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。

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 f_0 f0​、输出功率 P o u t P_{out} Pout​、集电极转换效率ηc、集电极等效电阻 R c R_c Rc​的仿真测试方法。

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 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 = 1 2 π L C 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 o u t = 1 2 U c m I c 1 m = 1 2 I c 1 m 2 R c = U c m 2 2 R c 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 D C = E c I c 0 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 η = P o u t P D C = U c m I c 1 m 2 E c I c 0 \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 = U c m I c 1 m = U c 1 m 2 2 P o u t = ( E c − U c e s ) 2 2 P o u t 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 c e s U_{ces} Uces​是功率管的饱和压降。

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。

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：

工作频率 f 0 = 15 M H z f_0=15MHz f0​=15MHz；

输入信号幅值 V i m = 1.5 V V_{im}=1.5V Vim​=1.5V；

输出功率 P o u t = 2 W P_{out} =2W Pout​=2W；

效率 η c ≥ 70 % η_c ≥ 70\% ηc​≥70%；

基极自给偏压馈电；

集电极串联馈电；

电源电压 E C E_C EC​为12V；

功率管推荐使用Q2N2222，其 I c m a x = 800 m A I_{cmax} = 800mA Icmax​=800mA，特征频率 f T ≈ 398 M H z f_T ≈ 398MHz fT​≈398MHz。

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 L_1 L1​和 C 1 C_1 C1​的参数确定，由 f 0 = 15 M H z = 1 2 π L C f_0=15MHz=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} f0​=15MHz=2πLC ​1​ 我控制 L 1 L_1 L1​为 1 0 1 n H 10^1nH 101nH级别，而电容 C 1 C_1 C1​根据计算，得到大概是 1 0 1 n F 10^1nF 101nF级别。

2️⃣而对于 R c R_c Rc​，由于实验要求 P o u t = 2 W P_{out}= 2W Pout​=2W，

而一般三极管饱和压降 U c e s ≈ 0.3 V U_{ces}\approx0.3V Uces​≈0.3V，由此，我们可以得到

R c = ( E c − U c e s ) 2 2 P o u t ≈ 34 Ω R_c =\frac{(E_c-U_{ces})^2}{2P_{out}}\approx 34\Omega 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 / T ≈ 14.97 M H z f_0=1/T\approx14.97MHz f0​=1/T≈14.97MHz，因此我就用了这个值了。

波形如下： 频率： f 0 = 1 / T = 1 33.397 n s ≈ 14.97 M H z f_0=1/T=\frac{1}{33.397ns}\approx14.97MHz f0​=1/T=33.397ns1​≈14.97MHz

幅值 V c p p = 13.91 V V_{cpp}=13.91V Vcpp​=13.91V

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 c 0 = 313.82 m A 直流分量 I_{c0}=313.82mA 直流分量Ic0​=313.82mA

基 波 I c 1 m = 533.30 m A 基波 I_{c1m}=533.30mA 基波Ic1m​=533.30mA

R c = 34 Ω R_c=34\Omega Rc​=34Ω

交流输出功率Pout P o u t = 1 2 U c m I c 1 m = 1 2 I c 1 m 2 R c = U c m 2 2 R c 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 c 1 m = 533.30 m A 基波 I_{c1m}=533.30mA 基波Ic1m​=533.30mA， R c = 34 Ω R_c=34\Omega Rc​=34Ω ∴ P o u t = 1 2 I c 1 m 2 R c = 3.77 W P_{out}= \frac{1}{2} I^2_{c1m}{R_c}=3.77W Pout​=21​Ic1m2​Rc​=3.77W

直流电源提供功率PDC P D C = E c I c 0 P_{DC}=E_cI_{c0} PDC​=Ec​Ic0​ ∵ 电 源 电 压 E c = 12.0 V 电源电压E_{c}=12.0V 电源电压Ec​=12.0V， I c 0 = 313.82 m A I_{c0}=313.82mA Ic0​=313.82mA ∴ P D C = E c I c 0 = 4.83 W P_{DC}=E_cI_{c0}=4.83W PDC​=Ec​Ic0​=4.83W

集电极转换效率ηc η = P o u t P D C = 3.77 W 4.83 W = 78.05 % > 70 % \eta = \frac{P_{out}}{P_{DC}}=\frac{3.77W}{4.83W}=78.05\%>70\% η=PDC​Pout​​=4.83W3.77W​=78.05%>70%

R c = 34 Ω R_c=34\Omega Rc​=34Ω

R c = 35 Ω R_c=35\Omega Rc​=35Ω

R c = 36 Ω R_c=36\Omega Rc​=36Ω