AB类功率放大器的设计与仿真研究_邓宏贵

光　电　子　技　术第25卷第4期Vol.25No.4

2005年12月OPTOELECTRONICTECHNOLOGYDec.2005

研究与试制

AB类功率放大器的设计与仿真研究

邓宏贵,曹　祥,罗　安,曹　建

1

1

2

1

(1.中南大学物理学院电信系,长沙,410083;2.湖南大学电气与信息工程学院,长沙,410082)

摘　要:在比较A类、B类、C类和介于A类、B类中间的AB类四类功放电路各自优缺点的基础上,提出功率放大器工作点的选取以及通过阻抗匹配来实现高效率的方法。讨论了放大器输入回路阻抗变换电路、晶体管放大电路以及输出回路阻抗变换电路的设计思想,运用电报方程从理论上推导出用于信号源和晶体管之间阻抗变换的传输线变压器输入输出阻抗计算公式,由此设计出模拟信号处理电路中非常重要的AB类高功率放大器。仿真和实验结果表明,放大器在1MHz～50MHz的范围内,输入0.1W时输出为1W,其增益达到10dB,并且失真率非常低。

关键词:AB类;功率放大器;阻抗变换;电路仿真

+

中图分类号:TN722.75　　文献标识码:A文章编号:1005-488X(2005)04-0229-05

DesignandSimulationforABPowerAmplifier

1121

DENGHong-gui,CAOXiang,LUOAn,CAOJian

(1.CollegeofPhysics,CentralSouthUniversity,Changsha,410083,CHN;

2.CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha,410082,CHN):AdiscussionontheadvantagesanddisadvantagesoffourkindsofamplifyingAbstract

circuitssuchasclassA,classB,classCandclassABispresented.Amethodisproposedfortheoperationpointofthepoweramplifierandtheimplementofhighefficiencythroughimpedancematch.Thedesignforimpedanceconvertingcircuitofinputcurrent,transistoram-plifyingcircuitandconvertingcircuitofoutputcurrentispresented.Thetelegrapherequationsareadoptedtodeterminetheimpedanceoftransmission-linetransformer,whichisusedtocon-vertcircuitimpedancebetweensignalsourceandtransistor.AveryimportantABhighpoweramplifierisdesigned.Experimentalresultsarepresentedtoverifytheeffectivenessofthepro-posedcircuit.Theresultsshowthatamplifierhas10dBpowergainandlowdistortion-rate.

Keywords:classAB;poweramplifier;impedanceconverting;circuitsimulation

收稿日期:2005-04-11

基金项目:中南大学新世纪本科教改项目(204Y55)。

作者简介:邓宏贵(1965—),男,博士生,副教授。主要从事电力电子技术研究。

罗　安(1957—),男,教授,博士生导师。从事电力设备电网谐波治理和电子技术研究。建(1955—)男,教授。

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光　　电　　子　　技　　术第25卷　

引　言

放大电路是模拟信号处理电路的基本单元,尤其对高频接收机与发射机而言[1,2]。在接收机里,放大电路要将从天线所输入的μV单位的小信号加以放大,在发射机方面,功率放大电路也要将信号

[3,4]

放大至以W为单位的信号级别。高频放大电路所要求的特性为:对于所使用的频带的功率增益要高,产生的杂讯要很小,截取点要高。在实际的高频放大电路设计中,最重要的是要针对以上三点来展开设计。本文以输出为1W的宽带功率放大器为例,来进行设计。功率放大器与小信号放大器比较,较为注重输出功率与消耗功率的比,也即是较为注重效率与失真率,这是衡量一个功率放大器的重要指标。因此功率放大电路大多使用B类或AB类的放大。另外,为了提高效率,阻抗匹配很重要。由于功率功耗会产生热量,还必须考虑到晶体管的散热与保护的问题。

征区域。一般说来,晶体管电路高效率的同时,失真率也明显增大,因此要在效率与失真率之间取最适当点。功率放大器按其偏置电压加入法,也即是工作点的取法,分为图2所示的A类、B类、C类和介于A类、B类中间的AB类。

1　功率放大器结构

将要制作的宽带功率放大器的设计规格为:电源电压12V,输入输出阻抗50Ψ,此数值为使用于高频放大电路时的标准值,也是同轴电缆的特性代表值。功率增益拟定如下:输入0.1W,输出为1W时,其增益演算GP=10log(输出/输入)=10dB;放大设定为AB级,成为线性放大器,频带宽度1MHz～50MHz,环境温度上限70°C。根据此设计规格,所设计之宽带功率放大器的结构如图1所示

。

图2　晶体管功率放大器的4类工作点电路Fig.2　Operatingpointcircuitoftransistor

poweramplifier

A类的直线良好,功耗也较大,只可以取得较小的功率输出,也即是功率效率较差,大多使用于小信号放大器。B类的集电极电流只流通半周期,会产生波形失真。可是,由于效率较高,在含有经过调制的高频信号的信号放大场合,常使用此类的放大电路。至于在低频信号功率放大器的应用中,为了减少波形失真,此电路常被做成推挽式放大器来使用。C类的集电极电流流通时间比半周期还短,因此,失真更大,效率最好。在FM信号放大的场合,由于不要求线性,可以使用此类放大。AB类为介于A类与B类中间,集电极电流的流通比半周期长一些,将工作点提高一点,主要是为了减少失真。

图1　高频·宽带功率放大器的结构图Fig.1　Thediagramofhigh-frequencyandwide-band

poweramplifier

3　阻抗匹配

阻抗匹配是提高功率放大器效率的重要方法。

大部分的高频信号源的输出阻抗为50Ψ,而功率晶体管的输入阻抗一般是数Ψ到数十Ψ,因此,在信号源与放大元件之间加入输入电路,作为阻抗变换2　功率放大器工作点选取

功率放大器如果要输出较大的功率,晶体管必

,

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邓宏贵等:AB类功率放大器的设计与仿真研究

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大元件之间没有输出电路,保证高的功率转换效率。3.1　输入回路阻抗变换电路的分析与设计

图3为输入电路的设计。图3(a)的输入电路可以将阻抗做50Ψ～12.5Ψ之变换。频带为1MHz～50MHz之宽带,因此,使用图3(b)所示传输线变压器(图4为它的等效模型)作为阻抗变换。下面应用电报方程对其阻抗变换进行分析。图4所示等效模型的传输线方程(假设传输线无耗)为

:

我们考虑的是理想情况,即e与a同位相、d与a反位相,则有,Ul=0,sin(Ul)=0。因此,其阻抗比为4∶1。如此,信号源的阻抗(约50Ψ)与晶体管的输入阻抗(约12.5Ψ)取得匹配。3.2　晶体管放大电路的设计

根据要求,必须选择能够满足功率增益10dB、输出1W、频率范围1MHz～50MHz条件的晶体管。在此,使用2SCl970。2SCl970为VHF频带低电压功率放大用,功率增益的最小值为9.2。看起来好像没法满足设计规格,可是,此9.2dB

dB数值为频率在175MHz的数据,在比175MHz低的频率时,可以得到更高的功率放大。因此,在1MHz～50MHz的功率增益为10dB以上。3.2.1　基极偏压电流及温度补偿

晶体管的基极与射极间是PN结,当温度变化时,顺向压降Vbe将以-2.0～2.5mV/°变化。即C随着温度上升,基极-射极间的电位差会减小,基极

电流会增加。为了解决此问题,在基极-射极间再并联一个二极管,紧贴晶体管安装构成热结合。基极电流随温度上升而增加时,会使集电极电流成比例增加,集电极功耗也会增加,导致温度进一步上升,继而使基极电流再增加最终晶体管烧毁。温度上升-电流增加的循环不断增加,最后会破坏晶体管,称之为热崩现象。如此,在晶体管的基极-射极间紧密

连接二极管,作为热结合。当温度上升时,晶体管的Vbe虽然会减小,但是二极体的顺向电压也会减小,以使偏压电流稳定,防止发生热崩溃现象。3.2.2　基极电阻Rs的功用

输出为1W的晶体管的输入阻抗为10Ψ左右,又输入阻抗值并非为一定,且会随着频率与输入信号的振幅而变化。因此,在基极串接电阻Rs,使从输入的信号源所望进去的阻抗变化减小。而且,如此也可以提高功率放大器的线性,防止在高频时可能发生的异常振荡。可是,加入此电阻也会产生功率损耗,使放大器的增益下降。但是,由于使用VHF频带的晶体管,可以得到比10dB大很多的功率增益,因此,仍然可以达到所要求的设计规格。3.2.3　集电极功耗与周围温度

从输出功率Po=1W时的集电极功耗求温度上升的情形。图5所示为频率为175MHz时的2SCl970的功耗特性数据。此数据在1MHz～50MHz时,可以直接适用。一般而言,频率愈低效率。因此,。

图3　宽带功率放大器的输入电路的设计

Fig.3　Inputcircuitdesignofwide-bandpoweramplifie

r

图4　传输线变压器的等效模型

Fig.4　Equivalentmodeloftransmissionlinetransformer

oiIi-Io=Iocos(Ul)+jl)(1)Z0sin(UUi=(Uo-Ui)cos(Ul)+jIoZ0sin(Ul)(2)把变压器看作是一个二端口网络,可以写出其Z参数矩阵:

Uicos(U

l)1+cos(Ul)jZ0

=

sin(

Ul)1+cos(UUl)2[1+cos(Ul)Ii

(3)

-I根据网络原理,其输入、输出阻抗分别为

Z12Z21

Zin=Z11-RL+Z22

Zout=Z22-所以

20L0Zin=RLsin(Ul)-j2Z0[1+cos(Ul)]Zout

20g0=gl)j0l(5)

1221

RL+Z11

(4)

232

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图5　输入输出功率,集电极损耗-环境温度特征曲线图

Fig.5　Characteristiccurvesoutput-inputpowerandcollectordissipationenvironmentaltemperature

3.3　输出回路阻抗变换电路的设计

输出电路也是为了使放大电路与负载RL能够与同轴电缆及天线等取得阻抗匹配而设的一种阻抗变换电路。碰巧的是,在此输出功率1W的电路中,正好RL=50Ψ,因此,并不需要做阻抗变换。所以,L2直接使用了RFC(高频扼流圈),使其在1MHz～50MHz时的阻抗值大于50Ψ。

=1W内为线性放大区域。即若要保证线性放大器

的线性特征,应避免Po超过1W。4.2　频率,功率增益特性

图7所示的为将输入功率定为1.6mW,频率在1MHz～50MHz范围变化时的电路输出特性。2SC1970为VHF频带用晶体管,因此在高频的功率增益也不会降低很多。在50MHz约为23dB,功率增益下降仅5dB。与此相对的2SC2092的功率增益下降7dB,因此,电路所使用的频带范围为1MHz～30MHz较为适当。由此可知当宽带功率放大器使用的晶体管为VHF频带用时,可以得到十分平坦的频率特性。

4　所设计的宽带功率放大器的特性

4.1　输入功率-输出功率特性

图6所示的是频率为10MHz,输入功

率在

图6　输入输出功率特征图Fig.6　Output-inputpower

图7　电路输出特性图Fig.7　Outputofcircuits

-20dBm～+20dBm间变化时的输出功率值。在同一个电路中,使用2SC1970与2SC2092(日立,27MHz用)作对比测试用。2SCl970为VHF频带,在10MHz时的功率放大率约为28dB(Po=1W时),对于设计要求的10dB而言显得很大。因此,输出功率Po=1W时的输入功率仅要求1.6mW

+332,在Po

5　电路仿真

电路仿真我们选用的是ElectronicsWor-bench公司的Multisim2001EDA仿真软件。Mul-tisim是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面

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计环境。运用它将前面设计的功率放大器绘出仿真电路如图8所示

。

图11　工作频率为60MHz时的输出波形Fig.11　Outwaveformwithoperatingfrequency

of60MHz

图8　功率放大器的仿真电路图

Fig.8　Thesimulationcircuitofpoweramplifier

由仿真输出波形可以看出在工作频率(1MHz～50MHz)输出波形非常好,但当工作频率提高到50MHz时或降到1MHz时,输出波形出现严重失真。

由于此功率放大器的输入电压是μV单位的小信号,因此,在仿真时设置的输入电压是100μV。本文设计的功率放大器工作频率是1～50MHz,因此,仿真时我们对仿真电路的频率从900kHz～60MHz的范围进行了大量仿真,图9～图11是具有代表性的仿真输出波形图

。

6　结　论

分析了功率放大器工作点的选取以及通过阻抗匹配来实现高效率的方法,讨论了放大器输入回

路阻抗变换电路、晶体管放大电路以及输出回路阻抗变换电路的设计,设计出高频电路非常重要的AB类高功率放大器电路。仿真和实验研究表明,相对1MHz～50MHz的信号呈现出良好的线性放大作用。除了应用于模拟信号处理电路的基本单元外,对高频接收机与发射机而言,该设计更具有十分重要的意义。经过某电子研究所使用,效果良好,说明该方案合理,电路切实可行,有较大的推广应用价值。

参　考　文　献

[1]　王志华,吴恩德.CMOS射频集成电路的现状与进展[J].电

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[2]　YangJing,HeQing-Xiang,WangKai.

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[3]　陶蕤,王志功,谢婷婷,等.2.9GHz0.35μmCMOS低噪声

放大器[J].电子学报,2001,29(11):530～532

图9　工作频率为920kHz时的输出波形

　OutputwaveformwithoperatingfrequencyFig.9

of920

kHz

图10　输入频率为25MHz时的输出波形Fig.10　Outputwaveformwithoperatingfrequency

of25M

Hz

[4]　臧晓敏,王晓琳,仇志坚,等.磁轴承开关功放中电流三态调

制技术的研究[J].中国电机工程学报,2004,24(9):167～172

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