高频功率放大器分析与仿真

李志威

【摘 要】在高频信号的处理中，其中一个重要环节就是信号不失真的放大，同时也要尽可能效率更高。高频功率放大器中应用最广泛的为丙类谐振功率放大器（以下简称丙类功放），它能满足这些要求。本文分析了丙类功放的电流电压波形，同时使用Multisim软件对丙类功放的电流电压波形进行了仿真验证。

【关键词】丙类功放；电流波形；电压波形；Multisim

中图分类号： TN722.75 文献标识码： A 文章编号： 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

调制后待发射的高频信号，或者刚进入接收机的高频信号都有频率高和幅度小的特点，为了处理这类信号，一般都要先进行放大处理。而低频功率放大器中常用的甲类、乙类和甲乙类放大器都有一定的局限性，比如甲类功率放大器效率比较低，乙类和甲乙类虽然效率较高，但是频率响应范围一般处于较低频段。综合考虑，对于高频信号的放大，一般采用丙类功放，它的放大效率比乙类和甲乙类功放高，响应频率高，并且对于高频信号能不失真的放大输出。

2 丙类功放的电流电压波形分析[1-2]

如图1所示，为丙类谐振功放的基本原理图，丙类功放的导通角小于180度，为了使它工作在丙类状态，则需要给它一个很小的正向偏压VBB，甚至给它一个负的偏压，使得输入信号只有小于半个周期的部分能通过放大器。

假设输入信号函数表示式为ui=Uimcos（ωt），为余弦信号，波形如图2所示。放大器处于丙类状态，则实际加在三极管基极与发射极之间的偏置电压uBE的波形如图2所示，在高于三极管导通电压uBE（on）的部分才能使三极管导通。在导通的这部分时间内，基极电流iB波形应为图2中所示的脉冲波形。

对于电路的输出部分，在导通时间内才有输出，在不导通的这段时间，输出为零，所以输出的电流iC波形如图3所示，也为脉冲波形。如果这个电流信号直接加在负载上，则输出电压波形将也为脉冲波形，对比输入的ui波形，将产生严重失真。

一方面，注意到iC的波形虽然为脉冲波形，但是同时也为周期波形，所以可以用傅里叶级数展开，展开后为iC=IC0+Ic1mcos（ωt）+Ic2mcos（2ωt）+……+Icnmcos（nωt），其中基波电流项Ic1mcos（ωt） 为与输入信号频率相同的项，即为不失真项，其余项则是与输入信号频率信息不同。所以输出电路的一个重要作用就是滤除无用项，获得有用的基波电流项。

另一方面，注意到输出回路中含有并联谐振回路，只要该谐振回路的谐振频率等于输入信号频率ω，既可以从iC电流中获得不失真的基波电流Ic1mcos（ωt），与此同时，如果谐振电阻Re与晶体管所需集电极负载相等，实现阻抗匹配，即可获得最大的不失真电压输出uc，波形如图3所示。

3 丙类功放的仿真

本文仿真采用美国NI公司的Multisim仿真软件，仿真电路图如图4所示，仿真电路根据图1电路设计，输入信号由函数信号发生器产生，输入信号频率为465KHz，幅值为350mVrms。

由先前的分析知道，放大电路处于丙类状态，所以仿真电路中的三极管基极与发射极之间的偏置电压设置为0.05V，集电极与发射极之间偏置电压设置的比较高，避免iC波形进入过压状态。由于三极管导通时间很短，相当于处于频繁的开关状态，又由于三极管的开关速度限制[3]，所以仿真电路中增加了C2电容进行iB波形的整形。

由于示波器显示的为电压波形，且电压与电流是成正比关系的，所以仿真电路中加入电阻R1和R2是为了观测基极电流iB和集电极电流iC，电流iB和iC的波形应与示波器显示的电压波形的波形、频率等参数一致，只是在幅度上有所差别。仿真电路中的并联谐振回路中，电容和电感的参数能保证其谐振频率在465KHz附近。

示波器仿真波形如图5所示，示波器1的通道A的为iB波形，通道B为iC波形，对比两个波形可以知道，与之前分析一致，它们都为周期脉冲波形，且频率与输入波形一致；示波器2的通道A为输入信号波形，通道B为输出波形，可以看到输出与输入波形存在相位上差别，这是由于三极管放大电路以及谐振回路产生的相移，但是输入输出波形的频率、波形等参数都没有发生变化，实际输出波形也有一定的放大。

所以得出结论，丙类谐振功放能对高频信号进行有效的放大，且波形不失真。

【参考文献】

[1]胡宴如，耿苏燕.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009年1月，56-68.

[2]谢嘉奎.电子线路非线性部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2000年5月，81-94.

[3]陈学锋.浅谈晶体三极管开关速度的提高[J].河南机电高等专科学校学报，2015年3月，第23卷，第2期：10-12.