(毕业论文54页+20429字+图)摘要：随着无线通信技术的高速发展，市场对射频电路的需求越来越大，同时对射频电路的性能要求也越来越高。丙类谐振功率放大器是位于无线发射机末端的重要部件，它通常被用作末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效率。本论文对EDA软件PSPICE进行了系统的研究，从而掌握了丙类谐振式功率放大器的仿真设计方法。首先，根据电路的性能指标要求，对丙类谐振式功率放大器的电路参数进行工程估算；然后，利用软件对估算的电路进行进一步的精确模拟分析，通过观测、分析丙类谐振式功放的负载特性、放大特性、调制特性的基础上，调整电路的参数，从而达到优化电路参数的目的，以使电路的各项性能指标满足预期的设计要求。

关键词：丙类谐振功率放大器； 电子设计自动化； 优化设计

Optimized Design of Class -C Resonance Radio-Frequency Power Amplifier
Abstract：With the rapid development of the radio communication technology, the market requirements for RF circuit are growing, calling for the higher demands of RF circuit performance, in which the class-C resonance Power-Amplifier is an important component at the end of the radio transmitter. It is usually used as the end-Power-Amplifier aiming at obtaining transmitted signal with high output power and high efficiency. In this dissertation，the simulation of the class-C resonant Power-Amplifier is given in detail by studying EDA software PSPICE, by using which the accurate simulation analysis of the estimated circuit is obtained after the Circuit parameters of the class-C resonant Power-Amplifier are estimated according to the circuit performance. On the base of observing and analyzing load characteristics, amplify characteristics and modulation characteristics, optimized Circuit Performance are obtained by adjusting the circuit parameters for the purpose of  meeting the demands of the design.

 
Key world: Class-C resonant Power-Amplifier,  EDA,  Optimization Design

                    目  录
                                   
摘 要 I
Abstract II
                                   
第1章 绪 论 1
1.1 国内外发展概况与市场前景 1
1.2 课题目的和意义 1
1.3 PSPICE及其主要功能 2
1.4 论文的主要工作 5
第2章 丙类射频功率放大器的理论设计 7
2.1 丙类射频功率放大器的原理 7
2.1.1 工作原理 7
2.1.2 主要技术指标 11
2.2 丙类射频功率放大器的电路参数值的估算 11
2.2.1 三极管的选取 11
2.2.2 确定放大器的工作状态 12
2.2.3 谐振回路及耦合回路的参数估算 13
2.2.4 基极偏置电路的参数估算 15
2.2.5 输入电压Vin的估算 15
2.2.6 旁路电路的参数估算 16
第3章 丙类射频功率放大器的优化设计 17
3.1 利用PSPICE对匹配电路进行优化 17
3.1.1 输入匹配网络的仿真 17
3.1.2 输出匹配网络的仿真 19
3.2 利用PSPICE对整体电路进行优化 20
第4章 功率放大器性能分析和工作状态的确定 24
4.1 对功放进行理论分析 24
4.1.1 输出特性上的动态线近似作法 24
4.1.2 放大器电参量VBB VCC Vbm 负载RP的变化对动态线的影响 25
4.2 利用PSPICE对功放性能进行分析和工作状态的确定 27
4.2.1 负载特性 27
4.3.2 放大特性 31
4.3.3 调制特性 35
4.3 小结 39
结 论 42
参考文献 43
致 谢 44
附录1 45

 
第1章 绪 论
1.1 国内外发展概况与市场前景
一般而言，功率放大器（Power Amplifier，PA）的应用领域涵盖蜂巢式行动通讯系统、卫星通讯系统、微波通讯系统、雷达、军事用途，以及ISM/WLAN等不同产品。其中又以行动通讯系统为PA最大的应用领域。若单就行动电话用PA的市场规模来看，根据日本研究机构富士总研的统计，除2001年因全球行动电话市场衰退，PA产值由2000年的5.96亿美元下降至2001年的5.25亿美元外。自2002年起，随着行动电话市场的逐渐复苏，预估到2005年，全球产值将成长至7.37亿美元。
目前应用于行动电话中的PA，依其种类可分为分布式晶体管组件、单芯片、以及模块等型式。由于PA是行动电话零组件中耗电量最大的组件，因此在制程技术的采用上，具电子移动率低、高频使用功耗低、且操作频率高等优点的GaAs制程技术变成了行动电话PA主要的制程技术。另一方面，为了能使行动电话射频组件进一步朝向整合，甚至是射频系统单芯片的目标发展，制造成本较GaAs具竞争力，且性能逐步拉近的SiGe制程亦逐渐成为厂商极力发展的重点。值得注意的是，PA在行动电话中的应用最明显的趋势则是PA组件朝向模块化产品的发展。
1.2 课题目的和意义
射频电路是现代通信、雷达、导航、遥感等系统的重要组成部分。在CAD技术被广泛应用之前，在射频电路的设计中必须依靠带有一定盲目性的人工调试(cut and try)，这不但延长了研制周期、增加了成本，也不易达到高指标。
CAD对于缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本起到了极其重要的作用。随着工作站、个人计算机、计算机网络和计算机外部设备等硬件以及 CAD技术本身的发展和普及，目前CAD已成为工程设计和科学研究的一个必备工具，在电子、电机、航空、造船、机械、建筑、服装设计等许多领域彻底改变了传统的设计方法。
在射频工程方面，今天射频电路CAD软件这一设计工具已被广泛应用于射频低噪声放大器、射频功率放大器、射频混频器、射频压控／介质振荡器、射频滤波器、射频功率合成／分配器、射频电调衰减器等部件的设计。为了缩短产品研制周期、降低产品成本、提高产品性能指标，射频工程师已把射频电路 CAD 软件看成了赖以生存的必备工具。
今天，CAD在电子工程中已经发展为电子设计自动化(Electronic Design Automation ，缩写为EDA) 和电子系统设计自动化 (Electronic System Design Automation，缩写为 ESDA)。在EDA中，射频电路CAD是一个重要组成单元。EDA还包括电路图输入、硬件描述语言、逻辑综合、逻辑仿真和优化、时序仿真、模拟仿真、混合仿真、优化设计、布局布线、参数提取、系统仿真、电磁兼容设计、元器件和电路板热分析、机电一体化设计等。所有这些都集成在一个框架(framework)环境中，一般是符合CFI(CAD Framework Initiative)标准的框架。框架不仅是各种CAD软件工具的组合，还包括数据模型和数据管理、设计方法管理、设计系统管理和用户界面。关于各软件工具之间的静态数据交换建议采用 EDIF(Electronic Design Interchange Format，电子设计交换格式)标准。在EDA中，应用并行工程(concurrent engineering)的方法将产品设计工作和产品制造、用户技术支持等相关工作并行地集成在一起进行，极大提高了工作效率。而本论文主要研究的问题就是利用CAD软件工具来完成丙类谐振式射频功率放大器的优化设计。
在广播，电视，通信等系统中。都需要将有用的信号调制在高频载波信号上通过天线电发射机发射出去，高频载波信号由高频震荡器产生，一般情况下，高频震荡器所产生的高频震荡信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射功率的要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的输出功率，在发射机中完成功率放大的电路称高频功率放大器。
在便携式通信系统中，很多采用电池进行供点，就必须考虑提高射频功率放大电路的效率，以延长电池的使用时间，而丙类功放的电流导通角小于90O，放大电路在大部分时间内处于截止状态，效率可达90%，具有很高的效率。谐振功率放大器采用选频网络作为负载回路，以放大发射所需要的某一频率范围的信号，而抑制不需要的信号或外界干扰信号。因此，丙类谐振放大器是无线电发射机中最重要的组成部件之一，它通常被用作末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效率。掌握相关的优化设计技术，具有实际的工程应用价值。
1.3 PSPICE及其主要功能
PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适合做系统及电路级仿真，具有快速准确的仿真能力。
PSPICE 的基本程序模块有下面 6 个部分组成：
(1) 电路原理图编辑程序Schematics。PSPICE的输入有两种形式，一种是网单文件(或文本文件)形式，一种是电路原理图形式．相对而言后者比较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。电路元器件符号库中备有各种元器件符号，除了电阻、电容、电感、晶体管、电源等基本器件级符号外．还有运算放大器、比较器等宏模型级符号，以及数字电路的寄存器和各种门电路符号等。用户从图形库中调出所需的元器件符号组成电路图，原理图文件后缀为sch。图形文件编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。
(2) 模拟计算程序PSPICE A／D。模拟计算程序PSPICE A／D也叫做电路仿真程序，它是软件的核心部分，它接收由电路输入程序确定的电路拓扑结构和元器件参数信息，经过元器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果．最后生成扩展名为.dat的数据文件(给图形后处理程序Probe)和.out 的电路输出文本文件。
模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展名为.sch的电路输入文件。因此在Schematics环境下运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch 文件转换为.cir文件，而后再启动PSPICEA/D进行模拟分析。
(3) 图形后处理程序Probe。该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为 dat的数据文件。它可以起到万用表、示波器和扫频仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。
(4) 信号源编辑程序StmEd(Stimulus Editor)。PSPICE中有很丰富的信号源：如正弦源、脉冲源、指数源、分段线性源、单频调频源等等。该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号源的建立与修改，并且可以直观而方便地显示这些信号源的波形。
(5) 模型参数提取程序Model Editor。电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型、但有时用户还是根据自己的需要采用自定义的元器件的模型及参数。这时可以调用模型参数提取程序 Model Editor 从器件特性中直接提取该器件的模型参数。
(6) 电路优化设计程序Optimizer。Optimizer可以根据用户规定的电路特性约束条件(例如电路的延迟时间不能大于某一值)，自动调整电路元器件的参数设计值，以满足电路的某些指标要求使电路的性能得到改善。
PSPICE A／D可以执行的电路分析，大致可分为基本分析与高级分析两大类，每大类中又会有许多具体的分析类型，以PSPICE学生版为例，其主要功能有
1、直流分析
验证电路在直流电源下的工作状态，其中包括：
(1) 偏压点分析(Bias Point Detail)。主要是在用户给定的直流电源的情况下，出电路上各节点电压与电流的数值。
(2) 直流灵敏度分析(DC Sensitivity)。计算在偏压点数值改变时．某个节电电压数值的变化程度。
(3) 直流扫描分析(DC Sweep)。将一个或两个直流电压源、模型参数或温度作为输出波形的横轴变量，扫描过一定范围的数值，取出稳态电压或电流作为输出波形图的纵轴变量。
(4) 小信号直流转移分析(Small Signal DC Transfer)。主要是计算在偏压点数值改变的情况下的小信号直流增益以及输入阻抗与输出阻抗的改变量。
2、交流分析
验证电路在小信号交流电源作用下的工作状态，它包括：
(1) 交流扫描分析(AC Sweep)。主要是将一个或两个交流电源扫过一定范围的频率,并使电路在偏压点附近线性化之后求出小信号电压或电流的幅度或相位的频率响应。
(2) 噪声分析(Noise)。主要是求出在交流扫描分析时所指定的频率中，输出信号里面各个电路噪声源的比例，输出信号的噪声总和以及等效的输入噪声源。
3、时域信号分析
主要验证电路在时域信号作用下的工作情况。包括有
(1) 暂态分析(Transient)。也叫瞬态分析。用于求出各个时间点上电路的节点电压，支路电流等的特性值。
(2) 傅立叶分析(Fourier)。用于求出暂态分析结果中某个输出信号的直流与其傅立叶成分的比例。
4、高级分析
高级分析都必须伴随在直流扫描分析、交流扫描分析或者是暂态分析之后才能执行。它们包括：
(1) 温度分析(Temperature)。执行温度分析时，PSPICE A／D会按照用户的设置逐步更改工作温度，并改变元件的参数值，然后记录每一个温度对T的输出结果。
(2) 参数分析(Parametric)。执行参数分析时，PSPICE A／D将按照用户的设置而更改某个电路特性值(例如模型参数、元器件值等)，并记录相应的输出结果。
(3) 蒙特卡罗／最坏情况分析(Monte Carlo／Worst Case)。蒙特卡罗分析是以随机取样及统计的形式呈现批量生产时合格率的分布情形．而最差情况分析则较适用于找出极端情况下的输出波形及当时的元器件值组合。
1.4 论文的主要工作
在射频频段的电子设计中，由于半导体参数的离散性，使得晶体管的内部参数将随频率而变化，再加上分布参数的影响，使得晶体管内部结电容的影响变得显著，因此，在功能电路的设计初期，用晶体管简化的Y参数或混合∏等效模型做近似的工程估算分析。再基于复杂的仿真模型用计算机做精确的分析，不断调整电路参数，最终实现优化设计，从而在保证设计精度的同时，避开不切实际的复杂计算和烦琐的工程实验。
本文主要对丙类谐振式射频功率放大器基于PSPICE的 CAD方法进行优化设计，具体完成的工作包括：
  1、对丙类谐振式功率放大器电路参数的工程估算。
  2、利用PSPICE软件，基于电路的估算参数精确模拟分析，再根据分析结果对电路进行针对性的修改，直至达到设计要求。
3、仿真研究丙类谐振式功放的负载特性，以及基极偏置电压、集电极电压、激励电压对功放工作状态的影响。
4、研究了测试丙类谐振式功放电路性能的方法，用以验证软件仿真的正确性。