高頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2012年 2月 24日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　課程 高頻電子線路</p><p>　　題目 高頻功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　專業(yè)

2、 姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等</p><p><b>　　1、主要內(nèi)容</b></p><p>　　利用所學(xué)的高頻電路知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)高頻功率放大器。通過(guò)本次電路設(shè)計(jì)，掌握高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)方法、電路調(diào)諧及測(cè)試技術(shù)。加深對(duì)高頻電子線路課程理論知識(shí)的理解，提高電路設(shè)計(jì)及電子實(shí)踐能力。

3、</p><p><b>　　2、基本要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)高頻功率放大器，主要技術(shù)指標(biāo)為：</p><p>　　(1) 工作中心頻率；</p><p><b>　　(2) 輸出功率；</b></p><p><b>　　(3) 負(fù)載電阻；<

4、;/b></p><p><b>　　(4) 效率。</b></p><p><b>　　3、主要參考資料</b></p><p>　　[1] 陽(yáng)昌漢. 高頻電子線路. 哈爾濱：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[2] 張肅文，陸兆雄. 高頻電子線路(第三版). 北京：高等教育出

5、版社，1993.</p><p>　　[3] 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.</p><p>　　[4] 高吉祥. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　完成期限 2月20日-2月24日 </p><p>　　指導(dǎo)教師

6、 </p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　年 2 月 17 日</p><p><b>　　電路基本原理</b></p><p><b>　　電路原理及用途</b></p><p>　　在通信電路中

7、，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無(wú)線傳輸過(guò)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)，要求輸出的功率越大。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(wú)線電發(fā)射設(shè)備的重要組成部分。在無(wú)線電信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，發(fā)射機(jī)的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)功率表很小，因此在它后面要經(jīng)過(guò)一系列的放大，如緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)等，獲得足夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。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

8、采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。</p><p><b>　?、?、諧振回路的作用</b></p><p>　　利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器成為諧振功率放大器，它是無(wú)線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部件，它有兩個(gè)作用：第一：阻抗變換的作用。第二：濾波作用。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，它是無(wú)線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部件。</p><p

9、>　　所謂阻抗變換就是把實(shí)際負(fù)載阻抗變換為電子管所要求韻負(fù)載阻抗。一般情況下，放大器的實(shí)際負(fù)載阻抗都較小，如天線的輸入阻抗通常只有幾十歐姆，而放大器所要求的負(fù)載通常是幾百歐姆至幾千歐姆，為了使放大器有最大的功率輸出，實(shí)際工作中要求兩者相等。LC并聯(lián)諧振回路可以起到把較小的阻抗變化為其工作狀態(tài)所要求的最佳負(fù)載阻抗的作用。</p><p>　?、?、 功放電路的工作原理</p><p>　

10、　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θc的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導(dǎo)通角θc越小放大器的效率越高。如丙類功放的θc 小于 90，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。</p><p>　　諧振功率放大器的特點(diǎn)：</p><p>　?、佟⒎糯蠊苁歉哳l大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。</p><

11、p>　?、?、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，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。</p><p>　?、?、輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過(guò)放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。</p><p>　　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</p><p

12、><b>　?。?）</b></p><p>　　、、、分別為集電極電流的直流分量、基波分量以及各高次諧波分量的振幅</p><p>　　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（1）直流分量及各次諧波分量</p><p>　　下面僅列出前面幾項(xiàng)的表達(dá)式</p&

13、gt;<p>　　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。</p><p>　　放大器集電極直流電源提供的直流輸入功率為： </p><p>　　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RP上的功率為： </p><p

14、><b>　　集電極的功耗為： </b></p><p>　　放大器集電極能量裝換效率等于輸出功率與電源供給功率之比，即</p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　甲類狀態(tài)，</b></p><p><b>　　乙類狀態(tài)，</

15、b></p><p><b>　　丙類狀態(tài)，</b></p><p>　　可見(jiàn)，工作在丙類狀態(tài)時(shí)，效率最高。由于越小，其工作效率越好，但同時(shí)也對(duì)輸入信號(hào)提高了要求，所以一般選在左右即可。</p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有高頻輸

16、出功率、效率、功率增益和諧波抑制度等。在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，總是根據(jù)放大器的特點(diǎn)，突出其中的一些指標(biāo)，兼顧另外的一些指標(biāo)。例如，對(duì)于發(fā)射機(jī)的輸出級(jí)，其特點(diǎn)是希望輸出功率最高，對(duì)應(yīng)的效率不一定會(huì)最高；對(duì)于單邊帶發(fā)射機(jī)，則要求功率放大器非線性失真盡可能小，也就是諧波抑制度是設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題，顯然在這類功率放大器中，效率不是很高的。</p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)中，主要技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p

17、><b>　?、?、工作中心頻率；</b></p><p><b>　?、?、輸出功率表；</b></p><p><b>　?、?、負(fù)載電阻；</b></p><p><b>　?、取⑿?。</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案<

18、/b></p><p>　　從輸出功率來(lái)看，末級(jí)功放可采用甲類或丙類功率放大器，但要求總效率 η>60%，顯然，只用一級(jí)甲類功放是不能達(dá)到目的的，故采用兩級(jí)功率放大器，第一級(jí)采用甲類功率放大器，第二級(jí)采用丙類功率放大器，其中甲類功放選用晶體管3DG12，丙類功放選擇晶體管3DA1。</p><p>　　由兩級(jí)功率放大器組成的電路總體設(shè)計(jì)方案如下圖所示：</p>

19、<p>　　下面分別介紹各級(jí)的原理及基本關(guān)系式：</p><p><b>　　1、丙類功率放大器</b></p><p>　　⑴、確定放大器工作狀態(tài)</p><p>　　由技術(shù)指標(biāo)效率，放大器的工作狀態(tài)采用臨界工作狀態(tài)，取，所以諧振回路的最佳電阻為：</p><p>　　集電極基極電流振幅為：</p>

20、;<p>　　集電極電流最大值為： </p><p><b>　　其直流分量為：</b></p><p>　　一般取電源，則電源供給的直流功率為：</p><p><b>　　集電極損耗功率為：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)換效率為：>60%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。</p>

21、<p>　　本級(jí)增益即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流時(shí)，輸入功率為：</p><p>　　基極余弦電流最大值為：</p><p>　　基極基波電流振幅為：</p><p>　　所以輸入電壓的振幅為：</p><p>　?、?、計(jì)算諧振回路和耦合回路參數(shù)</p><p>　　丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器

22、耦合方式，其中基極體電阻，則輸入阻抗為</p><p>　　有此得輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：</p><p>　　由經(jīng)驗(yàn)，在這里，我們假設(shè)取N3=3和N1=8</p><p>　　若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則≈60μH</p><p>　　用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁環(huán)來(lái)繞制輸出變壓器，所以有，其中，

23、所以。</p><p>　　⑶ 、基極偏置電路參數(shù)計(jì)算</p><p>　　基極直流偏置電壓為： (其中 )</p><p>　　則射極電阻 （取高頻旁路電容）</p><p><b>　　2、甲類功率放大器</b></p><p>　　⑴、確定放大器工作狀態(tài)</p><p&g

24、t;　　甲類功率放大器輸出功率等與丙類功放的輸入功率，即： </p><p>　　輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即： </p><p>　　設(shè)甲類功率放大器為電路的激勵(lì)級(jí)電路，變壓器效率取0.8，則集電極輸出功率</p><p>　　若取放大器的靜態(tài)電流，則集電極電壓振幅</p><p><b>　　最佳負(fù)載電阻為：</b&

25、gt;</p><p>　　射極直流負(fù)反饋電阻為：</p><p>　　輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：</p><p>　　本級(jí)功放采用3DG12晶體管，取，，即20倍放大倍數(shù)</p><p>　　則輸入功率，放大器輸入阻抗 </p><p>　　若取交流負(fù)反饋電阻，則，本級(jí)輸入電壓≈0.46V</p><

26、;p><b>　?、?、計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)</b></p><p>　　綜上可知時(shí)，晶體管射極電位，，</p><p>　　若基極偏置電流 ，則</p><p>　　所以有≈2.95kΩ</p><p>　　三、電路調(diào)試及仿真分析</p><p>　　利用電子設(shè)計(jì)軟件multisim對(duì)電路仿真，在

27、軟件multisim中繪制出仿真電路圖如下圖所示。</p><p>　　對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試高頻放大器的放大效果，在輸入端輸入1KHZ的正弦波信號(hào)，仿真電路圖如下圖所示：</p><p>　　上圖的兩個(gè)波形中，上面是A通道的波形，即輸出波形，下面是B通道，即輸入波形，輸出電壓，，放大增益，,故由Multism仿真測(cè)得設(shè)計(jì)的高頻功率放大器的電壓放大增益。</p><p>

28、;<b>　　四、總結(jié)與體會(huì)</b></p><p>　　高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件,經(jīng)過(guò)五天的對(duì)高頻功率放大器電路的設(shè)計(jì)，使我對(duì)高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。此次的高頻課設(shè)，不僅讓我加深了對(duì)電子電路理論知識(shí)的理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能

29、力，在設(shè)計(jì)電路時(shí)和同題目成員共同討論解決問(wèn)題，同時(shí)設(shè)計(jì)出的電路經(jīng)過(guò)Multisim軟件仿真達(dá)到預(yù)期的放大效果，不僅讓我們共同獲得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism軟件的使用。種種在此次學(xué)習(xí)到的知識(shí)或是能力必將有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來(lái)的工作，這也是此次課程設(shè)計(jì)的目的所在。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 陽(yáng)昌漢. 高頻電

30、子線路. 哈爾濱：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[2] 張肅文，陸兆雄. 高頻電子線路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993.</p><p>　　[3] 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.</p><p>　　[4] 高吉祥. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2

31、002.</p><p>　　[5] 王志剛，龔杰星．現(xiàn)代電子線路[M]．北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2003：32～47．</p><p>　　[6] 胡宴如，耿蘇燕．高頻電子線路[M]．北京：高等教育出版社，2009：56～95．</p><p>　　東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表</p><p>　　指導(dǎo)教師：