高頻諧振功率放大器課程設(shè)計說明書

1、前言本次課設(shè)報告先是對高頻功率放大器有關(guān)理論知識作了一些簡要的介紹，然后在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計，最后設(shè)計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達(dá)到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后總結(jié)課設(shè)體會。工程概況正文3.1課程設(shè)計目的3.2設(shè)計思路及方法基于Multisim的高頻功率放大器的仿真Multisim是一個專門用于電子電路仿真和設(shè)計的EDA軟件，它具有直觀、方便的操作界面，創(chuàng)建電路、選用元器件和虛擬測試儀器等均可直接從屏幕圖形中選取，操作簡便。它具有完備的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域分析和頻域分析、器件的線性和非線性分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法。在進(jìn)行

2、仿真的過程中，可以存儲測試點的數(shù)據(jù)、測試儀器的工作狀態(tài)、顯示的波形。它先進(jìn)的高頻仿真設(shè)計和功能，是目前眾多仿真電路所不具備的。放大器分類 利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍可以分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)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(dá)到50，而丙類功放的90%，效率可達(dá)到80。如圖表1-1表1-1 不同工作狀態(tài)時放大器的特點工作狀態(tài)半導(dǎo)通角理想效率負(fù) 載應(yīng) 用甲類qc=180°50%電阻低頻乙類qc=90°78.5%推挽，回路低頻，高頻甲乙類90°qc1

3、80°50%h78.5%推挽低頻丙類qc90°h78.5%選頻回路高頻丁類開關(guān)狀態(tài)90%100%選頻回路高頻阻抗匹配高頻放大器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，它的主要任務(wù)是以提高效率輸出最大的高頻功率，因此高頻功率一般工作在丙類，必須是LC諧振回路，以實現(xiàn)阻抗匹配！設(shè)計指標(biāo)（1）輸出功率高頻功率放大器的輸出功率是指放大器的負(fù)載RL上得到的最大不失真功率。由于負(fù)載RL與丙類功率放大器的諧振回路之間采用變壓器耦合方式，實現(xiàn)了阻抗匹配，則集電極回路的諧振阻抗R0上的功率等于負(fù)載RL上的功率，所以將集電極的輸出功率視為高頻功率放大器的輸出功率，即Po=PC。（2）效率 高頻功率放大器的總效

4、率由集電極的效率和輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率決定。而輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率通常是由于電感、電容在高頻工作時產(chǎn)生一定損耗而引起的，放大器的能量轉(zhuǎn)換效率主要由集電極的效率所決定。所以常將集電極的效率視為高頻功放的效率。= Po/ PD電路通過測量來計算功放的效率。集電極回路諧振時， 式中，Ic0電流表mA的測量值。3.3 集電極電流余弦脈沖分解當(dāng)晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。晶體管的內(nèi)部特性為： ic = gc (ebVBZ)它的外部電路關(guān)系式： eb = VBB + Vbmcoswtec = VCC Vcmcoswt， ic = ic max因此

5、， 若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得 ic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得其中q / °a1 /a0 = g1a0a1a2a3a0 , a1 , a2 , a32.01.01.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.50.40.30.20.10-0.05圖3.3尖頂脈沖的分解系數(shù)由圖可見，當(dāng)qc120°時，Icm1/Ic max達(dá)到最大值。在Ic max與負(fù)載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達(dá)到最大值。這樣看來，取qc=120°應(yīng)該是最佳通角了。但此時放大器處于甲級工

6、作狀態(tài)效率太低。為了兼顧效率和功率，常常取導(dǎo)通角70度左右。3.4 高頻功率放大器的分析方法高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計算準(zhǔn)確度較低。所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進(jìn)行分析和計算的方法。對諧振功率放大器進(jìn)行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量IC0和基頻分量Icm1。根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。如圖為晶體管實際特性和理想折線。理想化折線（虛

7、線）icgceb0VBZ臨界線Icgcr過壓區(qū)欠壓區(qū)0 圖3.4晶體管實際特性和理想折線3.5 諧振功放基本電路組成為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作。我們知道，在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB 使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于NPN型管來說，只有在激勵信號為正值的一段時間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。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，諧振回路中LC是晶體管的負(fù)載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。圖2-2為諧振功率放大器各級電壓和電流波形。圖3.5諧振功

8、率放大器各級電壓和電流波形3.6 諧振功率放大器的外部特性負(fù)載特性如果VCC、VBB、Vb 這幾個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻R 決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。欠壓狀態(tài)：B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R* Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。臨界狀態(tài)：負(fù)載線和Eb max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損 耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個狀態(tài)。過壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大

9、，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RRecrIC1mVC1mIC0欠壓過壓RLRecr欠壓過壓P1P0PCVbmVBBP0h圖諧振放大器的負(fù)載特性集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應(yīng)于VCEmin的動態(tài)點必定在VBEVBEmax的那條特性曲線上移動；當(dāng)VCC由大減小時，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。VC1mIc1mIc0過壓

10、臨界 欠壓過壓 臨界 欠壓VCCVCChP1VbmVBBP0h圖諧振放大器的集電極調(diào)制特性基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-7所示。當(dāng)Vbm一定， VBB自負(fù)值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應(yīng)的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。 IC1mIC0欠壓 0 臨界 過壓VbmVBBP0hhP0P1欠壓 0 臨界 過壓VbmVBBP0h圖諧振放大器的基極調(diào)制特性放大特性放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-

11、8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。VC1MIC1MIC0hP0P1欠壓 臨界 過壓欠壓 臨界 過壓VbmVbmVBBP0h圖 諧振放大器的放大特性3.7單元電路的設(shè)計放大器工作狀態(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集電極基波電流振幅0.019A集電極電流最大值為=0.019/0.436=43.578mA

12、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P= PD PC =32.3mW轉(zhuǎn)換效率為= PC / PD =100/132.3=75.6%當(dāng)本級增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流=10時，有：輸入功率為P1=P0/AP=5mW基極余弦電流最大值為IBM = ICM / 4.36Ma基極基波電流振幅=4.36 0.436=1.9mA所以輸出電壓的振幅為UBM =2 P1/ IB1M5.3V諧振回路和耦合回路參數(shù)計算丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25,則輸入

13、阻抗87.1則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為6.4在這里，我們假設(shè)取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則7.036H采用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因為有其中 =100H/m , A=, =25mm, L =7.036H所以計算得N2=73.8甲類功率放大器的設(shè)計電路性能參數(shù)計算甲類功率放大器輸出功率等于丙類功率放大器的輸入功率，即：PH = P1 =5mW輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即RH = =87.1設(shè)甲類功率放大器為電路的激勵級電路，變壓器效率取0.8，則集電極輸出功率PC = 6.25mW若取放大器的靜態(tài)電流ICC =

14、 ICM=5mA，則集電極電壓振幅UCM =2 PC / ICM =2.5V最佳負(fù)載電阻為 =0.5k則射極直流負(fù)反饋電阻 1780 (ICM)則輸出變壓器線圈匝數(shù)比 2本級功放采用3DG12晶體管，取=30 =13dB即20倍放大倍數(shù)則輸入功率Pi = P0 /= =0.3125mW放大器輸入阻抗Ri= Rbb+*R3=25+30R3若取交流負(fù)反饋電阻R3=10，則Ri=335所以本級輸入電壓 0.46V靜態(tài)工作點計算綜上可知Ui=0時，晶體管射極電位UEQ= ICQ×RE1 = 8.9VUBQ =9.5VIBQ = ICQ /=0.17mA若基極偏置電流I1 =5 IBQ，則R2 = UBQ /5 IBQ 11.2k所以，有 2.95K3.9電路原理圖及仿真圖圖高頻諧振功率放大電路圖圖電路仿真圖4.課程設(shè)計心得體會5.參考文獻(xiàn)3 高建新等主編. 電子技術(shù)實驗與實訓(xùn). 機(jī)械工業(yè)出版社，2006年8月4 趙淑范等主編. 電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計. 清華大學(xué)出版社，2006年8月 5