2mhzclasse功率放大器设计designofa2mhzclassepoweramplifier(附件)【字数：15
摘 要摘 要随着智能时代的到来，智能移动端的迅速发展，人们对移动端的充电技术提出了高要求。为了实现无线充电，需要发射端能够发射稳定的高频能量。基于Class-E功率放大器高效率，高能量的特点，采用Class-E功率放大器作为无线充电器的发射端。本文提出了一种完整的Class-E功率放大器的一般设计方法。目的在实际需求中，能够通过耦合电感短距离的为移动设备充电。本文具体阐述2MHz Class-E 功率放大器的设计。由于在实际需求当中，一般只提供一个直流电源，要实现Class-E功率放大器，还需要设计振荡器。本文对振荡电路的原理，振荡条件等做了详细的说明，并对静态工作点和LC谐振频率的设计方法也做出了详细的介绍。详细分析了电容三点式和改进电容三点的工作原理。本文给出了，Class-E功率放大器的工作的瞬态分析，也给出了一般Class-E功率放大器电路模型和具体电路参数的计算方法。 借助PSpice对改进三点式振荡电路和Class-E功放电路进行仿真，对仿真结果做了详细的分析。最后设计PCB板，通过示波器进行实物测试，测试结果基本达到设计要求。关键词振荡条件，谐振回路，三点式电容振荡器，Class-E，开关电路，PSpice
目 录
第一章 绪 论 1
1.1研究背景 1
1.2课题研究意义 1
1.3系统设计方案 2
1.4振荡条件概述 2
1.5PSpice一些使用技巧 4
第二章 振荡电路设计与仿真 7
2.1三点式电容振荡电路振荡条件研究 7
2.1.1三点式电容振荡电路振荡条件分析 7
2.1.2改进式三点式振荡电路（西勒电路） 9
2.2振荡器参数设计 11
2.2.1静态工作点的设计 11
2.2.2 LC串联谐振电路参数设计 15
2.3基于PSpice对西勒电路模型的仿真设计 18
第三章 ClassE功率放大器设计 20
3.1ClassE功率放大器工作状态分析 20
3.2电路的参数的详细计算 21
3.2基于PSpice的仿真测试 24
第四章 电磁耦合能量传输测 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
试 30
第五章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2展望 32
致谢 33
参考文献 34 第一章 绪 论
1.1研究背景
随着智能时代的到来，现代制造业的进步，越来越多的智能芯片尺寸变得越来越小，移动设备也由此变得更薄，更小，功率也变得越来越大，人们对频繁充电深恶痛绝，一味地提高电池容量并不是长久之计，在这种市场要求推动下，人们对无线充电技术做了很多的设想与研究。无线充电有着无与伦比的优势，人们在有无线充电的环境里可以享受到无限容量电池的乐趣，尤其在医疗行业，一些植入体内的医疗器材，每当其中的电池电量耗尽时，就需要重新更换，不仅带来高昂的看病成本，而且也给病人带来痛苦和手术的风险。无线充电技术在各大研究所和一些手机制造企业都有研究，但是目前为止还没有企业推出可以支持无线充电的设备，这是一个具有很大发展潜力和未被开垦的新市场。基于无线充电的各种优势，以及迫切的市场需求，本文对无线充电的前端电路进行了设计研究，目的是能够进行短距离的能量传输，因此采用了2MHz的发射频率，通过ClassE功率放大器对2MHz振荡信号进行功率放大，然后通过耦合电感进行功率传输，本文主要对其前端电路进行研究设计。
1.2课题研究意义
本课题研究分为两个部分，第一部分是为ClassE功率放大器提供2MHz开关频率的振荡器设计，第二部分是ClassE功率放大器设计。
在电路系统中，很多情况下，需要稳定可靠的正弦波信号，当电路中没有交流信号时，这就要求电路能够自激振荡，把直流信号能量转化为稳定频率的正弦波信号，尤其在通信系统中，需要高频的正弦波信号作为载波信号与信息信号进行调制，能够有效的提高传输距离和最大程度上的减小信息的丢失
ClassE功率放大器除了在无线电距离充电技术上有着重要的研究意义外，对比于其他功率放大器，由于ClassE功率放大器的效率能够达到100%，这在一些特殊的领域，是其他功率放大器无法替代的。
1.3系统设计方案
系统是通过电感把电能转化为磁能，然后再经过耦合的方式，可做到不接触，短距离的传输能量。如图11所示为功率输出端的设计框图，电路采用唯一的直流电源供电，希望把直流电能量转化为磁通量，通过电感耦合把能量传递到下一级。为了产生磁场，需要电路能够产生高频的交流信号，同时要求交流信号功率足够大，因此选用ClassE功放来产生较高功率的正弦信号。由于ClassE放大器需要开关信号来控制场效应管的通断，所以在ClassE功放前端设计了自激振荡器来产生2MHz的正弦信号。要求ClassE功放在放大功率的同时，还要把电能转化为磁能，因此在设计电路结构中需要用到耦合电感，具体在第二章加以介绍。
图11系统设计方案
1.4振荡条件概述
在很多电子领域中，需要将直流电源变成可靠稳定的交流信号，对于一般的反馈模型电路，如图12所示，提出设想，假设在一般反馈系统中，前向通路传递函数为G(s)，反馈通路传递函数为H(s)，则此系统的传递函数为：
/ （11）
即
图12一般反馈网络框图
对于给定的信号正弦波Xi，当系统零点全在左边平面左侧时，系统总能输出Xo，即当断开Xi，系统在一段时间之后，输出将变为零，所呈现出的是一种输入与输出的对应关系。若要系统能够自己产生交流信号，1G(s)H(s)在时域应该有零点，由此提出设想[1]，在时域中，若去除输入的正弦信号Xi，对于偏差信号Xe，做增益分析，其中H、G为电压放大倍数，
图13增益回路框图
（13）
（14）
（15）
若当Xe，与Xf波形相同时，可以将1端和2端相接，构成闭环回路，由此得到了振荡电路两个重要的振荡条件：
（1）在系统的增益环节，要求GH=1，简称为幅度条件：
（2）在系统完成一个传递周期后，要求在输入输出相位相同或者相差2kT，其中k为正整数，T为振荡信号的一个周期，把该要求简称为相位条件。
对于幅度条件，在实际需求中，由于没有输入信号Xi，这就要求系统能够自激振荡，所以在起振的时候要求GH>1，达到稳定时，GH=1，当系统稳定时，系统的幅度条件一般是通过非线性器件来约束。在常见的电路模型中，一般的三极管振荡电路，则是通过三极管的饱和区和截止区来约束震荡的幅度条件。GH的值要合理设计，GH值越大，起振时间越短，但是同时在稳定时需提供更高的Q值来约束波形，这样会对选频滤波电路带来很大的压力，意味着波形失真度可能很高。
值得注意的是，振荡系统中的相位条件同时也是确定系统振荡频率的重要依据，一般电路中，在增益或者反馈回路，都会加上一定的选频电路，在电路系统运行过程中，把满足频率的噪声信号保留下来，同时设计电路的结构，把该频率的信号循环放大，最终输出稳定的波形。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1研究背景 1
1.2课题研究意义 1
1.3系统设计方案 2
1.4振荡条件概述 2
1.5PSpice一些使用技巧 4
第二章 振荡电路设计与仿真 7
2.1三点式电容振荡电路振荡条件研究 7
2.1.1三点式电容振荡电路振荡条件分析 7
2.1.2改进式三点式振荡电路（西勒电路） 9
2.2振荡器参数设计 11
2.2.1静态工作点的设计 11
2.2.2 LC串联谐振电路参数设计 15
2.3基于PSpice对西勒电路模型的仿真设计 18
第三章 ClassE功率放大器设计 20
3.1ClassE功率放大器工作状态分析 20
3.2电路的参数的详细计算 21
3.2基于PSpice的仿真测试 24
第四章 电磁耦合能量传输测 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
试 30
第五章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2展望 32
致谢 33
参考文献 34 第一章 绪 论
1.1研究背景
随着智能时代的到来，现代制造业的进步，越来越多的智能芯片尺寸变得越来越小，移动设备也由此变得更薄，更小，功率也变得越来越大，人们对频繁充电深恶痛绝，一味地提高电池容量并不是长久之计，在这种市场要求推动下，人们对无线充电技术做了很多的设想与研究。无线充电有着无与伦比的优势，人们在有无线充电的环境里可以享受到无限容量电池的乐趣，尤其在医疗行业，一些植入体内的医疗器材，每当其中的电池电量耗尽时，就需要重新更换，不仅带来高昂的看病成本，而且也给病人带来痛苦和手术的风险。无线充电技术在各大研究所和一些手机制造企业都有研究，但是目前为止还没有企业推出可以支持无线充电的设备，这是一个具有很大发展潜力和未被开垦的新市场。基于无线充电的各种优势，以及迫切的市场需求，本文对无线充电的前端电路进行了设计研究，目的是能够进行短距离的能量传输，因此采用了2MHz的发射频率，通过ClassE功率放大器对2MHz振荡信号进行功率放大，然后通过耦合电感进行功率传输，本文主要对其前端电路进行研究设计。
1.2课题研究意义
本课题研究分为两个部分，第一部分是为ClassE功率放大器提供2MHz开关频率的振荡器设计，第二部分是ClassE功率放大器设计。
在电路系统中，很多情况下，需要稳定可靠的正弦波信号，当电路中没有交流信号时，这就要求电路能够自激振荡，把直流信号能量转化为稳定频率的正弦波信号，尤其在通信系统中，需要高频的正弦波信号作为载波信号与信息信号进行调制，能够有效的提高传输距离和最大程度上的减小信息的丢失
ClassE功率放大器除了在无线电距离充电技术上有着重要的研究意义外，对比于其他功率放大器，由于ClassE功率放大器的效率能够达到100%，这在一些特殊的领域，是其他功率放大器无法替代的。
1.3系统设计方案
系统是通过电感把电能转化为磁能，然后再经过耦合的方式，可做到不接触，短距离的传输能量。如图11所示为功率输出端的设计框图，电路采用唯一的直流电源供电，希望把直流电能量转化为磁通量，通过电感耦合把能量传递到下一级。为了产生磁场，需要电路能够产生高频的交流信号，同时要求交流信号功率足够大，因此选用ClassE功放来产生较高功率的正弦信号。由于ClassE放大器需要开关信号来控制场效应管的通断，所以在ClassE功放前端设计了自激振荡器来产生2MHz的正弦信号。要求ClassE功放在放大功率的同时，还要把电能转化为磁能，因此在设计电路结构中需要用到耦合电感，具体在第二章加以介绍。
图11系统设计方案
1.4振荡条件概述
在很多电子领域中，需要将直流电源变成可靠稳定的交流信号，对于一般的反馈模型电路，如图12所示，提出设想，假设在一般反馈系统中，前向通路传递函数为G(s)，反馈通路传递函数为H(s)，则此系统的传递函数为：
/ （11）
即
图12一般反馈网络框图
对于给定的信号正弦波Xi，当系统零点全在左边平面左侧时，系统总能输出Xo，即当断开Xi，系统在一段时间之后，输出将变为零，所呈现出的是一种输入与输出的对应关系。若要系统能够自己产生交流信号，1G(s)H(s)在时域应该有零点，由此提出设想[1]，在时域中，若去除输入的正弦信号Xi，对于偏差信号Xe，做增益分析，其中H、G为电压放大倍数，
图13增益回路框图
（13）
（14）
（15）
若当Xe，与Xf波形相同时，可以将1端和2端相接，构成闭环回路，由此得到了振荡电路两个重要的振荡条件：
（1）在系统的增益环节，要求GH=1，简称为幅度条件：
（2）在系统完成一个传递周期后，要求在输入输出相位相同或者相差2kT，其中k为正整数，T为振荡信号的一个周期，把该要求简称为相位条件。
对于幅度条件，在实际需求中，由于没有输入信号Xi，这就要求系统能够自激振荡，所以在起振的时候要求GH>1，达到稳定时，GH=1，当系统稳定时，系统的幅度条件一般是通过非线性器件来约束。在常见的电路模型中，一般的三极管振荡电路，则是通过三极管的饱和区和截止区来约束震荡的幅度条件。GH的值要合理设计，GH值越大，起振时间越短，但是同时在稳定时需提供更高的Q值来约束波形，这样会对选频滤波电路带来很大的压力，意味着波形失真度可能很高。
值得注意的是，振荡系统中的相位条件同时也是确定系统振荡频率的重要依据，一般电路中，在增益或者反馈回路，都会加上一定的选频电路，在电路系统运行过程中，把满足频率的噪声信号保留下来，同时设计电路的结构，把该频率的信号循环放大，最终输出稳定的波形。
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