高頻功率放大器課程設(shè)計(jì)-whut電信

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 李小丹 專業(yè)班級(jí)：電信1205班 指導(dǎo)教師： 王緒國 工作單位：信息工程學(xué)院 題 目 五：高頻諧振功率放大器設(shè)計(jì)初始條件：具較扎實(shí)的電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對(duì)電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測(cè)。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用晶體管完成一個(gè)高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)。2、電源電壓Vcc 12V，采用NXO100環(huán)形鐵氧體磁芯。3、工作頻率f06MHz。4、負(fù)載電阻RL 75時(shí)，

2、 輸出功率P0100Mw， 效率>605、完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排： 二十周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，4天軟、硬件調(diào)試及答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號(hào)，并且以高效輸出為目的，它主要應(yīng)用與各種無線發(fā)射機(jī)中。高頻諧振功率放大器由作為中間級(jí)提供較大激勵(lì)功率的甲類諧振功放與為獲得較大輸出功率的丙類諧振功放兩級(jí)功率放大器組成。關(guān)鍵詞：諧振，放大，功率，選頻網(wǎng)絡(luò)AbstractThe main function of the high frequency power am

3、plifier is to amplify high frequency signal, and the output is high, it is mainly used with various wirelesstransmitter. The high frequency resonance power amplifier is provided by theintermediate resonant amplifier as a

4、 large excitation power and C resonancepower amplifier obtain larger output power of two stage power amplifier.Keywords: resonant, amplifier, power, frequency selection network目錄一 概述1二 高頻功率放大器設(shè)計(jì)22.1 甲類功率放大器22.1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)22.1.2 負(fù)載特性2

5、2.1.3 功率增益42.2 丙類功率放大器42.2.1 基本關(guān)系式42.2.2 負(fù)載特性52.3 耦合線圈的繞制62.4 參數(shù)的計(jì)算和選擇72.4.1丙類功率放大器的設(shè)計(jì)72.4.2甲類功率放大器的設(shè)計(jì)8三 電路仿真11四 實(shí)際電路連接13五 總結(jié)16六 參考文獻(xiàn)17七 附錄18一 概述高頻諧振功率放大器，是無線電發(fā)射機(jī)的重要組成部分,它的主要功用是實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻已調(diào)波信號(hào)的功率放大, 然后經(jīng)天線將其轉(zhuǎn)化為電磁波輻射到空間,以實(shí)現(xiàn)用無線信道的方式完成信息的遠(yuǎn)距離傳送。功率放大器是依靠激勵(lì)信號(hào)對(duì)放大管電流的控制，起到把集電極電源的直流功率轉(zhuǎn)換成負(fù)載回路的交流功率的放大器。甲類功率放大器效率較低，一

6、般只有20%左右。它通常作為發(fā)射機(jī)的中間級(jí)，以提供較大的激勵(lì)功率。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載的功率放大器成為諧振功率放大器，一般工作在丙類。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展高頻放大應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。在某些場(chǎng)合高頻放大技術(shù)的高低成為制約本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。比如射頻手機(jī)和高頻信號(hào)收發(fā)機(jī)等，都需要用到高頻功率放大器，并且作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。特別是移動(dòng)電話機(jī)中高頻功率放大器品質(zhì)的高低直接影響其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。圖1 高頻功放原理圖二 高頻功率放大器設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：1、電源電壓Vcc 12V；2、采用NXO100環(huán)形鐵氧體磁芯；3、工作頻率f06MHz ；4、負(fù)載電阻RL

7、 75時(shí)， 輸出功率P0100Mw， 效率>60；設(shè)計(jì)要求輸入6.0MHz信號(hào)經(jīng)功率放大器放大輸出一個(gè)信號(hào), 再經(jīng)過阻抗變換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高頻輸出交流電壓。綜上考慮本設(shè)計(jì)采用甲類功率放大器作為激勵(lì)級(jí)，丙類功率放大器作為末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。如圖所示為由兩級(jí)功放組成的高頻功放電路。其中晶體管Q1與選頻回路組成甲類功放，晶體管Q2與選頻網(wǎng)絡(luò)組成丙類諧振功放。2.1 甲類功率放大器2.1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管 VT1 組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。設(shè)RB1、RB2 為基極偏置電阻；RE1 為直流負(fù)反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。RF1為交流負(fù)反饋電阻，可以提高放大器的

8、輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由下列關(guān)系式確定： 式中，RF1一般為幾歐至幾十歐。 2.1.2 負(fù)載特性甲類功率放大器的輸出負(fù)載由丙類功放的輸入阻抗決定,兩級(jí)間通過變壓器進(jìn)行耦合，因此甲類功放的交流輸出功率 P0可表示為： 式中，PH為輸出負(fù)載上的實(shí)際功率，B為變壓器的傳輸效率，一般為 。 圖2 甲類功放的負(fù)載特性特性 圖2為甲類功放的負(fù)載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點(diǎn) Q 應(yīng)選交流負(fù)載線 AB的中點(diǎn)，此時(shí)集電極的負(fù)載電阻 RH稱為最佳負(fù)載電阻。集電極的輸出功率 PC的表達(dá)式為： 式中，為集電極輸出的交流電壓振幅，為交流電流的振幅，它們的表達(dá)式別為式中， 稱為飽和壓降，約1V

9、。如果變壓器的初級(jí)線圈匝數(shù)為 N1，次級(jí)線圈匝數(shù)為N2，則 式中，為變壓器次級(jí)接入的負(fù)載電阻，即下級(jí)丙類功放的輸入阻抗。2.1.3 功率增益與電壓放大器不同的是功率放大器應(yīng)有一定的功率增益，甲類功率放大器不僅要為下一級(jí)功放提供一定的激勵(lì)功率，而且還要將前級(jí)輸入的信號(hào)，進(jìn)行功率放大，功率增益 Ap的表達(dá)式為 其中，為放大器的輸入功率，它與放大器的輸入電壓及輸入電阻的關(guān)系為式中，又可以表示為 式中，為共發(fā)射級(jí)接發(fā)晶體的輸入阻抗，高頻工作時(shí)，可認(rèn)為它近似等于晶體管基極體電阻；為晶體管共發(fā)射電流放大系數(shù)，即。2.2 丙類功率放大器2.2.1 基本關(guān)系式丙類功率放大器的基極偏置電壓是利用發(fā)射極電流的直流

10、分量在射極電阻上產(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(hào)為正弦波時(shí)，則集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路的選頻作用可輸出基波諧振電壓,電流。根據(jù)丙類功率放大器的基極與集電極間的電流、電壓波形關(guān)系。分析可得下列基本關(guān)系式： 式中,為集電極輸出的諧振電壓即基波電壓的振幅；為集電極基波電流振幅；為集電極回路的諧振阻抗。集電極諧振回路為部分接入，諧振頻率為諧振阻抗與變壓器線圈匝數(shù)比為式中，為集電極接入初級(jí)匝數(shù)。為初級(jí)線圈總匝數(shù)。 為次級(jí)線圈總匝數(shù)。為初級(jí)回路有載品質(zhì)因數(shù)，一般取。兩類功率放大器的輸入回路亦采用變壓器耦合方式，以使輸入阻抗與前級(jí)輸出阻抗匹配。分析表明，這種耦合方

11、式的輸入阻抗為式中，為晶體管基極體電阻，2.2.2 負(fù)載特性當(dāng)功率放大器的電源電壓，基極偏壓，輸入電壓或稱激勵(lì)電壓確定后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻。根據(jù)諧振功率放大器的交流負(fù)載特性，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(shí)，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降，集電極電流脈沖接近最大值。 此時(shí)，集電極輸出的功率和效率都較高，此時(shí)放大器處于臨界工作狀態(tài)。所對(duì)應(yīng)的值稱為最佳負(fù)載電阻值，用表示，即 當(dāng)放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如C點(diǎn)所示，集電極輸出電流雖然較大，但集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。當(dāng)時(shí)，放大器處于過壓狀態(tài)，如B點(diǎn)所示，集電極電

12、壓雖然較大，但集電極電流波形有凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界狀態(tài)。判斷放大器是否為臨界工作狀態(tài)的條件是:式中，集電極輸出電壓幅度。晶體管飽和壓降。圖3 諧振功放的負(fù)載特性2.3 耦合線圈的繞制本次課程設(shè)計(jì)中，高頻變壓器的磁芯采用鎳鋅(NXO)鐵氧體。NXO-100環(huán)形鐵氧體作高頻變壓器磁芯時(shí)，工作頻率可達(dá)十幾兆赫茲。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，尺寸為外徑×內(nèi)徑×高，使用漆包線繞制，電感量L由下式計(jì)算：式中，為磁導(dǎo)率，單位；N為線圈匝數(shù)；A為磁芯截面積(單位);為平均磁路長(zhǎng)度(單位)。圖4 環(huán)形鐵氧體高頻變壓器磁芯若選尺寸

13、為的鐵氧磁芯,可求出，則電感量L、線圈匝數(shù)N的值可用上述公式確定。繞制高頻變壓器的漆包線一般選用線徑為的漆包線。為減小線圈漏感與分布電容的影響，匝數(shù)應(yīng)盡可能的少，匝間距離應(yīng)盡可能大。2.4 參數(shù)的計(jì)算和選擇已知條件：，晶體管3DG12C。性能指標(biāo)：輸出功率，工作中心頻率，效率，負(fù)載。從輸出功率P0100mW來看，末級(jí)功放可以采用甲類或乙類或丙類功率放大器，但要求總效率60%，顯然不能只用一級(jí)甲類功放，但可以只用一級(jí)丙類功放。因此采用了甲類結(jié)合丙類的電路，其中晶體管選用了3DG12C。首先設(shè)計(jì)丙類功率放大器，再設(shè)計(jì)甲類功率放大器。2.4.1丙類功率放大器的設(shè)計(jì)(1) 確定放大器工作狀態(tài)：因?yàn)橐?/p>

14、獲得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為: Re=（Ec-Uces）22Po=（12-1.5）22×0.5=110.25 ，集電極基波電流振幅: Po=12Ic1m 2Rc ，Ic1m=2PoRc=88mA ，集電極電流最大值為： Icm=Ic1ma170°=205mA ，其直流分量為： Ico=a0Icm=51mA ，電源供給的直流功率： PS=EcIco=612mA ，集電極損耗功率： Pc=Ps-Po=164mA ，轉(zhuǎn)換效率： c=448612=73.2% ,當(dāng)本級(jí)增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直

15、流=10時(shí)，有：輸入功率為：P1=P0/AP=25mW 基極余弦電流最大值為：IBM =ICM /20.5mA 基極基波電流振幅：=9.5mA 輸出電壓的振幅為UBM=2P1/ IB1M5.3V(2)計(jì)算諧振回路和耦合回路參數(shù)丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式。則輸入阻抗86則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：0.67則這里，我們假設(shè)取N3=2和N1=3若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則10H用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，有其中=100H/m , A=, =25mm, L =10H 8(3)基極偏置電路參數(shù)計(jì)算基極直流偏置電壓(其中U10.6

16、V ) UB=U1-UbMCOS -1.1V 則射極電阻RE2=/20 取高頻旁路電容CE2=0.01f2.4.2甲類功率放大器的設(shè)計(jì)(1)計(jì)算電路性能參數(shù)綜上所述，知甲類功率放大器輸出功率等與丙類功放的輸入功率，即：PH=P1=25mW 輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即RH=86設(shè)變壓器效率T取0.8則集電極輸出功率Po=Po/t31mW ；若取放大器的靜態(tài)電流ICC=ICM=5mA則集電極電壓振幅UCM=2Po/ ICM=8.9V 最佳負(fù)載電阻為Re=UCM22Po=1.3k則射極直流負(fù)反饋電阻357 (ICM) 則輸出變壓器線圈匝數(shù)比：3本級(jí)功放采用3DG12C晶體管，取=30 =13d

17、B即20倍放大倍數(shù)則輸入功率Pi=P0/AP=1.55mW，放大器輸入阻抗Ri=Rbb+*R3=25+30R3若取交流負(fù)反饋電阻R3=10，則Ri=335，本級(jí)輸入電壓1.02V(2)計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)綜上可知Ui=0時(shí)，晶體管射極電位Ueq= Icq* RE1 = 2.5V ,Ubo=3.2VIbo=Ico/=0.23mA若基極偏置電流I1=5IBQ ，則R2= UBQ/5IBQ2.8k有8.25k 本次課程設(shè)計(jì)電路圖如下所示： 圖5 甲類功率放大器設(shè)計(jì) 圖6 丙類功率放大器設(shè)計(jì)三 電路仿真本次仿真的輸入信號(hào)為F=6MHz，峰峰值為200mV的正弦波。圖7 總原理圖圖8 輸入信號(hào)波形圖圖9 輸入

18、輸出信號(hào)波形對(duì)比圖圖10 輸出電壓截圖圖11 輸出功率截圖由multisim仿真可知，本高頻功率放大器的輸出功率為170mW，效率為=170mW251mW=0.681=68.1%，符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。四 實(shí)際電路連接根據(jù)仿真電路，連接成實(shí)際電路板如下圖所示： 圖12 正面元器件排布圖圖13 反面布線圖圖14 實(shí)驗(yàn)室輸入信號(hào)波形圖圖15 甲類放大輸出波形圖圖16 丙類放大輸出波形圖圖17 丙類輸出信號(hào)波形及Vpp測(cè)量實(shí)際結(jié)果分析：輸出電壓：U=5.8V輸出功率：P=(U2)2R=0.112W效率：=PoPo+Pc=0.1120.112+0.058=0.658=65.8%輸入頻率F=6MHz，輸出功

19、率Po=112mW，放大器工作效率=65.8%，符合設(shè)計(jì)要求。五 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)所做的高頻諧振功率放大器，以6MHz為諧振頻率，75歐為負(fù)載電阻，仿真效果良好，輸出功率為170mW，大于要求的100mW，效率大于60%，即每項(xiàng)指標(biāo)都符合要求。高頻諧振功率放大器電路簡(jiǎn)單，因此理論設(shè)計(jì)很快就完成了。但是，在實(shí)際的電路連接上卻出現(xiàn)了很大的問題。其中最主要的就是耦合線圈的選擇，它在整個(gè)放大器中起著不可或缺的作用，因此本課題的難點(diǎn)也在于此。首先就是耦合線圈的選型問題，然后是匝數(shù)問題，漏感等，我們就此請(qǐng)教了高頻實(shí)驗(yàn)老師，老師給出了具體的計(jì)算方法和測(cè)試方法，我們的設(shè)計(jì)又可以順利進(jìn)行下去了在繞制線圈的時(shí)候，每繞過一定的長(zhǎng)度，就迫不及待的去測(cè)試一下電感量，直到電感量大概達(dá)到6.4uH。布線和測(cè)試上由于之前有過軟件仿真，因此在布線的時(shí)候也不會(huì)有太大的困難。最終，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試也順利完成了。此次高頻課設(shè)強(qiáng)化了自己將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的能力。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。六 參考文獻(xiàn)1 高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出