高頻諧振功率放大器

1、1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)、功能要求說明 . . 11.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù) . . 11.2 設(shè)計(jì)課題總體方案介紹 . . 12 高頻功率放大器的基本原理 . . 22.1 甲類諧振功放 . . 32.1.1 靜態(tài)工作點(diǎn) . . 32.1.2 甲類功放的負(fù)載特性 . . 42.1.3甲類功放的功率增益 . 52.2 丙類功率放大器 . . 52.2.1丙類功放基本關(guān)系 . 62.2.2 負(fù)載特性 . . 93 參數(shù)設(shè)計(jì) . . 113.1 甲類功放參數(shù)計(jì)算 . . 113.1.1 電路參數(shù)計(jì)算 . . 113.1.2 靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算 . . 123.2 丙類功放參數(shù)計(jì)算 . . 123.2.1 放大器的工

2、作狀態(tài)計(jì)算 . . 123.2.2計(jì)算諧振回路及耦合回路的參數(shù) . 133.2.3 基極偏置電路參數(shù)計(jì)算 . . 144 總體電路設(shè)計(jì) . . 155 電路仿真 . . 165.1 甲類功率放大器電路仿真 . . 165.2 丙類功放電路仿真 . . 175.3 級(jí)聯(lián)仿真 . . 196 電路調(diào)試與調(diào)整 . . 206.1諧振狀態(tài)的調(diào)整 . 206.2 寄生振蕩及其消除 . . 207 心得體會(huì) . . 21參考文獻(xiàn)22 致謝23II1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)、功能要求說明1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)本次課程設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率大于Po 200MW 的功率放大器，要求負(fù)載RL =51, 工作中心頻率fo 5

3、MHz ，效率50%。1.2 設(shè)計(jì)課題總體方案介紹僅從輸出功率Po 200MW 的一項(xiàng)指標(biāo)看，可以采用甲類功率放大或乙類功率放大、丙類功率放大。由于效率50%，雖然可以只使用一級(jí)丙類功率放大器，但課程要求兩級(jí)電路，所以用丙類諧振放大器與甲類諧振功率放大器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。本次課程設(shè)計(jì)三極管采用2N2222。12 高頻功率放大器的基本原理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)用于各種無線電發(fā)射機(jī)中。發(fā)射機(jī)中的振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過多級(jí)高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。則此次可用兩級(jí)功率放大器組成高頻功率放大器，如下圖2-1 圖2-1 高頻功

4、率放大器原理方框圖甲類功率放大器效率較低，一般只有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)載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角Q 越小，放大器的效率越高。如丙類放大器導(dǎo)通角小于90°，但是效率可達(dá)到80%。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效率。22.1 甲類諧振功放 圖 2-2 甲類諧振功放電路圖2.1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)如圖2-2所示，晶體管Q 1組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。其中R B1、R B2為基極偏置電阻；R E1為直流負(fù)反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。R F1為交流負(fù)反饋電阻，可以提高放大器

5、的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由下列關(guān)系式確定：U EQ =I EQ (R F 1+R E 1I CQ R E 1 （公式2-1） 式中，RF1一般為幾歐至幾十歐。I CQU BQ =I BQ （公式2-2） =U EQ +0. 7V （公式2-3）3如圖2-3 所示，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P 0可表示為：P 0=P H'B（公式2-4）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B=0.750.85。圖2-3 甲類功放的負(fù)載特性圖2-3為甲類功放的負(fù)載特性。為獲得最大不失真

6、輸出功率，靜態(tài)工作點(diǎn)Q 應(yīng)選在交流負(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：Pc=0. 5Ucm Icm（公式2-5）式中，u cm 為集電極輸出的交流電壓振幅，I cm 為交流電流的振幅，它們的表達(dá)式分別U cm =U CC -I CQ R E 1-U CES（公式2-6式中，u CES 稱為飽和壓降，約1VI cm I CQ（公式2-7B R H R H'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N 1N2=（公式2-8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。4 與電壓放大器不同的是功率放大器應(yīng)

7、有一定的功率增益，對(duì)于圖2-1所示電路，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A p 的表達(dá)式為A P =P o P i（公式2-9）其中，P i 為放大器的輸入功率，它與放大器的輸入電壓u im 及輸入電阻R i 的關(guān)系為u im =2R i P i（公式2-10）h ie +(1+h fe R F 1 （公式 2-11）式中，Ri 又可以表示為 R i式中，h ie 為共發(fā)接法晶體管的輸入電阻，高頻工作時(shí)，可認(rèn)為它近似等于晶體管的基極體電阻r bb ¹ 。h fe 為晶體管共發(fā)接法電流放大系數(shù)，在高頻情況下它是復(fù)數(shù)，為

8、方便起見可取晶體管直流放大系數(shù)。2.2 丙類功率放大器圖 2-4 丙類諧振功率放大電路圖52.2.1丙類功放基本關(guān)系如圖2-4所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓u BE 是利用發(fā)射極電流的直流分量I EO（I CO ）在射極電阻R E2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)u i 為正弦波時(shí)，則集電極的輸出電流i c 為余弦脈沖波。利用諧振回路L 2C 3的選頻作用可/輸出基波諧振電壓u c1, 電流i c1。圖1-5畫出了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：u clmI clm R o(公式2-12圖2-5 丙類功放的基極、集電極

9、電流和電壓波形6 式中, u clm 為集電極輸出的諧振電壓即基波電壓的振幅；I c 1m 為集電極基波電流振幅；Ro 為集電極回路的諧振阻抗。21121u C 1mP C =式中，PC 為集電極輸出功率P D =u cc I co2u C 1m I C 1m =2I C 1m R 0=2R 0（公式2-13）(公式2-14式中，PD 為電源u cc 供給的直流功率,ICO 為集電極電流脈沖ic 的直流分量。電流脈沖i c 經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解，可得峰值I cm 與分解系數(shù)a n ( 的關(guān)系式I cm =I cm a 1( I c 0=I cm a 0( （公式2-15）分解系數(shù)a n (與的關(guān)系

10、如圖2-6所示。圖2-6 a n (與的關(guān)系放大器集電極的耗散功率P C 為 PC =PD - P C （公式2-16）放大器的效率為=P D P D=12U Uc 1m CCI c 1m I c 0=12U Uc 1m CCa 0(a 1(=12a 0(a 1(（公式2-17）7 由圖可得：cos =uj圖2-7 輸入電壓u be 與集電極電流i c 波形圖2-7為功放管特性曲線折線化后的輸入電壓u be 與集電極電流脈沖i c 的波形關(guān)系。-u B u bm(公式2-18式中：u j 為晶體管導(dǎo)通電壓（硅管約為0.6V ，鍺管約為0.3V ） ubm 為輸入電壓（或激勵(lì)電壓）的振幅。 uB

11、 為基極直流偏壓。U B =-I CO R E 2 (公式2-19當(dāng)輸入電壓u be 大于導(dǎo)通電壓u j 時(shí)，晶體管導(dǎo)通，工作在放大狀態(tài)，則基極電流脈沖I bm 與集電極電流脈沖I cm 成線性關(guān)系，即滿足I cm =h fe I bm I bm(公式1-20因此基極電流脈沖的基波幅度I b1m 及直流分量I bo 也可以表示為I b 1m =I bm a 1( （公式2-21） I =I a ( b 0bm 01基極基波輸入功率P i 為P =u Ii(公式 1-222b 1m b 1m8放大器的功率增益Ap 為 P PA p =P i或A p =10lgP idB(公式1-23丙類功率放大

12、器的輸出回路采用了變壓器耦合方式，集電極諧振回路為部分接入諧振頻率為w 0=諧振阻抗與變壓器線圈匝數(shù)比為式中，N1為集電極接入初級(jí)匝數(shù)。 N2為初級(jí)線圈總匝數(shù)。 N3為次級(jí)線圈總匝數(shù)。Q L 為初級(jí)回路有載品質(zhì)因數(shù)，一般取210。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，這種耦合方式的輸入阻抗''1LC或f 0=12LC（公式2-24）N 3N 1N 2N 3=2P 0R L u c 1m w 0L R L=Q LR L R 0(公式2-25Z i為r b ' b(公式2-26Z i =(1-cos a 1(式中，r b b

13、 為晶體管基極體電阻r b b 25。2.2.2 負(fù)載特性當(dāng)功率放大器的電源電壓+ucc ，基極偏壓u b ，輸入電壓C 或稱激勵(lì)電壓u sm 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Rq 。諧振功率放大器的交流負(fù)載特性如圖2-8所示，由圖可見，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u CES ，集電極電流脈沖接近最大值I cm 。此時(shí)，集電極輸出的功率P c 和效率都較高，此時(shí)放大器處于臨界工作狀態(tài)。R q 所對(duì)應(yīng)的值稱為最佳負(fù)載電阻值，用R 0表示，即R 0=(u CC -u CES 2P 092(公式2

14、-27當(dāng)R q < R0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)R q > R 0時(shí)，放大器處于過壓狀態(tài)，如B 點(diǎn)所示，集電極電壓雖然較大，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工作狀態(tài)。判斷放大器是否為臨界工作狀態(tài)的條件是：u cc - ucm = uCES (公式2-28式中，u cm 集電極輸出電壓幅度。u CES 晶體管飽和壓降。圖2-8 諧振功放的負(fù)載特性10 3 參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 甲類功放參數(shù)計(jì)算3.1.1 電路參數(shù)計(jì)算由丙類功率放

15、大器的計(jì)算結(jié)果可得，甲類功率放大器的輸出功率P ' 0應(yīng)等于丙類功放的輸入功率P i ，輸出負(fù)載R ' e 應(yīng)等于丙類功放的輸入阻抗|Z i |，即P ' 0= P i = 25 m WR ' e = |Z i | = 86 設(shè)甲類功率放大器的電路如圖2-1所示的激勵(lì)級(jí)電路，得集電極的輸出功率P 0為(若取變壓器效率T =0.8P 0 =P ' 0/T 31 m W若取放大器的靜態(tài)電流I CQ = I cm = 7 mA，得集電極電壓的振幅V cm 及最佳負(fù)載電阻R e分別為V cm = 2 P 0/I cm =8.9 V因此射極直流負(fù)反饋電阻R E1為

16、 取標(biāo)稱值360。 輸出變壓器匝數(shù)比為若取二次側(cè)匝數(shù)N 2 = 2，則一次側(cè)匝數(shù)N 1 = 6本級(jí)功放采用3DG12晶體管，設(shè)=30，若取功率增益A P =13dB（20倍），則輸入功率P i 為P i = P 0 /A P = 1.55 m W 得放大器的輸入阻抗R i 為R i r b'b +R 3 = 25 +30×R 3若取交流負(fù)反饋電阻R 3 = 10 ， 則R i = 335 得本級(jí)輸入電壓的振幅V im 為 11 3.1.2 靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算由上述計(jì)算結(jié)果得到靜態(tài)時(shí)(V i =0晶體管的射極電位V EQ 為 若取基極偏置電路的電流I 1=5I BQ ， 則 V E

17、Q = I CQ R E1 = 2.5 V 則 V BQ = V EQ + 0.7 V = 3.2 VI BQ = I CQ / = 0.23 m AR 2= V BQ / 5 I BQ = 2.8 k 取標(biāo)稱值3k 。3.2 丙類功放參數(shù)計(jì)算3.2.1 放大器的工作狀態(tài)計(jì)算為獲得較大的效率及最大輸出P 。將丙類功放的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)，取可得集電極的負(fù)載電阻集電極基波電流振幅Icm 1=2Pc Rq=95mA=70，Rp =(vcc -vces (vcc -vces 2Pc=(vcc -vces (vcc -vces 2Po=110集電極電流脈沖的最大值ICM 及其直流分量ICO 分別為I

18、cm =Icm 11(70 =95mA 0. 44=216mA電源供給的直流功率Ic 0=Icm 0(70 =216mA 0. 25=54mA12 P D =u cc I co=0.65w集電極的耗散功率 P C =PD - PC =0.15w集電極效率=Po/Pd=77%若設(shè)本級(jí)功率增益Ap=13dB（20倍），則輸入功率 Pi=Po/Ap=25mW基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)晶體管3DA1的=10） IBm=ICm/=21.6mA 基極基波電流的振幅 IBm1=IBm1(70 =9.5mA 輸入電壓的振幅 VBm=2Pi/IBm1=5.3V3.2.2計(jì)算諧振回路及耦合回路的參數(shù)丙類功放的輸

19、入, 輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式, 其輸入阻抗|Zi|可以計(jì)算 |所以輸出變壓器的線圈匝數(shù)比為取N3=2，N1=3。若取集電極并聯(lián)回路的電容C=100PF，得回路電感 若采用的NXO-100鐵氧體磁環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，可算出變壓器初級(jí)線圈的總匝數(shù)N2，即13Zi =r b 'b(1-cos 1(=25(1-cos(70 0. 44=86N 3N 1=2PcRl VcM 1=20. 551(12-1. 5=0. 682. 53 10L =4(F 0MHz (F 0MHz C pF 10uH則 N2=8L =4u H2A cm/m2l cmN 2102-3uH需要指出的是，變壓

20、器的匝數(shù)N1，N2，N3的計(jì)算值只能作為參考值，由于分布參數(shù)的影響，與設(shè)計(jì)值可能相差較大。為調(diào)整方便，通常采用磁芯位置可調(diào)節(jié)的高頻變壓器。3.2.3 基極偏置電路參數(shù)計(jì)算由 Vb=Vi-VBmcos=-1.1V 可得基極直流偏置電壓 由 RE2=|VB|/Ic0=20得射極電阻取高頻旁路電容 CE2=0.02uF 144 總體電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面章節(jié)的分析講述則高頻功率放大器的總體電路圖設(shè)計(jì)如下圖4-1圖4-1 高頻功率放大器的總體電路圖 155 電路仿真5.1 甲類功率放大器電路仿真利用Multisim 軟件對(duì)寬帶功率放大器電路進(jìn)行仿真，首先要對(duì)甲類功放電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整其靜態(tài)工作

21、使其滿足Vbq=2.8V，Veq=2.2V,Icq=6mA；在輸入峰值為2V ，頻率為5MHz 的交流信號(hào)時(shí)，對(duì)其輸出進(jìn)行仿真可以得到如下圖。5.1.1 甲類功率放大器仿真波形 圖 5-1 甲類功率放大器波形仿真165.1.2 甲類功率放大仿真測(cè)量 圖 5-2 甲類功率放大器功率對(duì)比5.2 丙類功放電路仿真丙類功放測(cè)試電路，在輸入峰值為2V ，頻率為5MHz 的交流信號(hào)時(shí)，對(duì)其輸出，輸出進(jìn)行仿真可以得到圖5-3、圖5-4仿真。5.2.1 丙類功率放大器仿真波形17圖 5-3 丙類功放波形仿真5.2.2丙類功率放大仿真測(cè)量 圖 5-4 丙類功放功率對(duì)比18 5.3 級(jí)聯(lián)仿真兩級(jí)級(jí)聯(lián)的輸為2V 的

22、5MHz 的交流信號(hào)時(shí)，對(duì)其輸入、輸出仿真可以得出仿真波形圖5-5、圖5-6功率仿真。5.3.1 級(jí)聯(lián)仿真波形 圖 5-5 級(jí)聯(lián)仿真波形5.3.2 級(jí)聯(lián)仿真功率測(cè)量 圖 5-6 級(jí)聯(lián)仿真功率196 電路調(diào)試與調(diào)整6.1諧振狀態(tài)的調(diào)整設(shè)計(jì)計(jì)算高頻諧振功放的前提是假定諧振回路已經(jīng)處于諧振狀態(tài)，即集電極的負(fù)載阻抗為純電阻。但回路的初始狀態(tài)或在調(diào)諧過程中，會(huì)出現(xiàn)回路失諧狀態(tài)，即集電極回路的阻抗呈感性或容性，是回路的等效阻抗下降。這是集電極的輸出電壓減少，集電極電流增大，集電極的耗散功率增加，嚴(yán)重時(shí)肯能損壞晶體管。為保證晶體管安全工作，調(diào)諧時(shí)，可以先將電源電壓 Vcc 降低到規(guī)定值的一半或三分之一，待找

23、到諧振點(diǎn)時(shí)，再將電源電壓調(diào)大，然后微調(diào)電路參數(shù)，是輸出的波形最大不失真。6.2 寄生振蕩及其消除寄生振蕩是調(diào)整高頻諧振功放過程中經(jīng)常遇到的一種現(xiàn)象。常見的寄生振蕩有以下兩種。（1） 參量自激型寄生振蕩當(dāng)高頻諧振功放的輸出電壓Vcm 足夠大時(shí)，高頻諧振功放的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)可能進(jìn)入 量狀態(tài)，這時(shí)晶體管的許多參數(shù)將隨著工作狀態(tài)的變化而變化。參量自激的特點(diǎn)是必須在外加信號(hào)激勵(lì)下才產(chǎn)生，因此斷開激勵(lì)信號(hào)的觀察振蕩是否繼續(xù)存在，而判斷自激型寄生振蕩的有效方法。一旦發(fā)現(xiàn)有參數(shù)自激型寄生振蕩，必須立即關(guān)電源，因?yàn)閰⒘孔约ば图纳袷帟?huì)使輸出電壓的峰值可能顯著增加，集電極回路可能出于失諧狀態(tài)，集電極的耗散功率會(huì)很大，

24、有可能導(dǎo)致晶體管損壞。消除參量自激型振蕩的常用辦法是在基極或發(fā)射極接入防振電阻或降低電路的Q 值。 （2） 反饋型寄生振蕩高頻寄生振蕩一般是由電路的分布參數(shù)的影響造成的。207 心得體會(huì)高頻電子電路與實(shí)際應(yīng)用密切聯(lián)系，是一門工程性很強(qiáng)的科目，但對(duì)于我們同學(xué)來說，高頻電子線路涵蓋知識(shí)面廣而且線路復(fù)雜，原理深?yuàn)W難懂。此次高頻電子線路課程設(shè)計(jì)為我們同學(xué)更深刻地理解理論知識(shí)，應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)相比，此次課程設(shè)計(jì)更要求學(xué)生要有扎實(shí)的理論知識(shí)水平和靈活的學(xué)習(xí)方式。課程設(shè)計(jì)和平時(shí)的理論學(xué)習(xí)有很大的不同，除了要扎實(shí)的掌握理論知識(shí)外，還要密切的和實(shí)際相聯(lián)系，平時(shí)接觸的很多的理論知識(shí)是在各種理想條件下的，所以理解接受起來容易，但應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很大的誤差，甚至得不到結(jié)果，這就要求我們要靈活的運(yùn)用理論知識(shí)，并且要善于學(xué)習(xí)沒有接觸過的知識(shí)，多查資料，多思考。此外，在這次設(shè)