通信電子線路課程設(shè)計(jì)功率放大器

1、高頻電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 高頻功率放大器 院、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 湯生平 指導(dǎo)教師： 張松華 職稱 副教授 專 業(yè)： 通信工程 班 級(jí)： 通信1103班 完成時(shí)間： 2013年12月15日 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。 本課程設(shè)計(jì)的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

2、級(jí)為丙類諧振功率放大器。分別對(duì)甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計(jì)，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)，從而設(shè)計(jì)出完整高頻功率放大器電路，再利用電子設(shè)計(jì)軟件multisim對(duì)電路仿真。通過(guò)仿真結(jié)果分析電路特性 ,使電路得到進(jìn)一步完善。報(bào)告中首先給出設(shè)計(jì)目標(biāo)和電路功能分析，然后討論各級(jí)電路具體設(shè)計(jì)和原理圖，后給出了實(shí)際搭建電路測(cè)試的數(shù)據(jù)及分析，最后總結(jié)實(shí)驗(yàn)并給出了PCB 繪圖。關(guān)鍵詞：高頻功率放大器；甲類功放；丙類功放；選頻回路ABSTRACT High frequency power amplifier is one of th

3、e important components of transmission equipment, communications circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output, communication distance, the greater the required output power. In the high-frequency range,

4、 in order to obtain a large enough frequency output power, we must use high-frequency power amplifier. Due to the high frequency power amplifier high frequency, relatively narrow band, so commonly used frequency-selective network as a load circuit. The curriculum design of high frequency power ampli

5、fier circuit by bipolar power amplifier, the first class is class a power amplifier, second class C class tuned power amplifier. On class a power amplifier and C class tuned power amplifier design, through the given technical requirements to determine the class a power amplifier and a C class tuned

6、power amplifier design working state and calculate circuit in the device parameters, and design integrity of high frequency power amplifier circuit, and the use of Electronic Design Software Multisim for circuit simulation. Through the analysis of simulation results of circuit characteristics, so th

7、at the circuit has been further improved. The report first gives the design goal and function of circuit analysis, and then discuss the various circuit design and schematics, gives the actual circuit structures test data and analysis, finally summarizes experimental and gives the PCB drawing.Key wor

8、ds: high frequency power amplifier; class a power amplifier;class c power amplifier;frequency selective network; 目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求和工作原理說(shuō)明41.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求41.2 設(shè)計(jì)課題總體方案思路介紹及工作原理說(shuō)明42 電路各模塊功能介紹及參數(shù)的確定72.1設(shè)計(jì)課題的參數(shù)選擇72.2設(shè)計(jì)課題的硬件系統(tǒng)各模塊功能簡(jiǎn)要介紹102.3設(shè)計(jì)課題的仿真圖、PCB圖123 電路的仿真與實(shí)物調(diào)試133.1 電路的仿真133.2實(shí)物電路調(diào)試結(jié)果143.3電路的仿真分析153.4實(shí)物電路調(diào)試

9、分析153.5誤差分析164 結(jié)束語(yǔ)17致 謝18參考文獻(xiàn)19附錄A 實(shí)物圖20附錄B 元器件清單211 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求和工作原理說(shuō)明1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1)輸出功率 2)工作中心頻率 3) 4)負(fù)載電阻 5)晶體管用3DG130,其主要參數(shù)： ,1.2 設(shè)計(jì)課題總體方案思路介紹及工作原理說(shuō)明1.2.1 設(shè)計(jì)課題總體方案思路介紹 功率放大器是通過(guò)將直流輸入功率轉(zhuǎn)換化為交流功率輸出,以提高發(fā)射信號(hào)能量 ,便于接收機(jī)接收的電路 ,因而要求輸出功率大 ,效率高 ,同時(shí) ,輸出中的諧波分量應(yīng)該盡量小 ,以免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。根據(jù)電流導(dǎo)通角的不同 ,功率放大器分為甲類、 乙類、 丙類等 ,電路由饋

10、電電路、 輸入匹配、 輸出匹配及級(jí)間耦合 4部分組成。其中，回路的濾波作用，就是把我們所需要的放大后的基波信號(hào)選出來(lái)，把不需要的諧波抑制掉。我們知道，工作于乙類或丙類的放大器，其Ic為一脈沖，其中除含直流分量、基波分量外，還有諧波分量。如果負(fù)載是個(gè)電阻，它決不能把其中的基波分量選出來(lái)。但在LC的并聯(lián)諧振回路中，由于線圈的電阻很小，可以認(rèn)為對(duì)直流是短路的。對(duì)基波來(lái)說(shuō)，當(dāng)諧振時(shí)，回路的等效阻抗是一個(gè)數(shù)值較大的純電阻。對(duì)于n次諧波，回路嚴(yán)重失諧，故回路對(duì)n次諧波呈現(xiàn)的阻抗與基波相比可以忽略不計(jì)。既然輸入信號(hào)是正弦電壓，故通過(guò)LC回路的電流必然也是正弦電流。由此得出結(jié)論：由于并聯(lián)LC回路的諧振特性起著

11、濾波作用，盡管板流是脈沖形式的，但回路電流和回路兩端的電壓仍然是正弦形式的。 高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類，通過(guò)諧振回路的選頻功能，可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分，選出基波分量從而基本消除了非線性失真。1.2.2 功率放大器的工作原理說(shuō)明高頻功率放大器是對(duì)載波信號(hào)或高頻信號(hào)進(jìn)行功

12、率放大的電路。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。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)。如圖1.2所示為高頻功放基本原理圖，圖中，高頻扼流圈提供直流通路，C1為隔直流電容，諧振回路分別為輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。其中天線等效阻抗，作為輸出負(fù)載。與非諧振功放比較，它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別。圖1.2.1 高頻功放基本原理圖1.2.3 Protel工作原理圖圖1.2.

13、2 高頻功率放大器Protel圖 NPN型高壓晶體管 2N5551作為放大管 ,三極管Q1、 電感 L1、 電容 C3組成甲類功率放大器 ,工作在線性放大狀態(tài)。三極管 Q3和由電感 L3、 電容 C11、 C9構(gòu)成的負(fù)載回路組成丙類功率放大器。R1、 R2、 R3、 R4組成第 1級(jí)靜態(tài)偏置電阻 ,調(diào)節(jié)R2、 R3可改變放大器的增益。L1、 C3組成一級(jí)調(diào)諧回路 ,L2、 R5、 C2組成的部分在丙類功率放大器基極處產(chǎn)生負(fù)偏壓饋電 , R7為射級(jí)反饋電阻 ,調(diào)整 R7可改變丙類功率放大器的增益。C9、 C11、 L3組成末級(jí)調(diào)諧回路 , C9用來(lái)微調(diào)諧振頻率以獲得最佳工作狀態(tài)。C8、 C7和

14、L4組成濾波回路 ,起到改善波形的作用。集電極可選擇連接不同的負(fù)載。當(dāng)基極輸入的正弦信號(hào)頻率取值在 L1、 C3諧振頻率附近時(shí) ,集電極輸出正弦信號(hào)電壓增益最大。C1為射級(jí)旁路電容 ,有效地控制了可能由于射級(jí)電阻R3、 R4過(guò)大而引起電壓增益下降的問(wèn)題。當(dāng)甲類功率放大器輸出信號(hào)大于丙類功率放大器三極管 Q2的be間負(fù)偏壓時(shí) , Q3才導(dǎo)通工作。 當(dāng)L3、 C11處諧振頻率與從甲類功率放大器集電極獲得的放大輸出正弦信號(hào)的頻率一致時(shí) ,丙類功率放大器工作于諧振狀態(tài) ,集電極將獲得最大的電壓增益 ,達(dá)到功率放大的目的C1、 C5為隔直電容 ,其作用是傳送交流 ,隔離直流。在高頻電路中隔直電容取值一般

15、較 小 ,這里取 C4=10nF, C5=10nF。2 電路各模塊功能介紹及參數(shù)的確定2.1設(shè)計(jì)課題的參數(shù)選擇2.1.1 看Protel原理圖分析參數(shù)的確定圖2.1.1 高頻功率放大器1.靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置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 ICQ一般在0.82mA 之間選取為宜。設(shè)計(jì)電路中取: 任取合適的的值。因?yàn)椋?(2.1) (2.2) (2.3) (2.4) 而 (2.5)因?yàn)?R1=(VCC-VBQ)R2/VBQ (2.6)2.丙類功放的參數(shù)計(jì)算 （1）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

16、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 60 90 范圍?，F(xiàn)設(shè)。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、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 分解系數(shù) ，集電極電流余弦脈沖基波 Ic1m分解系數(shù),。設(shè)功放的輸出功率為 0.5W。功率放大器集電極的等效電阻為： RP=(VCC-VBQ)/2P0=110 (2.7) 集電極基波電流振幅為: （2.8）集電極電流脈沖的最大振幅為: （2.9）集電極電流脈沖的直流分量為: (2.10)電源提供的直流功率為: （2.11）集電極的耗散功率為： （2.12）集電極的效率為:

17、 （2.13） 又 （2.14）基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè) 2N5551 的 =10）: （2.15）基極基波電流的振幅為： （2.16）基極輸入的電壓振幅： （2.17）基極偏置電路計(jì)算： (2.18) （2.19） （2.20） （2）電源去耦濾波電路元件型LC低通濾波器。 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10nF。 電路中為10nF。（3）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2.1.1所示，仿真電路如2.1.2所示 圖2.1.2 10MHZ諧振功率放大器電路由濾波匹配網(wǎng)有以下公式：（2.21)

18、匹配網(wǎng)路的電感為15.95UH，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L=2.2uH，這與在實(shí)際電路中的元器件參數(shù)選取存在差別。2.2設(shè)計(jì)課題的硬件系統(tǒng)各模塊功能簡(jiǎn)要介紹2.2.1 甲類諧振放大器 根據(jù)設(shè)計(jì)要求與參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)的一級(jí)甲類諧振放大器如圖 3.2.1 所示。通過(guò)選定基極偏置電阻值等方面使晶體管 Q1 工作在甲類狀態(tài)，其中 L1、

19、C3構(gòu)成選頻回路，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)源與選頻網(wǎng)絡(luò)相同的頻率時(shí)，電壓增益可以達(dá)到最大。圖2.2.1 甲類功率放大器甲類功率放大器的靜態(tài)偏置由 R1、 R2、 R3和 R4組成。R1、 R2一般在同一數(shù)量級(jí) ,取 R1 = 10 k , R2最大值為 50 k ,通過(guò)調(diào)節(jié) R2改變?nèi)龢O管基極 Q點(diǎn)電壓 ,即改變放大器增益 , R2取值越大時(shí) Q點(diǎn)電壓越大。取 R4 = 51, R3最大值為 1 k ,通過(guò)調(diào)節(jié) R3 改變輸出信號(hào)增益 , R3不宜過(guò)大 ,否則會(huì)影響增益。此外 , C1為射極旁路電容 ,有效地控制了由于射極電阻 R3、 R4過(guò)大，而引起的電壓增益下降的問(wèn)題。在高頻電路中射極旁路電容取值

20、一般較小 ,這里取 C1 = 10nF。2.2.2丙類諧振放大器圖2.2.2 丙類功率放大器丙類功率放大器參數(shù)選取丙類功率放大器三極管Q3的be間負(fù)偏壓由 L2、R5、C2組成的電路產(chǎn)生 , L2起到傳送直流、隔離交流的作用 ,使得 R5兩端為直流電壓。取L2 = 100H ,R5 = 51, C2= 10 nF。Q3射極電阻由 R6、R7組成 ,取 R6 = 51 , R7 最大值為 ,通過(guò)調(diào)節(jié) R7改變丙類功率放大器增益 , R7取值不宜過(guò)大 ,否則會(huì)降低增益。L4、 C6、 C7組成濾波回路 ,減小集電極輸出信號(hào)的失真。C6、C7一般取等值,這里取C6=C7=10nF,L4 = 470H

21、。2.3設(shè)計(jì)課題的仿真圖、PCB圖2.3.1 高頻功率放大器仿真圖 圖2.3.1 高頻功率放大器仿真圖2.3.2 高頻功率放大器PCB圖 圖2.3.2 高頻功率放大器PCB3 電路的仿真與實(shí)物調(diào)試3.1 電路的仿真3.1.1仿真測(cè)試圖3.1.1 甲類功率放大器的調(diào)諧測(cè)試信道A是通過(guò)甲放的波形，信道B是輸入信號(hào)。頻率在輸入信號(hào)VP-P=2V,甲放輸出信號(hào)VP-P=12.4V,增益為圖3.1.2 丙類功率放大器工作狀態(tài)的測(cè)試其中信道A是通過(guò)丙放的波形，信道B甲放的波形。甲放輸出VP-P=12.4V,丙放輸出VP-P=23.6V,增益為3.2實(shí)物電路調(diào)試結(jié)果輸入波形VP-P=196mv，f=9.90

22、1MHz甲類功放輸出波形VP-P=2.00V,f=10.00MHz，電壓增益AV10倍丙類功放輸出波形VP-P=5.52V,f=9.43MHz，電壓增益AV 2.8倍3.3電路的仿真分析 a) 甲類功率放大器的調(diào)諧測(cè)試分析改變基極輸入正弦信號(hào)的頻率 ,當(dāng)取 =10MHZ(L1、 C3回路諧振頻率 )時(shí) ,集電極獲得最大的電壓增益 ,這時(shí)再改變靜態(tài)偏置電阻 R3、R4的大小可獲得更大的電壓增益。b) 丙類功率放大器工作狀態(tài)的測(cè)試分析調(diào)整丙類功率放大器電源電壓12V,不接負(fù)載電阻。將基極與甲類功率放大器斷開 ,從基極處輸入2V、10MHz的高頻信號(hào) ,用萬(wàn)用表測(cè)量三極管 Q3 be間的電壓 ,測(cè)得

23、該電壓為負(fù)偏壓 ,改變輸入電壓振幅 ,該偏壓隨之改變。此時(shí) ,接在集電極處的示波器上可看到放大輸出信號(hào) ,如圖3.1.2 所示。若使基極激勵(lì)信號(hào) ,。則測(cè)得負(fù)偏壓也為0,由此可看出丙類功率放大器工作狀態(tài)的特點(diǎn)。3.4實(shí)物電路調(diào)試分析 a)甲類功率放大器分析 對(duì)于實(shí)物中的電路，由于采用了基極分壓式射極偏置電路，能較好的穩(wěn)定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，甲類功率放大器的電壓增益比較好，可以放大10倍左右，產(chǎn)生的波形比較清晰，但是有些失真。甲類功率放大器特點(diǎn)是指當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，在整個(gè)信號(hào)周期中，晶體管都工作于它的放大區(qū)，電流的導(dǎo)通角為 ，適用于小信號(hào)低頻功率放大，且靜態(tài)工作點(diǎn)在負(fù)載線的中點(diǎn)。甲類功率放大器都

24、工作于晶體管的放大區(qū)，電流的導(dǎo)通角為，且負(fù)載為阻性，沒(méi)有選頻作用，所以不會(huì)出現(xiàn)凹坑。b)丙類功率放大器分析丙類功率放大器利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集電極電流脈沖變換為不失真的輸出余弦電壓。諧振回路還可以將含有電抗分量的外接負(fù)載轉(zhuǎn)換為諧振電阻，而且還能保持回路諧振時(shí)使等于放大管所需要的集電極負(fù)載值，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，在諧振功率放大器中，諧振回路起到了選頻和匹配的雙重作用。但丙放波形會(huì)出現(xiàn)凹坑。完全是由于集電極負(fù)載性質(zhì)造成的。在諧振功率放大器中，集電極負(fù)載是諧振回路，在理想狀況下，其上只能產(chǎn)生基波余弦電壓。3.5誤差分析 本設(shè)計(jì)中由于參數(shù)設(shè)計(jì)有不完美的地方，導(dǎo)致最終結(jié)果與理想情況有不小

25、的差距，我們應(yīng)當(dāng)通過(guò)不斷調(diào)式來(lái)減小誤差，在以后的設(shè)計(jì)中要認(rèn)真選好各元件的參數(shù)，爭(zhēng)取誤差達(dá)到最小。另外，在計(jì)算的時(shí)候很多數(shù)據(jù)都是取的近似值，這樣也對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了很大的影響。在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴(yán)重失真的脈沖序列波形或周期性的開關(guān)波形。為實(shí)現(xiàn)不失真放大，必須限定輸入信號(hào)為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號(hào)）或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號(hào)。在這種信號(hào)作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級(jí)數(shù)將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)取出基本波分量，濾除其它無(wú)用分量，就

26、能在負(fù)載上獲得不失真的輸出信號(hào)。同理，在功率管輸入端，基極電流也是失真脈沖序列，通過(guò)輸入匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，加到功率管輸入端的為不失真的信號(hào)電壓。因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用，即將輸出負(fù)載（往往是非電阻性負(fù)載）變換為功率管所需的最佳負(fù)載。所以濾波匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇至關(guān)重要，這次實(shí)驗(yàn)的失誤與我們選的電容與電感參數(shù)不恰當(dāng)有很大的關(guān)系吧。 4 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我懂得了要完成一個(gè)電路的設(shè)計(jì)，理論基礎(chǔ)是根基，實(shí)踐操作是完成事物的重要部分，而創(chuàng)新能力則決定了一個(gè)電路的價(jià)值，因?yàn)樵O(shè)計(jì)一個(gè)電路，絕不是簡(jiǎn)單的按課本的電路圖進(jìn)行焊接成型，我們要進(jìn)行電路各個(gè)元件參數(shù)的計(jì)算，這個(gè)涉及我們所掌握的理論