高頻LC諧振功率放大器

1、高頻LC諧振功率放大器目 錄前言11 高頻LC諧振功率放大器原理21.1 原理電路21.2 高頻功率放大器的特性曲線.31.3 功率放大器的三種工作狀態(tài)51.4 高頻功率放大器的外部特性52 高頻LC諧振功率放大器電路設計72.1 實驗電路參數(shù)計算72.2高頻LC諧振功率放大器設計電路73高頻諧振功率放大器電路的仿真與分析83.1 EWB軟件簡介83.2軟件界面介紹83.3EWB軟件對丙類功放的仿真11電路仿真圖113.3.2負載特性11輸入電壓改變時對電路的影響14當電源電壓改變時對電路的影響17輸入仿真和輸出仿真203.4中心頻率、通頻帶、放大倍數(shù)的計算224 心得體會255 參考文獻26

2、前言高頻諧振放大器廣泛應用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)中，如在發(fā)射設備中，為了有效地使信號通過信道傳送到接收端，需要根據(jù)傳送距離等因素來確定發(fā)射設備的發(fā)射功率，這就要用高頻諧振放大器將信號放大到所需的發(fā)射功率；在接受設備中，從天線上感應到的信號是非常微弱的，一般在級，要將傳送的信號恢復出來，需要將信號放大，這就需要用高頻小信號諧振放大器來完成。高頻功率放大器的主要功能是放大高頻信號，并且以高效輸出大功率為目的。它主要應用于各種無線電發(fā)射機中。發(fā)射機中的振蕩器產(chǎn)生的信號功率很小，需要經(jīng)過多級功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。高頻功放的輸出功率范圍，可以小到便攜式發(fā)射機的毫瓦級，大到無線

3、電廣播電臺的幾十千瓦，甚至兆瓦級。目前，功率為幾百瓦以上的高頻功率放大器，其有源器件大多為電子管，幾百瓦以下的高頻功率放大器則主要采用雙極晶體管和大功率場效應管。已知能量（功率）是不能放大的，高頻信號的功率放大，其實質是在在輸入高頻信號的控制下將電源直流功率轉換成高頻功率，因此除要求高頻功放產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應要求具有盡可能高的轉換效率。應當指出，盡管高頻功放和低頻功放的共同特點都要求輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度相差很大，因此存在著本質的區(qū)別。低頻功放的工作頻率低，但相對頻帶很寬。工作頻率一般在20-20000Hz，高頻端與低頻端之差達1000倍。所以，低頻功放

4、的負載不能采用調諧負載，而要用電阻，變壓器等非調諧負載。而高頻功放的工作頻率很高，可由幾百千赫到幾百兆赫，甚至幾萬兆赫，但相對頻帶一般很窄。例如調幅廣播電臺的頻帶寬度為9kHz，若中心頻率取900kHz，則相對頻帶寬度僅為1%。因此高頻功放一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載，故也稱為諧振功率放大器。近年來，為了簡化調諧，設計了寬帶高頻功放，如同寬帶小信號放大器一樣，其負載采用傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，寬帶功放常用在中心頻率多變化的通信電臺中。低頻功率放大器可以工作在甲類狀態(tài)，也可以工作在乙類狀態(tài)，或甲乙類狀態(tài)。乙類狀態(tài)要比甲類狀態(tài)效率高。為了提高效率，高頻功放多工作在丙類狀態(tài)。為了進一步提高高頻

5、功放的效率，近年來又出現(xiàn)了D類，E類和S類等開關型高頻功率放大器。1 高頻LC諧振功率放大器原理1.1原理電路圖1 諧振功率放大器的基本電路圖1是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率。晶體管作為一個電流控制器件，它在較小的激勵信號電壓作用下，形成基極電流iB，iB控制了較大的集電極電流iC，iC流過諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉換為高頻功率的任務。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類狀態(tài)下工作，為了保

6、證在丙類工作，基極偏置電壓應使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負值，即靜態(tài)時發(fā)射結為反偏。此時輸入激勵信號應為大信號，一般在0.5V以上，可達1到2V，甚至更大。 晶體管的作用是將供電電源的直流能量轉變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關控制作用。線路特點：(1) LC諧振回路作為晶體管的負載起到選頻濾波以及阻抗匹配的作用。(2)電路工作在丙類工作狀態(tài)以保證電路效率較高；基極負偏壓（或零偏壓）。關系式：(1)外部電路關系式： (2)晶體管的內部特性:(3)（半）導通角： 根據(jù)晶體管的轉移特性曲線可得：即集電極的導通角是由輸入回路決定的。必須強調指出：集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然

7、能得到正弦波形的輸出。1.2高頻功率放大器的特性曲線圖2 諧振功率放大器的轉移特性曲線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，使之一部分轉變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?，另一部分功率以熱能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 圖解分析法的步驟： (1)測出晶體管的轉移特性曲線及輸出特性曲線，并將這兩組曲線折線化處理；(2)作出不同工作狀態(tài)下的動態(tài)特性曲線；(3)根據(jù)激勵電壓的大小在特性曲線上畫出對應輸出電壓和電流脈沖的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的

8、外部供電電壓或負載的變化將如何影響輸出電壓、輸出電流、輸出功率、效率等指標的。晶體管的特性曲線及其特性方程：由圖可見，在放大區(qū)，有轉移特性方程：所以，集電極電流隨激勵而正向變化。在飽和區(qū)，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關。因此有臨界線方程：在截止區(qū)，有方程： (當 時)圖3 晶體管的輸入和輸出特性曲線諧振功率放大器的動態(tài)特性曲線（負載線）高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗、激勵電壓、供電電壓等4個參量決定的。如果, 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。所謂動態(tài)特性是和靜態(tài)特性相對應而

9、言的，在考慮了負載的反作用后，所獲得的 的關系曲線就叫做動態(tài)特性。圖4 功率及效率隨負載變化的波形1.3功率放大器的三種工作狀態(tài)在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進入飽和區(qū)，將放大器的工作狀態(tài)分為三種情況：(1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流在臨界線的右方(2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區(qū)(3)臨界工作狀態(tài)：欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。1.4高頻功率放大器的外部特性 高頻放大器的負載阻抗、激勵電壓、供電電壓、4個外部變量會影響放大器的工作狀態(tài)、功率及效率等。對應的影響關系分別為：RL欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoUc1PoRL欠壓

10、區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)PDPc圖5 高頻功率放大器的負載特性UcmIcmlIcoUbm過壓臨界欠壓O圖6 高頻功率放大器的振幅特性圖7 高頻功率放大器的調制特性2 高頻LC諧振功率放大器電路設計2.1實驗電路參數(shù)計算 晶體管2N2222A的主要參數(shù)為：主要技術指標： 交流電壓放大倍數(shù)： 輸出交流電壓峰-峰值：中心頻率：15MHz 通頻帶寬：2.2高頻LC諧振功率放大器設計電路圖8功率放大器設計電路3 高頻諧振功率放大器電路的仿真與分析3.1EWB軟件簡介隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。電子設計自動化

11、（EDA）技術，使得電子線路的設計人員能在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測試直至印刷電路板的自動設計。EDA是在計算機輔助設計（CAD）技術的基礎上發(fā)展起來的計算機設計軟件系統(tǒng)。與早期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動化程度更高、功能更完善、運行速度更快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性。電子工作平臺Electronics Workbench (EWB)軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺軟件，它具有這樣一些特點： (1)采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機屏幕上

12、模仿真實實驗室的工作臺， 繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選?。?(2)軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。 (3)EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。 (4)作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。 (5)EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。(6)用EWB進行仿真模擬實驗，實驗過程非常接近實際操作的效果。各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會象實際操作那樣多次地把元件焊下而損

13、壞器件和印刷電路板。使電路調試變得快捷方便。(7)不但提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件, 還提供了各種豐富的調試測量工具：各種電壓表、電流表、示波器、指示器、分析儀等。是一個全開放性的仿真實驗和課件制作平臺,給我們提供了一個實驗器具完備的綜合性電子技術實驗室。(8)EWB（電子學工作平臺）為我們提供了一個很好的實用工具，使我們能夠在教學過程中隨時提供實驗、演示和電路分析。因此非常適合電子類課程的教學和實驗。這次課程設計，我們將了解EWB軟件的初步知識和基本操作方法。3.2軟件界面介紹圖9 主窗口圖10 元件庫圖11 基本器件庫圖12 信號源庫圖13 指示器件庫圖14 儀器庫圖15 二

14、極管庫3.3 EWB軟件對丙類功放的仿真3.3.1電路仿真圖圖34 電路仿真圖3.3.2負載特性當負載電阻為1K時，電路處于欠壓狀態(tài)：圖9 輸入電壓及直流電流圖10 輸出電壓當負載電阻為2K時，電路處于臨界狀態(tài)：圖11 輸入電壓及直流電流圖12 輸出電壓當負載電阻為3K時，電路處于過壓狀態(tài)：圖13 輸入電壓及直流電流圖14 輸出電壓3.3.3輸入電壓改變時對電路的影響當輸入電壓為100mV時電路處于欠壓狀態(tài)：圖15 集電極直流電流圖16 輸出電壓當輸入電壓為750mV時電路處于臨界狀態(tài)：圖17 集電極直流電流圖18 輸出電壓當輸入電壓為900mV時電路處于過壓狀態(tài)：圖19 集電極直流電流圖20

15、 輸出電壓3.3.4當電源電壓改變時對電路的影響當電源電壓為25V時，電路處于欠壓狀態(tài)：圖21 輸入電壓及集電極電流圖22 輸出電壓當電源電壓為12V時，電路處于臨界狀態(tài)：圖23 輸入電壓及集電極直流電流圖24 輸出電壓當電源電壓為4V時，電路處于過壓狀態(tài)：圖25 輸入電壓及直流電流圖26 輸出電壓3.3.5輸入仿真和輸出仿真圖35 輸入仿真圖36 LC諧振功放的輸出波形3.4 中心頻率、通頻帶、放大倍數(shù)的計算1.中心頻率圖37 LC諧振功放的輸出波特圖圖38 LC諧振功放的輸出波特參數(shù)所以：中心頻率為13.3448MHz2.放大倍數(shù)圖39 LC諧振功放的輸入輸出電壓輸入電壓為350mv，輸出

16、電壓為10.2214v放大倍數(shù)Au=10.2214v/350mv=29.213.通頻帶圖40 LC諧振功放的輸出波特圖圖41 LC諧振功放的輸出波特參數(shù)通頻帶B=X1-X2=15.6792M-12.5917M=2.08M4 心得體會這次課程設計主要是對高頻電路中放大器這部分知識的應用。通過設計高頻放大器，進一步將理論轉化成實踐，并在實踐中檢驗理論。本次課程設計，是設計一個丙類諧振功率放大器。通過分析最大輸出功率與輸出阻抗的關系從而確定匹配網(wǎng)絡，進而確定電路中的個參數(shù)，從而設計出丙類諧振放大器的電路圖。在設計完電路之后，再用EWB去仿真設計完的電路，通過觀察輸出的電壓的波形與幅值進一步求出輸出功

17、率，驗證是否與理論值相一致。通過觀察不同輸出電阻時的輸出功率，來了解輸出電阻對輸出功率的影響，并驗證理論當中輸出負載對輸出功率的影響。大三上半學期的生活隨著最后一周的高頻電子實習即將結束，我知道，通過這短短一周的學習，可能學到的僅僅是皮毛而已。如果說，以前做高頻實驗增強了我的動手能力，那么，這次的電路設計更加增強了對高頻LC諧振功率放大器性能的了解。更加明白了為什么電路的放大倍數(shù)和通頻帶互相制約和影響，為什么集電極輸出電流為余弦脈沖而真正的輸出信號卻和輸入信號頻率相同。課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題、鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和

18、考察過程。這次的高頻課程設計，加深了我對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力，具備了高頻電子電路的基本設計能力和基本調試能力 。 回顧起此次高頻課程設計，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正學到屬于自己的知識，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到的問題，可以說得是多如牛毛，因為基礎不牢固，再加上缺乏實際設計及動手的經(jīng)驗，所以