF

最终系统整体电路图如图—13所示：

图—13 谐振功率放大器的电路图

在Pspice中建立整体电路原理图，经过仿真得到电压输出电压及电流波形如图—14所示。

图—14 电源输出电压及电流波形图

由于我们在求Zequ时利用的是基频的电流，并且相位也并未给出，因此，在图—14所示的波形中有一定的相位差及输出的幅度的偏差，因此，调整C9和C10的电容值，使得相位及幅度偏差达到最小。

经过调整最终选择C9、C10的参考值为（结果不唯一）：

C9467pF

C10161pF经过调整C9和C10后的电源输出电压及电流波形如图—15所示。

图—15 调整后的电源输出电压电流波形图

由图—14与图—15比较可知，调整后的输出相位和幅度有明显的改善。

在Pspice中进行必要的参数设置，然后经仿真可得三极管集电极电流和电压、R1电压波形如图—16、图—17所示。

图—16 集电极电流和电压、R1电压波形图

图—17 集电极电流和电压、R2电压频谱图

由图—16及图—17可得，三极管集电极在0、10MHz、20MHz时的电压电流值，如下示：

Ico233.94mA Vcm110.42V

Vcm2726.13mV R1两端输出电压值为

VR110M13.20V （在频率为10MHz时） VR120M131.52mV (在频率为20MHz时)

对于输入的信号，可测得

Vin2.5VIin27.2mA

由以上数据，则可求得： 谐振功率放大器有直流功率为

3 PVCCICO12233.9410W2.807W

交流输出信号的功率为

1VR110M13.22 PW1.742W1.5W out2R1502由于输出匹配网络为理想电容、电感组成，因此，匹配网络的插入损耗等于0，所以

集电极的耗散功率为

PW1.065W1.2W CPPout2.8071.742集电极的效率为

C2Pout1.742100%62.1% P2.807

输入信号的功率为 Pin二次谐波失真为

THD20log1VinIin0.52.527.2103W0.034W 2VR120M20log0.13140dBc30dBc 功率增益为

VR110M13.2 APoutP10logP10log1.742dB17.1dB in0.034