高頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、高頻電子線路課程設(shè)計(jì)高頻功率放大器姓名：專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)院：指導(dǎo)教師：2018年 6月2日摘 要在通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)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。為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無線電發(fā)射沒備的重要組成部分，按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換

2、器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。b5E2RGbCAP目 錄摘要 1一選題意義3二總體方案42.1方案論證 42.2甲類諧振放大器 42.3丙類高功放 52.4總體電路設(shè)計(jì) 6三各部分設(shè)計(jì)及原理分析63.1電路工作原理63.2高功放性能分析9諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性9功率放大器的負(fù)載特性9放大器工作狀態(tài)的調(diào)整10四參數(shù)選擇124.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求 124.2參數(shù)計(jì)算 124.2.1甲類諧振放大器參數(shù)計(jì)算 124.2.2丙類功放的參數(shù)計(jì)算 14五電路仿真與結(jié)果分析165.1輸入信號(hào)波形165.2一級(jí)甲類放大波形165.3兩級(jí)甲類放大波形175.4最終輸出波形17六結(jié)果分析181/1

3、5七元件清單19八心得體會(huì)20九參考文獻(xiàn)21一 選題意義現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢(shì)之一是在寬波段工作范圍內(nèi)能采取自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)，以便于迅速轉(zhuǎn)換工作頻率。由于在發(fā)射機(jī)里的振蕩器所產(chǎn)生的高頻振蕩頻率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大器，獲得足夠的高頻功率后，才能饋送到天線上輻射出去。為了滿足上述要求，可以在發(fā)射機(jī)的中間各級(jí)采用寬帶高頻功率放大器p1EanqFDPw高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)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。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

4、。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。 DXDiTa9E3d二 總體方案2.1 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。RTCrpUDGiT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，

5、回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。 5PCzVD7HxA可是若僅僅是用一個(gè)功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無法做到如此大的功率放大。2/15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)。jLBHrnAILg2.2 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2-1 所示。通過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 L、C3、C4、R6構(gòu)成選頻回路，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容 C3使調(diào)諧回路選出

6、與輸入信號(hào)源相同的頻率，在調(diào)諧回路中并聯(lián)一電阻 R，減小回路品質(zhì)因數(shù)從而加寬通頻帶。xHAQX74J0X圖 3-2 一級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)了提高增益，本次電路采用了兩級(jí)甲類放大，其級(jí)聯(lián)的單元電路如圖2-2 所示。選頻回路參數(shù)選擇一致。采用級(jí)聯(lián)的方式是犧牲通頻帶來換取高的電壓增益的。LDAYtRyKfE圖 2-2 兩級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)2.3 丙類高功放圖 2-3 丙類功放原理圖2.4 總體電路設(shè)計(jì)圖 2-4 設(shè)計(jì)總圖三 各部分設(shè)計(jì)及原理分析3.1 電路工作原理利用寬帶變壓器作耦合回路的功放稱為寬帶功放。常用寬帶變壓器有用高頻磁芯3/15繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功放不需要調(diào)諧回路，可在很

7、寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作為發(fā)射機(jī)的中間級(jí)，以提供較大的激勵(lì)功率。Zzz6ZB2Ltk利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導(dǎo)通角越小放大器的效率越高。如丙類功放的小于 90度， ， 丙類功放通常作為發(fā)射機(jī)的末級(jí)，以獲得較大的輸出功率和較高的功率。丙類諧振功率放大器原理圖如圖3-1 所示。 cdvzfvkwMI1圖 3-1諧振功率放大器的基本電路諧振功率放大器的特點(diǎn)：<1）放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。<2）輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能

8、，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。<3）基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。<4）輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。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。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖1-2 所示。rqyn14ZNXI圖 3-2 功率放大器各分壓與電流關(guān)系由于晶體管工作在丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個(gè)周期性的余弦脈沖。由傅立葉級(jí)數(shù)可知，一個(gè)周期性函數(shù)可以分解為許多余弦波<或正弦波）的疊加。可以將電流分解為<3-1 ）EmxvxOtOco圖 3-3 i C(t

9、>各次諧波的波形示意圖在對(duì)諧振功率放大器進(jìn)行分析與計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項(xiàng)利用周期函數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)的公式，可以求出式<3-1）直流分量及各次諧波分量4/15<3-2 ）<3-3 ）只要知道電流脈沖的最大值和通角即可計(jì)算出直流分量、基波分量及各次諧波分量。各次諧波分量變化趨勢(shì)是諧波次數(shù)越高，其振幅越小。因此，在諧振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集電極直流電源提供的直流輸入功率為<3-4）諧振功放集電極輸出回路輸出功率等于基波分量在諧振電阻上的功率為<3-5 ）集電極的功耗為<3-6）放大器集電極能量轉(zhuǎn)換效率等于輸出功率與電源

10、提供功率之比<3-7 ）甲類狀態(tài)，度，乙類狀態(tài)，度，丙類狀態(tài)，度，工作在丙類狀態(tài)時(shí)，效率最高。3.2 高功放性能分析高頻功率放大器因工作于大信號(hào)的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解讀近似分析方法 折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。SixE2yXPq5諧振功率放大器的動(dòng)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(lì)電壓 b、供電電壓 VCC、VBB等 4個(gè)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(gè)參量的變化會(huì)使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。6ewMyirQFL功率放大器的負(fù)載特性如果 VCC、VBB、 vb 3 個(gè)參變量不變，則放大器的工

11、作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時(shí)，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5/15負(fù)載特性。電壓、電流隨負(fù)載變化波形如圖3-4 所示。 kavU42VRUs放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為RP由小至大變化時(shí)，負(fù)載線的斜率由小變大，如圖中。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。y6v3ALoS89臨界狀態(tài)時(shí)負(fù)載線和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(shí)，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)時(shí) 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

12、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。 M2ub6vSTnP過壓狀態(tài)時(shí)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。0YujCfmUCw根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線如圖3-5 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)。eUts8ZQVRd過壓狀態(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

13、種狀態(tài)。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(lì) Vb。改變 Rp，但 Vb、VCC、VBB不變當(dāng)負(fù)載電阻 Rp由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。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(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。Vcc變化時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響如圖1-6所示： GMsIasNXkA圖 3-6 Vcc 變化是對(duì)工作狀態(tài)的影響在過壓區(qū)中輸出電壓隨 VCC改變而變化的特來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過圖 3-7 改變 VCC 時(shí)工作狀態(tài)和電流、

14、功率的變化VCC,VBB不變，變化，自0向正值增大時(shí)，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)。當(dāng)Vbm自0向正值增大時(shí)，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)。諧振功放的放大 7EqZcWLZNX特性是指放大器性能隨Vbm變化的特性，其特性曲線如圖3-8 所示。圖3-8 Vbm 變化的特性 四參數(shù)選擇4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一高頻功率放大器，要求的技術(shù)指標(biāo)為：輸出功率mW,工作中心頻率MHz，。已知：電源供電為 12V，負(fù)載電阻，晶體管用 2N2219，其主要參數(shù)：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,f T=70MH

15、z,hfe10，功率增益 Ap13dB<20倍）。 lzq7IGf02E4.2 參數(shù)計(jì)算甲類諧振放大器參數(shù)計(jì)算依設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性調(diào)諧回路諧振放大器，設(shè)計(jì)參考電路見圖4-1 所示。 zvpgeqJ1hk, 可采用共射晶體管單圖4-1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)，放大器工作電流選取為宜。涉及電路中取=1.5mA,設(shè)=1K。一般在 0.8 2mA之間,V,V,V,K取標(biāo)稱電阻 8.2K。K考慮調(diào)整靜態(tài)電流的方便，用22K? 電位器與 15K? 電阻串聯(lián)。諧振回路參數(shù)計(jì)算回路中的總電容 CpF回路電容 CpF取 C為標(biāo)稱值 140pF與5-20p

16、F微調(diào)電容并聯(lián)。3）求電感線圈 N2與 N1的匝數(shù)：根據(jù)理論推導(dǎo)，當(dāng)線圈的尺寸及所選用的磁心確定后，則其相應(yīng)的參數(shù)就可以認(rèn)為是一個(gè)確定值，可以把它看成是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)線圈的電感量?jī)H和線圈匝數(shù)的平方成正比， NrpoJac3v1式中 K與線圈的尺寸及磁性材料有關(guān)。N為線圈的匝數(shù)。一般 K值的大小是由實(shí)驗(yàn)確定的。當(dāng)要繞制的線圈電感量為某一值時(shí)，可先在骨架上 ( 也可以直接在磁心上 >纏繞 10匝，然后用電感測(cè)量?jī)x測(cè)出其電感量，再用下面的公式求出系數(shù) K值： 1nowfTG4KI實(shí)驗(yàn)中， L采用帶螺紋磁芯、金屬屏蔽罩的 10S型高頻電感繞制。在原線圈骨架上用0.08mm漆包線纏繞 10匝后得到

17、的電感為 2uH。由此可確定 fjnFLDa5ZoH/匝要得到 4uH的電感，所需匝數(shù)為匝最后再按照接入系數(shù)要求的比例，來繞變壓器的初級(jí)抽頭與次級(jí)線圈的匝數(shù)。匝<4）寬帶的確定確定耦合電容與高頻濾波電容：耦合電容 C1、C2的值，可在 1000 pF 0.01uF 之間選擇，一般用瓷片電容。旁路電容 Ce、C3、 C4的取值一般為 0.01-1 F，濾波電感的取值一般為220-330uH。8/15tfnNhnE6e5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，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，

18、 一般選用臨界狀態(tài)， 其電流流通角在 600 900范圍。 c HbmVN777sL現(xiàn)設(shè) 0度。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵(lì)電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。cV7l4jRB8Hs集電極電流余弦脈沖直流I CO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈沖基波I CM1分解系數(shù)，。設(shè)功放的輸出功率為0.5W。 83lcPA59W9功率放大器集電極的等效電阻為：集電極基波電流振幅為：Ma集電極電流脈沖的直流分量為：mA電源提供的只留功率為：W集電極的耗散功率為：W集電極的效率為：滿足設(shè)計(jì)要求已知dB, 即則輸入功率：Mw基極余弦脈沖電流的最大值Ma基極基波電流的振幅為

19、：Ma得基極輸入的電壓振幅為：V9/15(2> 基極偏置電路計(jì)算V取高頻旁路電容pF(3> 計(jì)算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)輸出采用 L型匹配網(wǎng)絡(luò)。uHuHpF匹配網(wǎng)絡(luò)的電感 L為 1.46uH, 電容 C為 259pF(4> 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 50-100uH, 濾波電感一般取 0.01uF mZkklkzaaP五 電路仿真與結(jié)果分析5.1 輸入信號(hào)波形輸入波形信號(hào)如圖 5-1 所示，由仿真示波器可以看到輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為5.85MHz，峰峰值為 99.8mv的正弦波信號(hào)。 AVktR43bpw圖5

20、-1 輸入信號(hào)5.2 一級(jí)甲類放大波形經(jīng)過第一級(jí)甲類放大器后輸出波形如圖5-2 所示，其峰峰值增大到 589mv，將輸入信號(hào)電壓放大了。圖 5-2 一級(jí)放大后波形5.3 兩級(jí)甲類放大波形經(jīng)過兩級(jí)放大后電壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?.01v，如圖 5-3所示。5.4 最終輸出波形信號(hào)最終經(jīng)過丙類放大器放大，提高其功率與效率，仿真波形如圖5-4所示。甲類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，在 1dB壓縮點(diǎn)以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時(shí)的通帶起伏小和在不同輸出電平時(shí)的相位和增益不變。它的缺點(diǎn)是效率不高、較大的熱損耗和尺寸大。丙類功放的優(yōu)點(diǎn)是效率非常高，尺寸緊湊，輸出功率高

21、，可達(dá)幾千瓦，工作溫度比乙類還要低，可靠性較高，在要求失真不嚴(yán)的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它的最大缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍非常窄。將上述單元電路按圖 2-4 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，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、三級(jí)輸出，逐級(jí)調(diào)試。ORjBnOwcEd在調(diào)試過程中發(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，經(jīng)分析可能有以下兩方面原因：一方面可能是靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置問題，這就需要對(duì)電路再進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量分析，另一方面可能是選頻、濾波回路 L、C等參數(shù)設(shè)置的影響。2MiJTy0dTT由仿真結(jié)果及觀

22、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。經(jīng)過第一第二級(jí)甲類放大器后電壓幅值增大了，最終輸出也大大提高了輸出功率，因此也驗(yàn)證了理論知識(shí)的正確性和設(shè)計(jì)方法的可行性。gIiSpiue7A11/15七 元件清單元器件、組件名稱型號(hào)及參數(shù)數(shù)量三極管Q2N22193電感500nH， 3.9uH，1uH7變?nèi)荻O管DIODE VARACTOR2固定電阻102固定電阻201固定電阻1K2固定電阻2K1固定電阻6.8K2固定電阻10K3固定電阻15K1固定電阻20K1固定電阻22K1電容1.5nF2電容100nF2電容470pF2發(fā)光二極管LED1直流電源+12V1八 心得體會(huì)通過這次高頻課程設(shè)計(jì)，我受益良多。課程設(shè)計(jì)的意義在于讓學(xué)生聯(lián)系課堂知識(shí)，增強(qiáng)查閱、收集、整理、吸收消化資料的能力；培養(yǎng)一定的獨(dú)立分析問題、解決問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)能力，提高學(xué)生綜合能力，對(duì)此，我深12/15有感觸。 uEh0U1Yfmh在選題的時(shí)候，由于對(duì)知識(shí)領(lǐng)悟的不夠深入，以及缺乏查閱，吸收資料的能力，每當(dāng)選定一個(gè)題目，遇到一定的挫折后，我就會(huì)改變題目。接連三次題目的變更，大大地增加了工作量，但我并不覺得我做的都是無用功，因?yàn)樗刮疑羁痰卣J(rèn)識(shí)到自身的不足。我曾自問，若是老師沒有給出參考題目，我又需要多長(zhǎng)時(shí)間才能選定一個(gè)題目？其實(shí)這正是獨(dú)立分析問題解決問題能