高頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

通信電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)高頻功率放大器院、部電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名專業(yè)電子信息工程學(xué)號(hào)10401140419摘要高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無(wú)線傳輸過(guò)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。在高頻范圍內(nèi)，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采用高頻功率放大器。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對(duì)頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。高頻功率放大器電路由兩極功率放大器組成，第一級(jí)為甲類功率放大器，第二級(jí)為丙類諧振功率放大器。本次課設(shè)報(bào)告先是對(duì)高頻功率放大器有關(guān)理論知識(shí)作介紹，在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)最后設(shè)計(jì)出整體電路圖，在軟件中仿真驗(yàn)證是否達(dá)到技術(shù)要求，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后總結(jié)課設(shè)體會(huì)。關(guān)鍵詞高頻放大仿真甲類放大丙類放大ABSTRACTHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERISANIMPORTANTPARTOFTRANSMITTINGEQUIPMENT,ONEOFTHECOMMUNICATIONCIRCUIT,INORDERTOMAKEUPFORTHESIGNALINTHEPROCESSOFWIRELESSTRANSMISSIONATTENUATIONREQUIREMENTSTRANSMITTERHASGREATPOWEROUTPUT,COMMUNICATIONDISTANCEISFAR,THEGREATERTHEPOWEROUTPUTREQUIREMENTSINTHEHIGHFREQUENCYRANGE,INORDERTOOBTAINENOUGHHIGHFREQUENCYOUTPUTPOWER,BEABOUTTOUSEHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERDUETOTHEHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERWORKFREQUENCYISHIGH,THERELATIVEBANDNARROW,SOTHEGENERALUSEOFTHEFREQUENCYSELECTIVENETWORKASTHELOADCIRCUITHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERCIRCUITBYTHEPOLESOFPOWERAMPLIFIER,THEFIRSTLEVELFORCLASSAPOWERAMPLIFIER,THESECONDCLASSCRESONANCEPOWERAMPLIFIERTHISCLASSAREPORTFIRSTTOHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERRELEVANTTHEORETICALKNOWLEDGEASANINTRODUCTION,INPERFORMANCEINDEXBASEDONTHEANALYSISOFTHEUNITCIRCUITDESIGNFINALLYTODESIGNTHEWHOLECIRCUITDIAGRAM,THESOFTWARESIMULATIONVERIFYWHETHERTHETECHNICALREQUIREMENTS,THESIMULATIONRESULTSWEREANALYZED,ANDFINALLYSUMMARIZESACLASSEXPERIENCEKEYWORDSHIGHFREQUENCYAMPLIFICATIONSIMULATIONCLASSAPOWERAMPLIFIERCLASSCPOWERAMPLIFIER目錄1設(shè)計(jì)要求111主要技術(shù)參數(shù)112具體要求12方案論證23原理分析34電路設(shè)計(jì)541參數(shù)選取5411甲類諧振放大器參數(shù)計(jì)算5412丙類諧振功率放大器電路742仿真與調(diào)試12421電路仿真及結(jié)果12422電路仿真調(diào)試14結(jié)束語(yǔ)15致謝16參考文獻(xiàn)17附錄A18附錄B19附錄C201設(shè)計(jì)要求11主要技術(shù)參數(shù)輸出功率，中心頻率，效率，負(fù)載電阻MWPO50MHZF1075。電源電壓。50LRVC1212具體要求分析高頻功率放大器原理，通過(guò)給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)和計(jì)算出電路中各器件參數(shù)，比較甲類功率放大器與丙類功率放大器的特點(diǎn)、功率、效率。利用電子設(shè)計(jì)工具軟件MULTISIM對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，分析電路的特性。并寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，作出實(shí)際電路。2方案論證在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360度，適用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180度；丙類放大器電流的流通角則小于180度。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。可是若僅僅是用一個(gè)功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無(wú)法做到如此大的功率放大。綜上，確定電路設(shè)計(jì)由兩個(gè)模塊組成，第一模塊是兩級(jí)甲類放大器，第二模塊是一工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級(jí)最好能工作在臨界狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)輸出交流功率最大，效率也較高，一般認(rèn)為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。因此，接下來(lái)只需要進(jìn)行甲類跟丙類放大電路的設(shè)計(jì)，再將其級(jí)聯(lián)，就能得到此次課程設(shè)計(jì)所需要的電路。3原理分析丙類功率放大器通常作為發(fā)射機(jī)末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本實(shí)驗(yàn)單元模塊電路如圖21所示。該實(shí)驗(yàn)電路由兩級(jí)功率放大器組成。其中VT1（3DG12）、XQ1與C15組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)，其中R2、R12、R13、VR4組成靜態(tài)偏置電阻，調(diào)節(jié)VR4可改變放大器的增益。XQ2與CT2、C6組成的負(fù)載回路與VT3（3DG12）組成丙類功率放大器。甲類功放的輸出信號(hào)作為丙放的輸入信號(hào)（由短路塊J5連通）。VR6為射極反饋電阻，調(diào)節(jié)VR6可改變丙放增益。與撥碼開(kāi)關(guān)相連的電阻為負(fù)載回路外接電阻，改變S5撥碼開(kāi)關(guān)的位置可改變并聯(lián)電阻值，即改變回路Q值。當(dāng)短路塊J5置于開(kāi)路位置時(shí)則丙放無(wú)輸入信號(hào)，此時(shí)丙放功率管VT3截止，只有當(dāng)甲放輸出信號(hào)大于丙放管VT3BE間的負(fù)偏壓值時(shí)，VT3才導(dǎo)通工作。圖31高頻功率放大電路（參考電路）丙類功率放大器工作原理丙類功率放大器工作原理電路如圖33所示，VBB使放大器工作于丙類。LC回路調(diào)諧于輸入信號(hào)的中心頻率，構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。圖33丙類諧振功率放大原理電路丙類放大功率放大器是特性分析即存在欠壓，臨界和過(guò)壓三種工作狀態(tài)。在本次設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)諧振功率放大器負(fù)載特性工作電路圖如34所示欠壓狀態(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(guò)壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過(guò)壓時(shí)，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(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。圖34丙類諧振功率放大負(fù)載特性甲類功率放大器工作原理本次采用共射極三極管電路，具有輸出電阻小帶負(fù)載能力強(qiáng)，常作為集成放大器的輸出級(jí)。甲類放大的典型工作狀態(tài)如圖32所示，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號(hào)愈大輸送功率愈多。圖32甲類放大工作波形4電路設(shè)計(jì)41參數(shù)選取411甲類諧振放大器參數(shù)計(jì)算1依設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器，設(shè)計(jì)參考電路見(jiàn)圖411所示。圖411甲類諧振功率放大器2設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn),由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在082MA之間選取為宜。設(shè)計(jì)電路中取,設(shè)。ICQMAIC51KRE1了增強(qiáng)所示電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q的效果，同時(shí)兼顧其他指標(biāo)，工程上一般取,這就要求偏置電阻應(yīng)滿足，IVBBQ105,3BE0式中。RBB213Q點(diǎn)的估算由圖412所示直流通路球Q點(diǎn)的值。在的條件下有IBQ141VRICBBB22集電極電流（42）EBQEEQBEQC由此式可見(jiàn)，該電路集電極靜態(tài)電流只與直流電壓及電阻有關(guān)。ICRE基極電流43ICQB集電極射極電壓（44）RIVECCQEQ因此在本電路中取,。,KB10B20VBQ8。此處為最大值。的值可由三極管固定值算出。MAIEQC146IEQ圖412基極分壓式射極偏置電路（A）原理電路（B）直流通路動(dòng)態(tài)增益極即小信號(hào)模型如圖413所示（45）RRVAEBERLIO1由式可知電壓增益與射極電阻成反比關(guān)系，即射極電阻（靜態(tài)偏置電阻）越高，增益越低，因此在本次設(shè)計(jì)中我們采用的是電位器來(lái)控制電壓增益，使電壓增益在一個(gè)可調(diào)范圍之內(nèi)，提高了甲類功放的性能。圖413小信號(hào)等效電路由圖411分析得采用的是射極偏置電路，利用電阻RE對(duì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作ICQ用來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q的。采用阻容耦合方式，由于的隔值通交BE21,和作用，此處50PF，射極電阻RE上的交流電被CE旁路，使電壓增益不至CB1于下降很多。此處為CE1UF。2甲類放大的選頻電路本次設(shè)計(jì)的甲類放大采用的是并聯(lián)LC諧振回路。4621LCF在實(shí)際電路中選取。在理論計(jì)算中當(dāng)選取時(shí)，PFUHL0,UHL1當(dāng)時(shí)輸入頻率為10MHZ時(shí)電容C的計(jì)算值要比實(shí)際值大。約為400PF。通過(guò)LC諧振回路可以將所需頻率選出來(lái)使之順利輸入下一極電路。3甲類功放輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)C4的作用再一次濾除直流信號(hào)，大小可選為1UF。412丙類諧振功率放大器電路1自給偏置電路中，未加輸入信號(hào)時(shí)，0，因此偏置電壓也為零。當(dāng)輸LB入信號(hào)幅度由小加大時(shí)，增大，其直流分量IB0也增大，反向偏壓隨之增B大。這種偏置電壓隨輸入信號(hào)幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng),如圖412所示。2自給偏置電路說(shuō)明如圖414所示是利用基極電流脈沖IB中的直流成分IBO流經(jīng)來(lái)產(chǎn)生偏置電壓，顯然根據(jù)的流向偏壓是反向的。由圖可RBIB0V見(jiàn)，偏置電壓容量要足夠大，以便有效地短路基波及各次VIB0CB諧波電流，使來(lái)上產(chǎn)生穩(wěn)定的直流壓降。改變的大小，可調(diào)節(jié)反向偏置RB電壓的大小。3在原理圖的繪制中產(chǎn)生壓降電阻值為51，的值取1UF，電感值取為B100UH,射極輸出電壓經(jīng)的壓降，取上的壓降作為功率管基極正向的偏置RBB偏置電壓，為了保證丙類工作，其值應(yīng)小于功率管的導(dǎo)通電壓。圖414基極自給偏壓4對(duì)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的要求在丙類諧振功放中，把RL變換為REPT，以獲得最大輸出功率的作用，稱為阻抗匹配。而線性電路中的阻抗匹配，指負(fù)載阻抗與信號(hào)源的輸出阻抗相等時(shí)，負(fù)載可從信號(hào)源取得最大功率在所需頻帶內(nèi)進(jìn)行有效的阻抗變換，給放大器提供REPT有效濾除不需要的諧波成分將有用功率有效地傳送給負(fù)載，因此其固有損耗要小。在本次設(shè)計(jì)中L形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖415所示圖415形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算公式如下11222QRLPLL（47）5丙類功放的參數(shù)計(jì)算確定功放的工作狀態(tài)丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過(guò)壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過(guò)壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)，其電流流通角在范C906圍?，F(xiàn)設(shè)70在晶體管功率放大器中，可以通過(guò)改變激勵(lì)電壓、基極偏壓、C集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來(lái)改變放大器的工作狀態(tài)。集電極電流余弦脈沖直流ICO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈25070沖基波ICM1分解系數(shù)，。設(shè)功放的輸出功率為05W。4701功率放大器集電極的等效電阻為105022WCESPVROP（48）集電極基波電流振幅為（49）MARPIECM95201集電極電流脈沖的最大振幅為MAAXCCCI21611（410）集電極電流脈沖的直流分量為（411）MACCI5420160MAX0電源提供的直流功率為（412）WMAVIPCOD650412集電極的耗散功率為（413）ODC1506集電極的效率為7PDO（414）因?yàn)椋源藚?shù)滿足設(shè)計(jì)要求。756直流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(yàn)取50500H，并聯(lián)濾波電容一般取1F。電路中取為1UF。C95,7計(jì)算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)輸出采用型匹配網(wǎng)路,原理圖如413所示，仿真電路如416所示圖41610MHZ諧振功率放大器電路由濾波匹配網(wǎng)有以下公式（415）匹配網(wǎng)路的電感為1595UH，電容參考值為629PF。此處說(shuō)明接入的是兩個(gè)電容并聯(lián)，其中接入可調(diào)電容，可擴(kuò)大選頻范圍，提高振蕩精度。此處做出說(shuō)明，實(shí)際仿真的主要目的是為了更好更接近設(shè)計(jì)要求，因此在實(shí)際電路中存在與計(jì)算參數(shù)中必然存在誤差，如在丙類諧振選頻網(wǎng)絡(luò)中要求選頻為10MHZ，在理論計(jì)算中將C定于120PF時(shí)電感的可由公式得L22UH，這與在21LCF實(shí)際電路中的元器件參數(shù)選取存在差別。通過(guò)各級(jí)電路的參數(shù)計(jì)算，最后得出總電路圖如下圖417高頻功率放大器總電路圖42仿真與調(diào)試421電路仿真及結(jié)果將原理圖通過(guò)MULTISIM軟件進(jìn)行仿真，仿真圖如下圖421仿真總電路1本次設(shè)計(jì)中輸入信號(hào)為,電壓值波形，輸入波形如下MHZF10VI80圖422輸入波形2輸入波形經(jīng)過(guò)甲類放大之后得到的波形圖，即甲類輸出、丙類輸入波形如下圖423甲類功放輸出波形3再經(jīng)過(guò)丙類放大之后，得到的波形如下圖424丙類功放輸出波形422電路仿真調(diào)試1調(diào)試甲類放大電路，我們對(duì)射極1K電位器進(jìn)行調(diào)節(jié),在調(diào)節(jié)過(guò)程中將電位器的阻值由小到大進(jìn)行調(diào)節(jié)，可發(fā)現(xiàn)波形圖由失真變?yōu)榭烧{(diào)，因此在仿真過(guò)程中盡量將電位器調(diào)節(jié)到最佳阻值，以達(dá)到最好輸出波形。2調(diào)試丙類放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)與甲類一致，主要在濾波匹配環(huán)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)，因試驗(yàn)電路圖與仿真存在一定差別，因此在進(jìn)行最佳匹配中在選取好各元器件參數(shù)的同時(shí)，調(diào)節(jié)可調(diào)電容，使丙類輸出最大不失真波形。3最后將甲類、丙類連接起來(lái)進(jìn)行級(jí)調(diào)。將上述單元電路按圖所示電路進(jìn)行組裝，先將甲、丙類功率放大電路與濾波網(wǎng)絡(luò)相接，再將甲、丙類功率放大電路連接起來(lái)，然后再進(jìn)行逐級(jí)調(diào)整并級(jí)聯(lián)。仿真調(diào)試觀察波形時(shí)，用一示波器各探頭逐一接一、二、級(jí)輸出，逐級(jí)調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號(hào)參數(shù)就會(huì)影響輸出波形質(zhì)量，因此再調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)當(dāng)動(dòng)作細(xì)微，以調(diào)出最佳波形。最后由仿真結(jié)果及觀察波形可知，所設(shè)計(jì)的高頻功率放大器基本滿足了設(shè)計(jì)任務(wù)要求。結(jié)束語(yǔ)高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件,經(jīng)過(guò)幾天對(duì)高頻功率放大器電路的設(shè)計(jì)使我對(duì)高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。此次的高頻課設(shè)，不僅讓我加深了對(duì)電子電路理論知識(shí)的理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計(jì)電路時(shí)和同組成員共同討論解決問(wèn)題，同時(shí)設(shè)計(jì)出的電路經(jīng)過(guò)MULTISIM軟件仿真達(dá)到預(yù)期的放大效果，不僅讓小組所有成員