高頻功率放大器的設(shè)計.doc

課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名 學(xué)生姓名 姜正姜正 專業(yè)班級 專業(yè)班級 通信工程通信工程 07040704 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 張曉梅張曉梅 工作單位 工作單位 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 題題 目目 高頻功率放大器設(shè)計高頻功率放大器設(shè)計 初始條件 初始條件 1 可選元件 晶體管 高頻磁環(huán) 電阻 電容 開關(guān)等 2 仿真軟件 Mulitisim 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù) 設(shè)計一個高頻功率放大器 要求 1 輸出功率 Po 125mW 2 工作中心頻率 fo 6MHz 3 65 時間安排 時間安排 1 理論講解 老師布置課程設(shè)計題目 學(xué)生根據(jù)選題開始查找資料 2 課程設(shè)計時間為 1 周 1 確定技術(shù)方案 電路 并進(jìn)行分析計算 時間 1 天 2 選擇元器件 安裝與調(diào)試 或仿真設(shè)計與分析 時間 2 天 3 總結(jié)結(jié)果 寫出課程設(shè)計報告 時間 2 天 指導(dǎo)教師簽名 指導(dǎo)教師簽名 20102010 年年 月月 日日 系主任 或責(zé)任教師 簽名 系主任 或責(zé)任教師 簽名 年年 月月 日日 目錄目錄 摘要摘要 II ABSTRACT II 1 諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理 3 1 1 基本原理電路 3 1 2 高頻諧振功率放大器的電路組成 3 1 3 集電極電流余弦脈沖分解 4 1 4 高頻諧振功率放大器的性能分析 7 1 4 1 諧振功率放大器的動態(tài)特性 7 1 4 2 諧振功率放大器的負(fù)載特性 7 1 4 3 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整 9 2 具體設(shè)計過程具體設(shè)計過程 10 2 1 電路元件參數(shù)計算 11 2 1 1基極偏置電路計算 11 2 1 2計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù) 11 2 1 3電源去耦濾波元件選擇 12 2 2 諧振功率放大器的功率和效率關(guān)系協(xié)調(diào) 12 3 高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析 13 3 1 仿真結(jié)果 13 3 1 1第一放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形 13 3 1 2第二放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形 14 3 1 3第三放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形 14 3 2 仿真結(jié)果分析 15 總結(jié)總結(jié) 16 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 17 附錄附錄 18 通信電子線路 課程設(shè)計 I 摘要 通信電路中 為了彌補(bǔ)信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大 的功率輸出 通信距離越遠(yuǎn) 要求輸出功率越大 為獲得足夠大的高頻輸出功 率 必須采用高頻功率放大器 我們對高頻功率放大器和低頻功率放大器的共 同要求是輸出功率大和效率高 但由于兩者的工作頻率和相對帶寬相差頗大 就決定了他們之間有根本的差異 基于兩種放大器的不同特點(diǎn) 使得這兩種功 率放大器所選的狀態(tài)有所不同 低頻功放工作于甲類 甲乙類或乙類 限于推 挽電路 狀態(tài) 現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些工作于丁類的低頻放大器 高頻功率放大器 則一般工作于丙類 某些特殊情況可工作于甲類 乙類 丁類 戊類等 高頻放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率 效率 功率增益 帶寬和諧波抑 制等 這幾項指標(biāo)往往是相互矛盾的 在設(shè)計功率放大器時 總是根據(jù)該放大 器的工作特點(diǎn) 突出其中一些指標(biāo) 然后兼顧另外一些指標(biāo) 通信電子線路 課程設(shè)計 II Abstract In communication circuits in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output communication the greater the distance the greater the required output power In order to obtain a large enough high frequency output power high frequency power amplifier must be used Our high frequency power amplifier and low frequency power amplifier output power of the common requirement is large and high efficiency but because of the work of both frequency and relative bandwidth vary considerably we decided there is a fundamental difference between them Based on two different characteristics of the amplifier making the status of these two different from the selected power amplifier low frequency power amplifier works in Category A and B or Class B limited to push pull circuit state and now there have been some work on the small Class of low frequency amplifiers high frequency power amplifiers are generally working in a Class C in some special cases can work on the A B D E etc The main technical indicators of high frequency amplifier is the output power efficiency power gain bandwidth and harmonic suppression and so on The above targets often contradictory and in the design of power amplifiers it always work according to the amplifier characteristics highlighting some of the indicators and then take into account some other indicators 通信電子線路 課程設(shè)計 1 1 諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理 由于高頻功率放大器通常工作于丙類 因此不能用線性等效電路來分析 對他們的分析方法通常采用折線近似分析法 1 1 基本原理電路 圖 1 1 諧振功率放大器的基本電路 圖 1 1 是高頻諧振功率放大器的基本原理圖 晶體管的作用是在將供電電 源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用 諧振回路 LC 是晶體管 的負(fù)載 電路工作在丙類工作狀態(tài) 外部電路關(guān)系式 式 1 1 tVVe bmBBb cos 式 1 2 tVVe cmCCc cos 晶體管的內(nèi)部特性 式 1 3 BZbcc Vegi 通信電子線路 課程設(shè)計 2 圖 1 2 諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線 故晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線表達(dá)式 Vbmcos c VBZ 式 1 4 BB V 故得 式 1 5 bm BZBB c V VV cos 必須強(qiáng)調(diào)指出 集電極電流雖然是脈沖狀 但由于諧振回路的這種濾波作用 ci 仍然能得到正弦波形的輸出 諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖如圖所示 圖 1 3 高頻功率放大器中個分電壓與電流的關(guān)系 通信電子線路 課程設(shè)計 3 1 2 高頻諧振功率放大器的電路組成高頻諧振功率放大器的電路組成 丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài) 過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài) 因欠壓狀 態(tài)效率低 而過壓狀態(tài)嚴(yán)重失真 諧波分量大 所以一般選用臨界狀態(tài) 在晶 體管功率放大器中 可以通過改變激勵電壓 基極偏壓 集電極負(fù)載 集電極 直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài) 從輸出功率 Po 500mw 來看 末級功放可采用甲類或丙類功率放大器 但 要求總效率 50 顯然 只用一級甲類功放是不能達(dá)到目的的 故采用兩級 功率放大器 第一級采用甲類功率放大器 第二級采用丙類功率放大器 其中 甲類功放選用晶體管 3DG12 丙類功放選擇晶體管 3DA1 其參數(shù)的設(shè)定 功放的基極偏置電壓 BE U 是利用發(fā)射極電流的直流分量 0E I 在射極電阻 2E R 上產(chǎn)生的壓降來提供的 故稱為自給偏壓電路 當(dāng)放大器的輸入信號 i U 為 正弦波時 則集電極的輸出電流 c i 為余弦脈沖波 利用諧振回路 22C L 的選頻作 用可輸出基波諧振電壓 C U 電流 1C i 當(dāng)功率放大器的電源電壓 基極偏置電壓 輸入電壓 或激勵電 CC U b U 壓 確定后 如果電流導(dǎo)通角 選定 則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電 bm U 極回路的等效負(fù)載電阻 q R 當(dāng)交流負(fù)載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn) A 時 管子的集電極電壓正 好等于管子的飽和管壓降 集電極電流脈沖接近最大值 CES U cm I 1 3 集電極電流余弦脈沖分解集電極電流余弦脈沖分解 參閱圖 1 4 一個尖頂余弦脈沖主要由脈沖高度和通角這兩個參量完全確定 因此maxcic 得先確定和的公式 然后對脈沖進(jìn)行分解 maxcic 通信電子線路 課程設(shè)計 4 圖 1 4 尖頂余弦脈沖 將式 1 1 代入晶體管內(nèi)部特性方程的表達(dá)式 1 3 得 式 1 6 cos ccBBbmBZigVVtV 當(dāng) 時 0 代入上式得 t c ci 式 1 7 0 cos cBBbmBZgVVtV 即 式 1 8 cos BBBZ c bm VV V 因此知道了 與的值 的值就完全確定了 BBVBZVbmVc 將式 1 6 與式 1 7 相減 即得 式 1 9 coscos ccbmcig Vt 當(dāng) 0 時 因此t cimaxci 式 1 10 max coscos cccigt 當(dāng)跨導(dǎo) 激勵電壓與通角已知后 將式 1 9 與式 1 10 相除 即cgbmVc 得 max coscos 1 cos cc cc it i 通信電子線路 課程設(shè)計 5 或 式 1 11 max coscos 1 cos c cc c t ii 式 1 11 即為尖頂余弦脈沖的解析式 它脈沖高度與通角 將上式用maxcic 傅里葉級數(shù)展開分解為平均分量 基波分量和各次諧波分量 即 式 1 12 012coscos2coscccmcmcmniIItItIn t 式 1 13 0max0 cccIi 式中稱為平均分量電流分解系數(shù) 基波分量振幅0 sincos 1 cos ccc c c 為 式 1max1 cmccIi 1 14 式中 稱為基波電流分解系數(shù) n 次諧波分量振幅 1 2sin2 2 1 cos cc c c 為 式 max cmncncIi 1 15 式中 稱為 n 次諧波電流分解系數(shù) 2 2sincos2 cossin 1 cos 1 cccc nc c nnn n n 等與的關(guān)系見圖 1 5 0 1 n c 通信電子線路 課程設(shè)計 6 圖 1 5 尖頂余弦脈沖的分解系數(shù) 由上圖可看出 當(dāng)?shù)淖畲笾禐?0 536 約為 此時達(dá)到最1 c c o 120 1 max cm c I i 大值 因此 在與負(fù)載阻抗為某定值的情況下 輸出功率maxcipR 將達(dá)到最大值 這樣看來 可能 是最佳通角了 但事實 2 Ocm1p 1 P IR 2 c o 120 上 這時放大器工作在甲乙類狀態(tài) 集電極效率太低 式 1 16 O c1 P1 g P2 c 將式中集電極電壓利用系數(shù) 定義為波形系數(shù) 因 cm cc V V 1 1 0 g c c c 為對高頻功率放大器的基本要求是 盡可能輸出大功率 高效率 為兼顧兩者 通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài) 其電流流通角在 范圍 c 0 60 0 90 通信電子線路 課程設(shè)計 7 1 4 高頻諧振功率放大器的性能分析高頻諧振功率放大器的性能分析 1 4 1 諧振功率放大器的動態(tài)特性諧振功率放大器的動態(tài)特性 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗 Rp 激勵電壓 vb 供電電壓 VCC VBB 等 4 個參量決定的 為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器 就應(yīng)該了解這幾個參量 的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化 當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時 它的外部電路關(guān)系式為 式 1 17 b e BBbm VV coswt 式 1 18 cCC e V cm V cos t 消去可得 cos t 式 1 19 CC bBBbm cm V eVV V ce 另一方面 晶體管的折線化方程為 式 1 20 ccbbzig eV 得出在 ic ec坐標(biāo)平面上的動態(tài)特性曲線方程 BZ cm cCC bmBBcc V V eV VVg i 式 bm cmBBcmBZCCbm c cm bm c V VVVVVV e V V g 1 21 1 4 2 諧振功率放大器的負(fù)載特性諧振功率放大器的負(fù)載特性 通信電子線路 課程設(shè)計 8 圖 1 6 電壓 電流隨負(fù)載變化波形 如果 3 個參變量不變 則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻 Rp CC VBBVbV 決定 此時 放大器的電流 輸出電壓 功率 效率等隨 Rp而變化的特性 就 叫做放大器的負(fù)載特性 1 vc ic隨負(fù)載變化的波形vc ic隨負(fù)載變化的波形如圖所示 放大器的輸 入電壓是一定的 其最大值為Vbemax 在負(fù)載電阻 RP由小至大變化時 負(fù)載線 的斜率由小變大 如圖中 1 2 3 不同的負(fù)載 放大器的工作狀態(tài)是不同的 所得的 ic波形 輸出交流電壓幅值 功率 效率也是不一樣的 2 欠壓 過壓 臨界三種工作狀態(tài) 臨界狀態(tài) 負(fù)載線和eb max正好相交于臨界線的拐點(diǎn) 放大器工作在臨 界線狀態(tài)時 輸出功率大 管子損耗小 放大器的效率也就較大 欠壓狀態(tài) B 點(diǎn)以右的區(qū)域 在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi) 根據(jù) Vc RpIc1 放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻 RP的增大而增大 其 輸出功率 效率的變化也將如此 過壓狀態(tài) 放大器的負(fù)載較大 在過壓區(qū) 隨著負(fù)載 Rp的加大 Ic1要 下降 因此放大器的輸出功率和效率也要減小 通信電子線路 課程設(shè)計 9 根據(jù)上述分析 可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線 圖 1 7 負(fù)載特性曲線 欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低 集電極耗散功率也較大 輸出電壓隨負(fù) 載阻抗變化而變化 因此較少采用 但晶體管基極調(diào)幅 需采用這種工作狀態(tài) 過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是 當(dāng)負(fù)載阻抗變化時 輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大 在弱過壓時 效率可達(dá)最高 但輸出功率有所下降 發(fā)射機(jī)的中間級 集電極 調(diào)幅級常采用這種狀態(tài) 臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大 效率也較高 比最大效率差不了許多 可以說是最佳工作狀態(tài) 發(fā)射機(jī)的末級常設(shè)計成這種狀態(tài) 在計算諧振功率放 大器時 也常以此狀態(tài)為例 1 4 3 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整放大器工作狀態(tài)的調(diào)整 調(diào)整欠壓 臨界 過壓三種工作狀態(tài) 大致有以下幾種方法 改變集電極 負(fù)載 Rp 改變供電電壓 VCC 改變偏壓 VBB 改變激勵 Vb 1 改變 Rp 但 Vb VCC VBB不變 當(dāng)負(fù)載電阻 Rp由小至大變化時 放大器的 通信電子線路 課程設(shè)計 10 工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓 在臨界狀態(tài)時輸出功率最大 2 改變 VCC 但 Rp Vb VBB不變 當(dāng)集電極供電電壓 VCC由小至大變化時 放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓 在欠壓區(qū)內(nèi) 輸出電流的振幅基本 上不隨 VCC變化而變化 故輸出功率基本不變 而在過壓區(qū) 輸出電流的振幅 將隨 VCC的減小而下降 故輸出功率也隨之下降 在過壓區(qū)中輸出電壓隨 VCC改 變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實現(xiàn)提供依據(jù) 因為在集電極調(diào)幅電路中是依 靠改變 VCC來實現(xiàn)調(diào)幅過程的 集電極調(diào)幅電路就是調(diào)制信號使 Vcc 改變的調(diào)制 方式 因此 集電極調(diào)幅要工作在過壓區(qū) 3 VCC VBB Rp不變 Vbm變化 當(dāng) Vbm自 0 向正值增大時 使集電極電流脈 沖的高度和寬度增大 放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài) 因此 在欠壓區(qū)可以實現(xiàn)線性放大 在過壓區(qū)則可作為限幅器 諧振功放的 放大特性是指放大器性能隨 Vbm 變化的特性 2 具體設(shè)計過程具體設(shè)計過程 圖 1 8 是設(shè)計的總電路圖 電源為單電源 12V 前面兩級為高頻小信號諧振 放大器 最后一級為高頻諧振功率放大器 電路參數(shù)計算主要以計算第三級參 數(shù)為主 通信電子線路 課程設(shè)計 11 圖 1 8 總體設(shè)計電路 2 1 電路元件參數(shù)計算電路元件參數(shù)計算 電源電壓為 12V Vbe 1 5V 2 1 1 基極偏置電路計算基極偏置電路計算 因 則有 cos EZ c Bm VV V 式 2 1 0 cos5 3cos701 1 EbmcZ VVVV 因 則有 ECOE VIR 式 3 1 1 54 10 20 EEco RVI 2 2 取高頻旁路電容 pfCE01 0 2 2 1 2 計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù) 圖 1 9 L 型匹配網(wǎng)絡(luò) 輸出采用 L 型匹配網(wǎng)路 式 110 51 pL RR 2 3 式 2 1 pLL RQR 2 4 式 110 111 076 51 p L L R Q R 通信電子線路 課程設(shè)計 12 2 5 式 2 0S L L L Q R 2 6 式 26 0 1 076 51 1 46 26 10 LL S Q R LHH 2 7 式 22 11 1 1 1 462 72 H 1 076 pS L LL Q 2 8 則 式 22226 11 259 44 3 1462 72 10 P CpFpF f L 2 9 匹配網(wǎng)路的電感 L 為 電容 C 為 1 46 H 259pF 2 1 3 電源去耦濾波元件選擇電源去耦濾波元件選擇 高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用 型 LC 低通濾波器 濾波電感可按經(jīng)驗取 50 100 H 濾波電容一般取 0 01 F 2 2 諧振功率放大器的功率和效率關(guān)系協(xié)調(diào)諧振功率放大器的功率和效率關(guān)系協(xié)調(diào) 功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流 電源所供給的直流功率 使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?有一部分功率以熱 能的形式消耗在集電極上 成為集電極耗散功率 PDC 直流電源供給的直流功率 Po 交流輸出信號功率 Pc 集電極耗散功率 根據(jù)能量守衡定理 PDC Po Pc 故集電極效率 通信電子線路 課程設(shè)計 13 式 2 10 co o DC o c PP P P P 由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論 1 設(shè)法盡量降低集電極耗散功率 Pc 則集電極效率 c自然會提高 這樣 在給定 PDC時 晶體管的交流輸出功率 Po就會增大 2 由式可知 c c c o PP 1 如果維持晶體管的集電極耗散功率 Pc不超過規(guī)定值 那么提高集電極效 率 c 將使交流輸出功率 Po大為增加 諧振功率放大器就是從這方面入手 來 提高輸出功率與效率的 越大 即 Vcm越大或 ecmin越小 c越小 效率 c越高 因此 丙類諧振功率 放大器提高效率 c的途徑即為減小 c角 使 LC 回路諧振在信號的基頻上 即 ic的最大值應(yīng)對應(yīng) ec的最小值 故諧振功率放大器是基極偏置為零偏壓 半通角 c 90 即丙類工作狀態(tài) 負(fù)載為 LC 諧振回路 3 高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析 3 1 仿真結(jié)果仿真結(jié)果 將上述設(shè)計的元件參數(shù) 按圖 1 8 所示電路繪制仿真電路圖 輸入信號為 為 100mV 的頻率為 5 85MHz 的正弦信號 ppV 3 1 1 第一放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形第一放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形 繪制第一級放大器 測量調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn) 使其滿足或近似到理論設(shè)計 值 測得靜態(tài)工作點(diǎn)各點(diǎn)電壓如下表 測量點(diǎn) bVcVeV 通信電子線路 課程設(shè)計 14 電壓值 V 3 66912 0003 029 表 3 1 第一級靜態(tài)工作電壓 第一級輸出波形如下圖 圖 3 1 圖 3 1 第一級輸出波形 3 1 2 第二放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形第二放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形 繪制第二級放大器 測量調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn) 使其滿足或近似到理論設(shè)計 值 測得靜態(tài)工作點(diǎn)各點(diǎn)電壓如下表 測量點(diǎn) bVcVeV 電壓值 V 1 6712 0000 954 表 3 2 第二級靜態(tài)工作電壓 第二級輸出波形如下圖 圖 3 2 通信電子線路 課程設(shè)計 15 圖 3 2 第二級輸出波形 3 1 3 第三放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形第三放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形 繪制第三級放大器 測量調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn) 使其滿足或近似到理論設(shè)計 值 測得靜態(tài)工作點(diǎn)各點(diǎn)電壓如下表 測量點(diǎn) bVcVeV 電壓值 V 012 0000 表 3 3 第二級靜態(tài)工作電壓 第三級輸出波形如下圖 圖 3 3 圖 3 3 第二級輸出波形 3 2 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析 從表 3 1 和表 3 2 可以看出第一級和第二級的晶體管靜態(tài)工作電壓 bV 和值滿足 和 0 7V 的關(guān)系 因此第一級和第 eVcVcVbVeVbVeV 二級的晶體管工作在甲類 從表 3 3 可看出第三級晶體管靜態(tài)工作電壓 bV 和 eV 值滿足 12V 電源電壓 0 的關(guān)系 因此第三級晶體管 cVcVbVeV 工作在丙類 三級的輸出波形分別如圖 3 1 圖 3 2 和圖 3 3 所示 第一級對輸入電