E类放大器的研究与仿真.doc

49 E类放大器的研究与仿真摘 要在许多领域必须要求用大功率的射频电能，例如，特种材料熔炼，介质加热，等离子源，大功率发射机等。这就需要把直流电源转换为所需要的高频交流电源，功率放大器是转换过程中的重要装置，它正在朝着高频化，低功耗，高功率容量，高效率的方向发展。本课题的E类功率放大器用电子管作为开关元件，目的是提高放大器的效率和频率，同时获得较大的功率输出。本文针对E类高频放大器的组成形式、工作原理和设计，计算方法进行了研究。为了提高高E类高频功率放大器的效率，本文首先对E类高频功率放大器的电路结构和工作原理进行了分析，推导出了输出功率、效率和有关的电压电流的计算公式，以及负载网络参数的设计计算方法。为了验证了设计的可行性，根据现有的条件用RPOTEL99Se对电子管E类功率放大器的进行了仿真，在电路仿真过程中优化了负载网络参数，达到最佳工作状态。最佳工作状态下效率为95%。针对E类放大器的工作特性以及电子管的驱动特性，根据电子管栅极电压电流的特点，提出了驱动电路设计方案。对驱动电路的组成进行了理论分析，并设计出实际应用电路。经过实验，得到了理想的正弦波输出。关键词:E类放大器;高频;大功率;电子管;效率ABSTRACTThe electrical energy with high-frequency and high power has been applied in many fields, such as high-frequency induction heating equipment,dielectric heating,plasma source,high power transmitter,ect. High-frequency and high power amplifier is necessary in converting the dc power to ac power.power amplifier is an important equipment in the transfer device,which has had a great development in the way of high frequency, low power loss, high power capability, high efficiency. In this subject vacuum tube is used as the switching component in the Class E power amplifier to get high output power with higher frequency. In this paper ,we made a research on structure form, operating principle and desigh calculating method of class E power amplifier.In order to improve the efficiency of class Epower amplifier, this paper circuit structure and operating principle were analyze. We deduced the calculating formula on output power, efficiency,voltage and circuit. Besides, the calculation for elements was used in class E power amplifier. To verify the feasibility of high-frequency class E power amplifier, according to existing conditions, circuit about class E power amplifier with vacuum tube has been simulated with PROTEL99se. In this simulating process, parameters in the load network have been optimized.The simulated circuit has reached optimum operation. The efficiency in simulation achieved 95%. We discussed and analyzed the phenomenon in the simulating process. The last part presented drive circuit according to the characteristics of high-frequency class E power amplifier and the feature of vacuum tube. Then we analyzed the structure of drive circuit and designed actual applied circuit After experiment, perfect sinusoidal waveform has been obtained. KEY WORDS:class e power amplifier; high-frequency; high power;vacuum tube;efficiency 目 录第一章 绪论.1 1.1课题背景及意义.11.2开关功率放大器的国内外发展现状.41.3高频大功率放大器对功率管的要求.51.4论文主要任务及工作.6第二章E类高频大功率放大器的分析.72.1 E类高频率大功率放大器的工作原理.72.2 E类功率.放大器的数学分析.112.2.1电路参数分析.112.2.2负载网络分析.192.2.3电路损耗分.232.3大功率输出级开关功率管器件的选择.262.4电子管的基本结构和特点.262.5选取开关管7T69RB时电路参数计算及选取.282.6小结.31第三章电子管E类高频功率放大器电路仿真.333.1电路的仿真.333.2大功率电子管放大器推论结果. 40第四章 结论.42致谢. .43参考文献. .44第一章 绪 论1.1课题背景及意义功率放大器在很多领域都得到了广泛的应用，比如无线通信里的发射机，而只要有发射机，就一定有射频功率放大器。功率放大器发展至今，有许种类和应用川，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功放、也有上千瓦的电视信号发射机，高频功率放大器也是无线电发送设备的重要组成部分，它的主要任务就是放大高频信号，使其达到足够的功率，以满足天线辐射的需要或技术指标要求。高频功率放大器不仅应用于各种类型的发射机中，而且许多电子设备，如功率信号源、高频大功率加热设备等也都广泛用到。有些高频率DC一DC变换器中的逆变电路选用E类电路拓扑，E类逆变器可以选用更高的开关频率，同时保持高效率。所有的功放，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。功率放大器发展至今，已经广泛的应用于军用，民用领域。如现代通信的发展对带宽，线性，效率等指标提出了更高的要求。相应的功放研究也成了未来的趋势和热点。随着材料，计算机，以及功放相关理论的进一步发展，可以预见指标更优的功率放大器，不久将会出现，并服务于军用、民用领域。功率放大器的历史很悠久，常被认为是:个很老的课题。甲、乙、丙类的划分方法可以追溯到上世纪30年代，现今这样的概念仍然被广泛使用。然而，随着现代通信体制的发展，功率放大器所涉及的许多概念正被重新定义或者修正。现代功率放大器设计中，引入了很多过去没有的概念和技术。功率放大器的设计考虑的因素越来越多，设计中折衷考虑的过程也越发复杂。随着计算机技术的发展，设计过程也和传统方法大相径庭，引入了建模、仿真等新工具。高频功率放大器主要的技术指标有输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制等。由于发射机的输出功率和效率主要取决于高频功率放大器，对同一耗散功率来一说，效率的提高意味着输出功率的增大，当输出功率一定时，效率的提高使消耗的电源功率减小，管子的耗散功率降低，可降低冷却系统的压力。这对于节省能源、使用较小的功率管输出较大的功率、减小设备的体积和重量都有颇大的实际意义。因此提高功率放大器的效率一直是人们一直关注的重要课题，它推动了功率放大技术的不断发展。功率放大器实质上是一个能量转换器，它把电源供给的直流能量转换为交流能量，功率放大器则是进行能量转换的决定性环节。功率放大器的效率的定义为: 式中为电源供给的直流功率，为转换后的交流输出功率，为转换过程中消耗在功率器件本身的部分能量，称为耗散功率。从上式可以看出，要提高功率放大器的效率，则应尽量减小功率器件的耗散功率。功率放大器效率的提高，主要反映在功率器件工作状态的改进上。A类(甲类)、B类(乙类)低频功率放大器发展到C类(丙类)高频调谐式功率放大器，目的都是为了提高功率放大器的效率。A类工作状态，通角为，理想效率为50%; B类工作状态，通角为理想效率为78.5%; C类工作状态，通角小于，其效率比B类更高。但是，用减小导通角的方法来提高效率有一个极限，对C类高频功率放大器来说，当导通角减小到零时，理想效率达到100%，但输出功率为零，这是没有意义的。究其原因，是因为A，B，C类功率放大器的功率器件阳极(集电极或漏极)的电压v和电流在导通期间同时存在，而且数值都比较大。由耗散功率的定义可知，耗散功率是阳极(集电极或漏极)瞬时电压，与瞬时电流i在一个周期T内的乘积的平均值，即: 所以A,B,C类功率放大器的集电极(阳极或漏极)耗散功率也比较大，这几类放大器的效率也就难以进一步提高。D类和E类功率放大器克服了A、B、C类功率放大器的缺陷，使功率器件工作于开关状态。D类功率放大器在工作时，当功率管导通时，阳极(集电极或漏极)电压V很小，甚至趋近于零;当管子截至时，管子两端有电压存在。这样在任意时刻内，管子的电压和电流乘积为很小，甚至趋于零，因此功率管的耗散功率亦很小甚至趋近于零。D类功率放大器正是按照这个原理来实现高效率放大的，它的理想效率为100%，实际效率为90%左右。另外功率管工作在D类状态时，电路中有两个功率管组成。两管轮流导电，效率很高。但是在开关转换的瞬间，两个功率管可能同时导通或同时断开，可能由此引起二次击穿而使功率管损坏，这就限制了D类状态的电路工作频率的进一步提高。E类功率放大器克服了这些弱点，有助于提高效率和工作频率。因此，工作于E类状态的电路是一个值得研究的课题。E类功率放大器在提高效率方面比D类更进一步，它是按照“功率管电压和电流不同时出现”的道理设计的。这样在任意时刻，管子的电压和电流乘积为零，功率耗散为零。理想效率为100%，实际效率为90%左右。功率放大器不仅要提高效率，也要提高它的功率，因为现代的功率放大器应用越来越广泛。通信、航海和广播使用的频率从甚低频到毫米波。输出功率从无线系统的10毫瓦到广播发射机的大功率。功放也用在雷达、射频加热、等离子发生器、激光设备、磁共振图像和直流一直流转换器中应用。许多现在应用的设备是几十年前制造的。这些技术效率不高，大功率输出和高频率也不能同时实现。以往的放大器大多采用MOSFET(场效应管)或者工GBT(绝缘栅双极晶体管)作为开关元件，这些半导体器件作为功放管，尽管频率可以做的很高，但是功率容量有限。当功率放大器输出功率比较大时，工作频率又不能太高。总之，以往的半导体器件不能实现大功率和高频率的兼容。本文研究大功率射频功率放大器高效率、高频率和大功率的同时实现。本课题选用电子管做为功放管，充分利用了电子管的优点，设计出高频率、大功率输出的功率放大器。 1.2开关功率放大器的国内外发展现状早在60年代就有人提出了开关功率放大器的概念，本文的E类功率放大器就是属于开关功率放大器。尽管开关:功率放大器具有效率高的优点，但是受当时电子器件开关特性的限制，并没有得到很大的发展。自从80年代以来，随着电力电子技术的日新月异，出现了许多新型器件，如工GBT和MOSFET等，电力电子器件的开关频率也大大提高，人们对开关功率放大器又投入了极大的热情。目前，国外开关功率放大器的研究已经达到了一个很高的水平。例如美国德州仪器公司和APEX公司相继推出了PWM型集成电路元件。早在2000年左右，日本就有人已经研制成功了10KW，最高输出频率为100kHZ的开关功率放大器。其整个频率范围内的THD都小于10%，5KHZ内的THD小于2%。在国外，有很多实验设备己采用开关功率放大器，例如振动实验设备。到目前为止，国内新的振动实验设备也开始使用开关功率放大器，但产品主要依赖进口。我国原有的振动实验设备大都采用线性功率放大器，它与开关功率放大器相比效率低、功耗大，可靠性差。国内每年需要可观数量的开关功率放大器，市场前景广阔，取代进口后可节省大量外汇和经费。1.3高频大功率放大器对功率管的要求高频大功率放大器是由功率管、驱动电路和控制电路组成的。由于高频功率放大器承担着功率变换的任务，因此，高频大功率放大器对功率管的要求，主要有以下几点:(1)功率容量大高频功率放大器中的功率管应该具有足够大的电压和电流容量，才能控制足够大的功率，完成功率变换的任务;(2)工作频率高、开关速度快无论哪种类型的高频功率放大器，都要求所用的功率管的极限频率大于放大器的工作频率。对于工作于开关状态的开关管来说，还要求其开通和关断的时间与放大器期相比尽可能的小，以减小开关期间的功率损耗;(3)容易驱动大功率器件的驱动要比普通小功率半导体器件的驱动复杂的多，因此在设计高频功率放大器时，驱动电路的设计是一个必不可少的方面。采用容易驱动的功率器件，可以简化驱动电路的设计，从而减少电路设计时的工作量。 1.4论文主要任务及工作论文的主要任务研究了电子管E类大功率射频放大器的工作状态，详细分析了E类大功率射频放大器组成结构和工作原理，以及E类放大器在电路中的应用特点。其中包括E类功率放大器工作过程的数学分析、电路参数的计算方法、驱动电路、电路参数的优化以及电子管的性能特点等问题。论文的思路是通过设计一个E类高频功率放大器，对E类高频功率放大器的主电路工作原理和过程进行分析，对影响其最佳工作状态的各种因素进行分析，提出了逼近最佳工作状态的具体措施。最终目的是使其输出功率最大，效率最高。第二章E类高频大功率放大器的分析从电路的角度来看，E类高频大功率放大器一般是由功率管、驱动电路和负载网络组成的。下面首先详细分析E类高频功率放大器的工作原理和过程。2.1 E类高频率大功率放大器的工作原理E类高频率大功率放大器由单个功率管组成，工作于开关状态，电路组成方框图如图2.1所示。图 2-1 E类高频功率放大器方框图所谓E类功率放大器的最佳工作状态，就是指功率器件的阳极(集电极或漏极)的电压电流波形满足以下三个条件(1)从导通到关断转换时，阳极(集电极或漏极)电压应在电子管关断之后才开始上升;(2)从关断到导通转换时，阳极(集电极或漏极)电流应在阳极(集电极或漏极)电压降到零之后才开始上升;(3)在从关断到导通转换时，即导通时刻，还必须满足电压变化率等于零。E类放大器也可以工作在准最佳工作状态，这种状态只需满足上述条件的前两条。当开关按激励信号的频率周期性地工作时，就把来自电源的直流能量转变为交流能量，它的基波频率等于开关频率。为了使基波分量输出最大，开关占空比应为50%，即一半时间“导通”，另一半时间“断开”。选取适当的负载网络参数。使它取得最佳的瞬态响应。也就是说，当开关“导通”的瞬间，由于负载网络的瞬态响应，使得阳极(集电极)电压降为零后，才开始建立电流;当开关“断开”的瞬间，由于负载网络的瞬态响应，使得电子管关断之后，阳极(集电极或漏极)电压才开始上升。这样，即使开关转换时间与信号周期相比己经相当长时，也能避免电子管同时产生大的电压和电流，从而避免了在开关转换期间电子管产生功耗。另外，负载网络还包含一个带通滤波器，以滤除不需要的谐波成分，并用以变换负载阻抗的数值。图2.2（a）为E类高频功率放大器的电路原理图。其中开关器件为电子管，为电子管的输出电容，为外接电容，为高频扼流圈，LC为串联谐振回路，为等效负载电阻。放大器的等效电路如图2.2 (b)所示，其中S是将功率器件等效为理想开关，,为理想串联谐振回路，谐振频率等于输入信号的基波频率，Z是频率为基波频率时的LC回路与回路的阻抗之差。(a)电路原理图(b)等效电路图(C)电流和电压波形图2.2E类功率放大器当功率管饱和导通时，相当于开关S闭合，此时阳极电压为零，行数学分析之前，首先作如下假定(1)高频扼流圈L.只允许恒定的直流电流通过;(2)L、C、串联谐振回路的有载品质因数认要足够高;(3)开关器件的开关作用是瞬间的、无损耗的，其通态电阻R等于零，而截止电阻为无穷大;(4)总的并联电容与阳极电压无关。由于负载网络的影响，阳极电流is有一个上升和下降的过程:当功率管截止时，相当于S断开，此时完全由负载网络决定。合理地设计负载网络的参数，可以使得和is交替出现在电子管上。即当开关S闭合时，is流过功率管而为零;当S断开时，is为零而不为零。这样在任一时刻，与is的乘积均为零，开关器件的耗散功率P亦为零，从而使功率放大器的效率达到100%考虑到开关损耗和负载网络的损耗，E类高频功率放大器的实际效率可以达到90%左右。最佳工作状态时的电压和电流波形如图2.2 (c)所示。2.2 E类功率放大器的数学分析在对E类高频功率放大器进行数学分析之前，先作如下假定(1)高频扼流圈L.只允许恒定的直流电流通过;(2)L、C、RL串联谐振回路的有载品质因数认要足够高;(3)开关器件的开关作用是瞬间的、无损耗的，其通态电阻RL等于零，而截止电阻为无穷大;(4)总的并联电容C。=C1+C2与阳极电压V无关。2.2.1电路参数分析(1)阳极电压表达式首先从输出端的电压和电流表达式作为分析的出发点。令，为相对于驱动信号的初相位，则其中和是待定的参数。从图2一2(b)上可以看出，参考电压V也是正弦波。由于存在剩余电感或电容，它与输出电压有一定的相位差。假定存在的是剩余电感是其电抗为jX，则式中：为jX产生的附加相移。由于高频扼流圈L，维持恒定的输入直流电流工d。，而串联回路的足够高，产生正弦输出电流。这两种电流叠加，就是流过开关S的电流 (当S闭合时)，或是电容的充电电流 (当S断开时)。当开关S断开时，对电容充电，建立起阳极电压。则的波形如图2一2(c)所示。(2)输出电压的幅度由于理想谐振回路对基波频率的阻抗为零，所以阳极电压的基频分量就是V。根据傅里叶分析可得将2-5式代入上式，可求出气的表达式为因为阳极电压的基频分量是相位鹤的正弦波，没有余弦的成分，所以输出电压v。的l隔度代可以进一步表示为式中(3)功率和效率因为高频扼流圈上没有直流压降，所以在一个高频周期中下式成立将式(2一8)和式(2一11)代入上式得因为，为放大器对直流电源呈现的直流负载电阻。由式(2一13)可得放大器的输出功率为输入直流功率为放大器的效率为(4)电子管的阳极峰值电压和电流将式(2一11)代入式(2一8)可得欲求的最大值，令，得所以将式(2一19)代入(2一18)则得(5)最佳状态时的函数g这里取占空比为0.5，根据前面提出的获得高效率的条件:、阳极电压在，必须等于零。由式(2一18)得所以阳极电压在导通时的波形斜率必须为零，由式(2一18)得可求得由式(2一22)和式(2一23)可得所以又根据三角关系比较式(2一23)和式(2一25)可得因为函数g的数值是根据高效率条件和求出，所以这时的令式(2一17)等于1，则得 (6)电路参数的计算将式(2一27)代入(2一14)可得再将式(2一22)和(2一23)以及(2一26)代入上式，经化简后可得又因，确定后,就可由上式确定。由式(2一11)中g的函数表达式可以求得所以剩余电抗 再由式(2一11)、(2一13)、(2一26)，经化简运算后可得 输出功率为 式(2一20)和式(2一21)经化简后可得 式(2一33)和(2一34)就是选用功率开关管器件时的重要条件。一般来说类功率放大器对功率开关管器件的工作电流和耐压要求要高一些。2.2.2负载网络分析(1)负载网络有载品质因数的选取负载网络的空载品质因数Q0主要由电感L来确定，要求愈高愈好。对有载品质因数的定义为 式中为激励信号基波的角频率。在工程设计中一般的取值远大于，而的取值等于5一10。在图2.2所示电路中，当电子管截止时，阳极电压波形是由负载网络的瞬变响应来决定的。负载网络是一个衰减的二阶系统即L、与C0 /(C+co)串联的二阶系统)，在瞬变过程中，储存于、C、L中的能量供给负载电阻，是网络的阻尼电阻。电容C。主要是保证在截止时间里，使电子管的阳极电压保持相当低，直到阳极电流减少到零以后为止。阳极电压的延迟上升，是E类功率放大器高效率工作的必要条件。由以上分析可见，负载网络的阻尼对阳极电压波形的影响极大，阻尼的大小与有关。图2.3示出了确定，不同负载情况下的阳极电压波形，以下分别予以分析:图2.3负载RI.与阳极电.压VA的关系(a)当负载电阻过大时，如图2.3(a)，谐振回路中的电流较小，对电容，充电形成的充电电压比较小，和直流电源对电容，充电电压叠加，在开关管由截止转换到导通的瞬间，电容上的电压不为立即为降为零，必须在管子的导通期内通过电子管放电。由于此时开关管在驱动信号的控制下己经导通，有大的尖峰电流流过，因此就有可能造成这个大的尖峰电流超过电子管的额定电流的危险情况，使开关管遭到损坏。(b)当负载电阻过小时，如图2.3(b)，谐振回路中的电流较大，对电容充电形成的充电电压比较大，和直流电源对电容的充电电压叠加，在开关管由截止转换到导通的瞬间，电容上的电压摆动到零以下的负值。这个反向电压产生反向电流，造成在这个转换瞬间，电压和电流同时存在，使开关管的功耗增大，严重时烧坏管子。(c)正确选择，或者说正确地选择负载网络的阻尼，可以使阳极电压达到如图2.3(C)所示的波形，使放大器高效可靠地工作。在电路设计阶段，可以利用电路仿真软.件，通过对电抗元件的优化设计来改善阳极波形，在实际调试工作中，由于电感L和负载民通常无法改变，所以往往通过调节C:和C的值来改变负载网络的阻尼，从而改善阳极电压的波形。(2)负载网络参数的计算负载网络主要由电抗元件，(包含电子管的输出电容和分布电容，以及外接电容、串联回路电容C以及电感L组成。在选定负载网络的有载品质因数和输入信号频率后，根据电子管给的特性参数，可有下列表格里的表达式计算电路中的参数:表2.1 E类放大器在不同的和占空比的分析表中的晶体管的集电极在这里我们指的是电子管的阳极。表2. 2在不同的和占空比卜负载网络的参数计算高频扼流圈起恒流作用，应足够大，可由下式计算: 2.2.3电路损耗分析实际上，E类高频功率放大器的功率器件在激励信号的作用下，是一个非理想开关。即:“导通时”，开关内阻不为零;“断开时”，开关内阻也不为无穷大。同样，开关“导通”与“断开”的转换时间也不等于零。E类高频功率放大器的损耗(指非有用输出部分)主要有开关损耗、饱和损耗、截止损耗和负载网络的损耗。其中开关损耗和饱和损耗较小，而网络损耗则不容忽视。下面分别进行分析:(a) 开关损耗开关损耗是指在开关转换期间，由于阳极(集电极或漏极)电压和电流都不为零而产生的损耗，一般包括开通损耗和关断损耗两部分。就E类高频功率放大器而言，开关损耗主要发生在功率器件由导通至断开这一段转换时间里，如图2.4所示。由于在每个高频周期里，在渡越角内，电子管同时存在和，这就必然产生阳极耗散功率，使放大器效率下降。显然，随着放大器工作频率的提高，开关损耗必然会增大。图2.4 E类功率放人器的开关损耗(b)通态损耗通态损耗是指在电子管饱和期间，由于饱和压降不为零产生的损耗。在前述的E类放大器原理的数学分析中，假定电子管通态电阻R等于零，则饱和压降VAS也等于零。实际上，功率电子管总是存在着一定的通态电阻，因此也必然存在一定的饱和压降，而且饱和压降VAS，随漏极电流的改变而改变。漏极电流越大，则饱和压降VAS (叫越大。为了减小通态损耗，在选择功率电子管时，应尽可能选用通态电阻小的管子。考虑到通态损耗，在前面的推导过程中，除了直流输入功率，其他公式均应以代替 (c)实质上“断开时”，开关管内阻也不为无穷大，“断开”的转换时间也不等于零。必然有截止损耗。(d)负载网络损耗负载网络的损耗主要是电抗元件的Q值不够高(理论上应为无穷大)所带来的高频损耗。一般来说，电容器的损耗是很小的，其损耗要比电感的损耗小的多。所以，负载网络的损耗主要是电感L的损耗。计算出电感L的损耗电阻r。(e)放大器的效率E类高频功率放大器的理想效率为100%。实际上，由于上述主要损耗的存在，放大器的效率必然会下降。假设电子管阳极的效率为，考虑到负载网络的损耗，即阳极输出功率与负载电阻上的输出功率的关系为放大器的效率应等于2.3大功率输出级开关功率管器件的选择随着半导体晶体管器件的飞速发展，半导体器件应用越来越广泛，电子管(真空管)用得比较少，但是电子管在某些领域如大功率射频领域仍然是不可缺少的。以往的放大器大多采用MOSFET(场效应管)或者IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为开关元件，频率不是很高，输出功率容量也是有限的。下面示出了常见器件的正常工作时达到的功率和效率。用电子管做放大器，功率和频率都可以做得比较高，国外也有用电子管做，但是这些逆变器一般工作在C类状态，它的效率理论上可达到70%以上，实际应用中只有50%，效率不是很高。这里把E类放大器的高频软开关特性与电子管的高频率，大功率相结合，其开关频率可达到10MHz以上，输出功率为1kw以上，效率可以提高到90%以上，从而可以达到低功耗，节能的效果。2.4电子管的基本结构和特点电子管又称真空管，是一种在气密性封闭容器(一般为玻璃管)中产生电流传导，以获得信号放大或振荡的电子器件。基本特性类似于晶体管。拟选用的电子管为三极管。三极电子管由外壳、灯丝、屏极(也称板极或阳极)A、栅极G、阴极k及管脚等组成。其中，灯丝用来加热阴极。根据灯丝加热的方式不同可以分为直热式电子管和间热式电子管。阴极k(类似于半导体三极管的发射极和场效应管的源极)在温度升高到一定值时开始发射电子。栅极G(也称控制栅极(，类似于半导体三极管的基极和场效应管的栅极)用来控制阴极发射电子的数量，即控制阴极电流的大小。屏极A(类似于半导体三极管的集电极和场效应晶体管的漏极)用来收集阴极所发射的电子。 图2.5电子管的图形符号图中G是电子管的栅极，A是电子管的阳极(又叫板极)，K是电子管的阴极。栅极是插在阴极和阳极之间的控制电极，目的是调节电流的流动。如果满足一定的条件，就可以很容易的实现功率放大。控制电流流动的电场同时取决于阳极至阴极的电压和栅极至阴极的电压。我们用下列式子可以写出:是栅极至阴极的电压，是阳极至阴极的电压。电子管工作的原理是:灯丝加热阴极，温度升高到一定值时，开始发射电子。电子离开阴极时受到了一个电场的影响，这个电场是两个电压的函数。电压与电压相比，比较接近阴极的栅极比起相对远的阳极来能产生更大的影响。如果栅极电势为负，那么几乎没有什么电子会被吸引到它那里去，所以大量的电子将流到阳极上。因此在栅极上几乎没有什么电流流动，结果就有可能是功率增益非常大。因此栅极至阴极间的负电压及很小的栅电流，是通常电子管的工作特点。非常类似于耗尽型n沟FET(场效应管)中栅源负电压级很小的栅电流。2.5选取开关管7T69RB时电路参数计算及选取由第二章中的分析，选定负载网络的有载品质因数和输入信号频率后，根据电子管给的特性参数，分别进行计算。7T69RB是南京电子管厂生产的大功率高频率电子管。其具体参数如(1)极间电容:阴极一栅极.18pF栅极一阳极.13pF阴极一阳极.0.07pF(2)允许使用极限值:最大阳极直流电压8kV最大阳极直流电流.2A最大栅极直流电流0.5S最大工作频率110MHz最大栅极直流电流.0.5S栅极电阻3500欧姆当用大功率高频电子管7T69RB用于E类功率放大器时，电路中参数的计算和选取。假设=10，占空比D=0.5，激励信号频率为13.56MHz，即工业上常用的频率。由最大阳极直流电压8KV知阳极峰值电压约为16KV。由第二章表2.1和表2.2的公式式中指的是最大阳极直流电流2A，可以得到由得由得 由得由得由得由得 通过以上计算可知电子管工作频率为13.56MHz，输出功率为kgw，这是普通半导体晶体管难以达到的。2.6小结(1)E类高频功率放大器工作于开关状态，当功率器件饱和导通时，阳极(集电极或漏极)电压波形由功率器件本身决定;当功率器件截止时，阳极(集电极或漏极)电压波形由负载网络的谐振情况决定。要使E类高频功率放大器保持高效率工作，负载网络的瞬变响应必须满足E类功率放大器理想工作状态的三个条件。(2)当嗽值选定时，E类高频功率放大器负载网络的阻尼对功率器件阳极(集电极或漏极)电压波形的影响极大，阻尼的大小与负载网络电路中各元件参数有关。要使E类高频功率放大器可靠高效地工作，必须选择合适的电路参数。为此，可以对有关的元件参数进行优化和调整。(3)E类高频功率放大器的损耗主要包括开关损耗、通态损耗和负载网络的损耗。开关损耗主要发生在功率器件由导通至断开的转换时间里，可以通过调整负载网络的响应来减小开关损耗;通态损耗是由于功率器件不可避免的存在饱和压降而引起的;负载网络的损耗是由负载网络中的电抗元件的高频损耗造成的，其中主要是电感的损耗。(4)负载电阻可以根据输出功率、耐压等条件计算出，然后再根据最佳工状态下的要求进行调整。第三章电子管E类高频功率放大器电路仿真在PROTEL99se仿真库里，给出的几种电子管模型，这几种电子管模型一般用于低频放大电路。没有给出工作于大功率(大于1KW)高频率(大于1MHz)的电子管模型，在这里根据电子管7T69RB的特性，创建了仿真元件7T69RB。用大功率高频率电子管7T69RB作为开关元件，由上一章计算的电路参数，进行了电路仿真并优化了电路参数。要使电子管工作在E类开关状态，占空比为0.5，静态工作电压应设置为开启电压，这里设置约为一40伏。高频扼流圈L0选取1H，远远大于负载网络中的电感。3.1电路的仿真按照第二章中计算所得的参数，利用protel99Se电路仿真软件对仿真电路进行仿真分析。在输入端加上频率f为13.56MHz，峰值为500伏的正弦驱动信号，为方便察看流过电子管的电流在电子管上面串接了电阻，对整个电路的仿真不产生影响。在电路工作过程中，电子管受驱动信号的控制周期性的开通和关断，L。是一个电感量足够大的电感，阻止高频电流通过，在电子管导通期间，L、C、组成一个谐振回路，其中的电流为正弦波。当电子管关断时，L、C、谐振回路中的电流流入C。，L。中的直流电流由电子管切换到C。，恰当的设计可以使E类放大器工作在最佳工作状态。31图3.1E类高频功率放大器的仿真电路仿真后可以得到如下波形 图3.2电子管阳极电流和电压波形上面为电流波形，下面为电压波形功率电子管进入关断过程，阳极电压开始上升，而阳极电流则下降到零;功率电子管进入开通过程，阳电流开始上升，而阳极电压下降为零。和以往的采用方波驱动不同，这里采用正弦波驱动。在开通时刻，驱动电压不能立即上升到某一个确定的较大值，也就是电子管虽然开通，但是没有饱和，导致阳极电压缓慢下降到零;同样电流也是缓慢增加到峰值。在开通期间会有很大的开通损耗。在关断时刻，驱动电压缓慢下降到某一最小值而不能立即下降到最小值，导致流过电子管的电流也是缓慢下降到零，而此时阳极电压在阳极电流下降到零之前己经缓慢上升，形成很大的关断损耗。因为在E类功率放大器工作过程中，电压为缓慢上升到最大值到下降到为零的过程时，电子管处于关断时期。电子管在导通时刻我们可以看到电子管两端的电压不是零，斜率也不为零，没有达到最佳工作状态。从波形可以看出，电容C。上电压的最小值位于开通时刻之前。降低谐振回路频率，周期增大，可以使电容C。上电压的最小值向后移，为此，C。增加到2pF，使电压的最低点尽量接近导通时刻，同时也降低了开通时刻阳极电压，得到如下结果:图3.3电容C0为2pF时电子管的阳极电压和电流在上图中在电子管导通时刻出现了一个相当尖的尖峰电流，这是因为当电子管导通时刻阳极电压不为零，即电容C0上有电压，当电子管导通时，电容C0短路放电，出现了一个瞬间尖峰电流，会对电子管造成很大的电流冲击，这时的开通损耗很大，严重时有可能损坏管子。这是不允许的一种工作状态。在电子管关断时刻，流过电子管的电流骤然下降了一大截到零状态，这是因为断开时刻，谐振回路的电流不能通过电子管，流过电容C0，即L、C、.RL、C0形成谐振回路。实际上在电子管断开期间，电子管的开关损耗是非常小。图3.4电子管等效谐振电路因为在开通时刻阳极电压(等于电容C0上的电压)很大，造成很大的电流尖峰，为满足E类功率放大器达到最佳工作状态，实现零电压开通，需要调整电路中的参数。从波形可以看出，电容C0上电压的最小值仍然位于开通时刻之前。再次降低谐振回路频率，周期增大，可以使电容C0上电压的最小值向后移，为此，L增加到0.1573mH，使电压的最低点尽量接近导通时刻，得到如下结果:上面为电流波形，下面为电压波形。图3.5阳极电流和电压波形上图中开通时刻电压为正值，不满足E类功率放大器的最佳工作条件，此时阳极电压及其斜率都不为零。因为负载网络电阻RL过大，引起谐振回路中电流过小，对电容C0充放电形成的正向电压大于零，和直流电压对电容C0充电电压叠加不能同时满足电压为零和斜率为零。为此减小负载电阻RL,取RL为。图3.6最佳工作状态下电子管的阳极电压和阳极电流3.7理想工作状态下电子管的电压和电流输出图3.8 最佳工作状态下输出电压波形E类功率放大器的仿真分析，得到了最佳工作状态下电压和电流的输出。最佳工作状态下阳极电压电流波形和理想工作状态下有些差别，就是这里采用正弦波驱动，在关断时刻，驱动电压缓慢下降到某一最小值而不能立即下降到最小值，流过电子管的电流也是不能立即下降到零。仿真得到，输出电流峰值为3.93A，流过高频扼流圈的电流约为2.1A，负载。输入直流电压=4.5kv。经过计算:输入功率输出功率可得到放大器的效率为关断时刻损耗分析:图3.9阳极电压和电流关断时刻直线化结果由上图得到阳极电压直线化结果，阳极电流直线化结果在内可以得到损耗的平均功率为约占总输入功率的1.5%。3.2大功率电子管放大器推论结果在一般情况下，E类高频功率放大器是否工作在最佳工作状态可以根据功率器件阳极(集电极或漏极)电压和电流波形的好坏来判断。而由2.2.2节中的分析可知，E类高频功率放大器负载网络的负载电阻RL对功率器件阳极(集电极或漏极)电压波形的影响极大。通过调整负载参数RL，可以使功率器件阳极(集电极或漏极)电压波形达到如图3一6所示的最佳波形。根据3一6所示的电压波形可以看出:阳极电压在半周期以内就下降到零。通过几种波形进行比较，可知负载网络的其他参数的大小也影响电路的工作状态，需要对相关参数进行优化调整。由用大功率射频电子管7T69RB作为开关管的仿真结果，可以得到大功率射频输出，并且实现高效率。由上述分析可见，E类高频功率放大器可大大减小开关管的开通损耗和关断损耗，并且电路结构简单，使用一个开关管，就能容易地获得较高频率和大功率的正弦波输出。第四章 结 论功率放大器任务是放大输入信号，使之达到足够高的功率，以满足负载的要求。E类高频率大功率放大器采用开关拓扑，其放大原理与线性功率放大器的原理截然不同，它具有效率高、输出功率大、频率高同时兼有等优点。(1)通过理论分析、电路仿真、实际驱动电路的设计，表明所研究的电子管E类射频功率放大器是正确的和可行的。与C类功率放大器相比，采用E类高频功率放大器可提高功率放大器的效率，具有较高的实用价值。(2)电子管具有工作频率高、开关速度快、安全工作区大、能承受高电压、大电流等优点，非常适合作为E类高频大功率放大器的开关元件。这里把E类放大器的高频软开关特性与电子管的高频率，大功率相结合，效率可以提高到90%以上，从而可以达到低功