高頻諧振功率放大器設計

1、 2012 2013學年 第 一 學期 高頻電子線路 課 程 設 計 報 告題 目： 高頻諧振功率放大器的仿真分析專 業(yè)： 10級電子信息工程 班 級： <1>班 姓 名： 指導教師： 高頻電子線路任務書課題名稱 高頻諧振功率放大器的仿真分析 指導教師（職稱） （講師） 執(zhí)行時間2012 2013 學年第 一 學期 第15周學生姓名學號承擔任務集電極調(diào)制特性的仿真與分析放大特性的仿真與分析負載特性的仿真與分析丙類諧振功放的工作原理高頻諧振功放原理圖設計基極調(diào)制特性的仿真與分析設計目的1.配養(yǎng)較為扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力。2.加深對電路器件的選型及電路形式的選擇的了解

2、。3.提高高頻電子電路的基本設計能力及基本調(diào)試能力。設計要求 1.了解高頻諧振功率放大電路的原理2.了解高頻諧振功率放大電路的電壓放大作用，創(chuàng)建電路再仿真分析（輸入輸出、幅頻特性、結(jié)果分析）3.分析高頻諧振功率放大電路的特性（1）負載特性分析（創(chuàng)建電路、仿真分析及說明）（2）調(diào)制特性分析（創(chuàng)建電路、仿真分析及說明）目 錄目 錄3摘 要4第一章 原理分析51.1高頻諧振功率放大器電路工作原理51.2諧振功率放大器的特點51.3高頻功放的主要技術(shù)指標61.3.1 功率關系61.3.2 諧振功率放大器臨界狀態(tài)的計算61.4 功率放大器的負載特性71.4.1集電極電流、集電極電壓隨負載變化的波形71.

3、4.2 功率及效率隨負載（工作狀態(tài)）變化的波形：71.5諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路81.5.1直流饋電電路81.5.2 輸出回路和級間耦合回路8第二章 高頻功放電路的設計102.1丙類功率放大器工作狀態(tài)的確定102.2 丙類高頻功率放大器電路設計11第三章 電路仿真123.1 所用軟件Multisim簡介123.2 仿真測試電路123.2.1放大特性123.2.2負載特性133.2.3調(diào)制特性14參考文獻17答辯記錄及評分表18 摘 要 高頻功率放大器是發(fā)送設備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大

4、。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，相對頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。本次課設報告先是對高頻功率放大器有關理論知識作介紹，在性能指標分析基礎上進行單元電路設計最后設計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進行分析。關鍵詞：高頻、放大、仿真第一章 原理分析1.1高頻諧振功率放大器電路工作原理在通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，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。在

5、無線電信號發(fā)射過程中，發(fā)射機的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號功率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大，如緩沖級、中間放大級、末級功率放大級等，獲得足夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。利用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。它是無線電發(fā)射機中的重要組成部件。根據(jù)放大器電流導通角的范圍可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的功率放大器。電流導通角愈小放大器的效率愈高。如甲類功放的=180o，效率最高也只能達50%，而丙類功放的<90o,效率可達到80%。甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。高

6、頻功率放大器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)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。1.2諧振功率放大器的特點（1） 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。（2） 輸出端負載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。（3） 輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。1.3高頻功放

7、的主要技術(shù)指標1.3.1 功率關系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，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?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。根據(jù)能量守衡定理：直流功率：輸出交流功率： -回路兩端的基頻電壓 - 基頻電流 -回路的負載阻抗。1.3.2 諧振功率放大器臨界狀態(tài)的計算臨界狀態(tài)下，若已知電源電壓，三極管的參數(shù)，設電壓利用系數(shù)為，集電極的導通角為。求諧振功率放大器的其余參數(shù)，如功率和效率等。1.首先要求得集電極電流脈沖的兩個主要參量和導通角q：功率放大器的設計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高效

8、率的輸出功率和高效率，通常導通角為6080度。集電極電流脈沖幅值icmax：2.根據(jù)：可求得最佳負載電阻：1.4 功率放大器的負載特性只在其他條件不變（、 為一定），只變化放大器的負載電阻而引起的放大器的電流、輸出電壓、功率、效率的變化特性。1.4.1集電極電流、集電極電壓隨負載變化的波形當負載電阻由小至大變化時，1.負載線的斜率由小變大。2. 放大器的工作狀態(tài)由欠壓®過壓®臨界；3. 輸出電壓逐漸增大。4.輸出電流的波形由尖頂脈沖®凹頂脈沖1.4.2 功率及效率隨負載（工作狀態(tài)）變化的波形：1. 欠壓狀態(tài) 在欠壓區(qū)至臨界點 的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓Uc隨負載電

9、阻RL的增大而增大，而電流、 其基本不變。 2臨界狀態(tài) 負載線和正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。3. 過壓狀態(tài) 放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載的加大，要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小1.5諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路1.5.1直流饋電電路1. 集電極饋電電路根據(jù)直流電源連接方式不同，集電極電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種,1)串饋電路：指直流電源、負載回路(匹配網(wǎng)絡)、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。、為低通濾波電路，A點為高頻地電位，既阻止電源中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號流入直流電源。2

10、)并饋電路：指直流電源、負載回路(匹配網(wǎng)絡)、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖為高頻扼流圈，為高頻旁路電容，避免高頻信號流入直流電源，為高頻輸出耦合電容。 2. 基極饋電電路1）基極偏置常采用自給偏置電路；-串饋2）由負電源-U分壓供給基極偏置電壓；-串饋3）零偏壓；-串饋1.5.2 輸出回路和級間耦合回路 1. 級間耦合網(wǎng)絡對于中間級而言，最主要的是應該保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級功放穩(wěn)定的激勵電壓，而效率則降為次要問題。多級功放中間級的一個很大問題是后級放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個變化反映到前級回路，會使前級放大器的工作狀態(tài)

11、發(fā)生變化。此時，若前級原來工作在欠壓狀態(tài)，則由于負載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。2. 輸出匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡常常是指設備中末級功放與天線或其他負載間的網(wǎng)絡。這種匹配網(wǎng)絡有L型、p型、T型網(wǎng)絡及耦合回路。輸出匹配網(wǎng)絡的主要功能與要求是匹配、濾波、和高效率。1)需要匹配的原因：當調(diào)諧功率放大器工作于最佳負載值時的功放的效率較高，輸出功率較大。在實際電路中，放大器所要求的最佳電阻需要通過匹配網(wǎng)絡和終端負載（如天線等）相匹配。2)匹配的原理：通過改變匹配回路的可調(diào)元件，將負載阻抗轉(zhuǎn)換成放大管所要求的最佳負載阻抗，使管子送出的功率能盡可能多的饋至負載。 L型匹配網(wǎng)絡具有電路簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，不足之

12、處是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很低（通常Q<10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實際的發(fā)射機中常常用T型或型網(wǎng)絡作匹配之用。第二章 高頻功放電路的設計依據(jù)設計技術(shù)指標要求，考慮高頻放大器應具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器。2.1丙類功率放大器工作狀態(tài)的確定因為要求獲得的效率>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：=551.25集電極電流最大值為：=0.019/0.436=43.578mA其直流分量為：=*=43.578*0.253=11.025mA電源供給的直流功率為：PD=Ucc*Ico=132.3mW集電極損耗功率為

13、：P= PD PC =32.3mW轉(zhuǎn)換效率為：= PC / PD =100/132.3=75.6%基極余弦電流最大值為：IBM = ICM / 4.36Ma基極基波電流振幅：=4.360.436=1.9mA所以輸出電壓的振幅為：UBM =2 P1/ IB1M5.3V2.2 丙類高頻功率放大器電路設計由上述丙類功放參數(shù)計算結(jié)果結(jié)合丙類功放的理論知識設計的單元電路如下圖所示。 圖2-1 丙類功放原理圖第三章 電路仿真3.1 所用軟件Multisim簡介 隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展，許多電路設計都可以通過計算機輔助分析和仿真技術(shù)來完成。計算機仿真在教學中的應用，代替了大包大攬的試驗電路，大大減輕了工作量

14、。其強大的實時交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業(yè)教學創(chuàng)設了良好的平臺，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機檢測提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。Multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設計的 EDA 工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，Multisim 是一個完整的集成化設計環(huán)境。 3.2 仿真測試電路3.2.1放大特性若基極偏置電壓、集電極偏置電壓、總電阻三個參數(shù)固定，輸入電壓振幅變化，此時輸出電壓振幅等隨之變化的規(guī)律被稱為放大特性。1.仿真如下，波形如圖3-1所示：圖3-1 放大特性波形2.結(jié)果分析：在輸入電壓幅值為100m

15、V的時候，輸出電壓幅值為854mV，輸入電壓幅值被放大了8.54倍3.2.2負載特性若基極偏置電壓、集電極偏置電壓和輸入電壓振幅三個參數(shù)固定，電阻總和發(fā)生變化時，輸出電壓振幅等隨之變化，這就是諧振功放的負載特性。1.仿真如下：為了模仿負載電路，這里對其經(jīng)行了簡化，采用一個可調(diào)電阻經(jīng)行模擬，通過調(diào)節(jié)不同的阻值觀察其波形。當負載電阻調(diào)節(jié)到5%時，即5歐姆，如圖3-2，其輸出波形如圖3-3所示：圖3-2 負載電阻5歐姆圖3-3 5歐姆負載特性當負載電阻調(diào)節(jié)到100%時，即100歐姆，如圖3-4，其輸出波形如圖3-5所示：圖3-4負載電阻100歐姆圖3-5 100歐姆負載特性 2.結(jié)果分析： 由仿真波

16、形圖可以看出5歐姆負載電壓增益小于100歐姆負載電壓增益。由此可見，對于純阻性負載，一定范圍內(nèi)，電阻越大，電壓增益越高。3.2.3調(diào)制特性a) 基極調(diào)制特性若集電極偏置電壓、總電阻、輸入電壓振幅固定，輸出電壓振幅隨基極偏置電壓變化的規(guī)律被稱為基極調(diào)制特性。1.仿真如下：根據(jù)基極電壓的不同，可分為欠壓，臨界，過壓三種狀態(tài)，針對三種不同狀態(tài)分別經(jīng)行仿真并觀察了輸出波形，欠壓，臨界，過壓三種狀態(tài)仿真結(jié)果如下：（圖中電壓示數(shù)為基極電壓）圖3-6 欠壓狀態(tài)圖3-7 臨界狀態(tài)圖3-8 過壓狀態(tài)2.結(jié)果分析：在欠壓狀態(tài)下，輸出電壓幅值隨輸入電壓幅值的增大而增大，但不成線性關系，因為導通角度也隨之增大。當處于

17、臨界狀態(tài)之后，隨著輸入電壓幅值的增加，輸出電壓幅值幾乎保持不變。b) 集電極調(diào)制特性若基極電壓、總電阻、輸入電壓振幅固定，輸出電塔振幅隨集電極電壓變化的規(guī)律被稱為集電極調(diào)制特性。1. 仿真如下：根據(jù)集電極電壓的不同，可分為欠壓，臨界，過壓三種狀態(tài)，針對三種不同狀態(tài)分別經(jīng)行仿真并觀察了輸出波形，欠壓，臨界，過壓三種狀態(tài)仿真結(jié)果如下：（圖中電壓示數(shù)為集電極電壓）圖3-9 過壓狀態(tài)圖3-10 臨界狀態(tài)圖3-11 欠壓狀態(tài)2.結(jié)果分析：在欠壓狀態(tài)下，當集電極電壓改變時，輸出電壓幅值幾乎不變，在過壓狀態(tài)下，輸出電壓幅值隨集電極電壓單調(diào)變化，所以此時功放應工作在過壓狀態(tài)，才能是集電極電壓對輸出電壓幅值有控制作用，及即振幅調(diào)制作用。參考文獻1 曾興文、劉乃安、陳健高頻電子線路北京：高等教育出版社.20072 張肅文等高頻電子線路（第四版）北京：高等教育出版社.2004 3 路而紅等虛擬電