高頻功率放大器分析與仿真

李志威

【摘 要】在高頻信號的處理中，其中一個重要環節就是信號不失真的放大，同時也要盡可能效率更高。高頻功率放大器中應用最廣泛的為丙類諧振功率放大器（以下簡稱丙類功放），它能滿足這些要求。本文分析了丙類功放的電流電壓波形，同時使用Multisim軟件對丙類功放的電流電壓波形進行了仿真驗證。

【關鍵詞】丙類功放；電流波形；電壓波形；Multisim

中圖分類號： TN722.75 文獻標識碼： A 文章編號： 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

調制后待發射的高頻信號，或者剛進入接收機的高頻信號都有頻率高和幅度小的特點，為了處理這類信號，一般都要先進行放大處理。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，但是頻率響應范圍一般處于較低頻段。綜合考慮，對于高頻信號的放大，一般采用丙類功放，它的放大效率比乙類和甲乙類功放高，響應頻率高，并且對于高頻信號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，丙類功放的導通角小于180度，為了使它工作在丙類狀態，則需要給它一個很小的正向偏壓VBB，甚至給它一個負的偏壓，使得輸入信號只有小于半個周期的部分能通過放大器。

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

對于電路的輸出部分，在導通時間內才有輸出，在不導通的這段時間，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。如果這個電流信號直接加在負載上，則輸出電壓波形將也為脈沖波形，對比輸入的ui波形，將產生嚴重失真。

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

另一方面，注意到輸出回路中含有并聯諧振回路，只要該諧振回路的諧振頻率等于輸入信號頻率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，如果諧振電阻Re與晶體管所需集電極負載相等，實現阻抗匹配，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，仿真電路根據圖1電路設計，輸入信號由函數信號發生器產生，輸入信號頻率為465KHz，幅值為350mVrms。

由先前的分析知道，放大電路處于丙類狀態，所以仿真電路中的三極管基極與發射極之間的偏置電壓設置為0.05V，集電極與發射極之間偏置電壓設置的比較高，避免iC波形進入過壓狀態。由于三極管導通時間很短，相當于處于頻繁的開關狀態，又由于三極管的開關速度限制[3]，所以仿真電路中增加了C2電容進行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系的，所以仿真電路中加入電阻R1和R2是為了觀測基極電流iB和集電極電流iC，電流iB和iC的波形應與示波器顯示的電壓波形的波形、頻率等參數一致，只是在幅度上有所差別。仿真電路中的并聯諧振回路中，電容和電感的參數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，對比兩個波形可以知道，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生的相移，但是輸入輸出波形的頻率、波形等參數都沒有發生變化，實際輸出波形也有一定的放大。

所以得出結論，丙類諧振功放能對高頻信號進行有效的放大，且波形不失真。

【參考文獻】

[1]胡宴如，耿蘇燕.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009年1月，56-68.

[2]謝嘉奎.電子線路非線性部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2000年5月，81-94.

[3]陳學鋒.淺談晶體三極管開關速度的提高[J].河南機電高等專科學校學報，2015年3月，第23卷，第2期：10-12.