高頻諧振功率放大器課程設計說明書

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　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、

2、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。這里提到的放大級都屬于高頻功率放大器的范疇。實際上高頻功率放大器不僅僅應用于各種類型的發(fā)射機中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設備中都得到了廣泛的應用。</p><p>　　本次課設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

3、，對仿真結(jié)果進行分析，最后總結(jié)課設體會。</p><p><b>　　工程概況</b></p><p>　　高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大， 決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000 Hz，高低頻率之比達1000倍。因此它們都是采用

4、無調(diào)諧負載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺（535－1605 kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10 kHz，如中心頻率取為1000 kHz，則相對頻寬只相當于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此， 高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙

5、類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。</p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　3.1課程設計目的</b></p><p>　　由于高頻振動器所產(chǎn)生的高頻振動信號的功率很小，不能滿足發(fā)射機天線對發(fā)射機的功率要求，所以在發(fā)射之前需要經(jīng)過功率放

6、大后才能獲得足夠的功率輸出。</p><p>　　本次課程設計使通過已學的電路基礎知識，模擬高頻振動功率放大器，使發(fā)射機內(nèi)部各級電路之間信號功率能有效傳輸，這就要求放大器輸入端和輸出端都能實現(xiàn)阻抗匹配。即放大器輸入端阻抗和信號阻抗匹配，放大器輸出端阻抗和負載阻抗匹配。</p><p>　　3.2設計思路及方法</p><p>　　3.2.1基于Multisim的高頻

7、功率放大器的仿真</p><p>　　Multisim是一個專門用于電子電路仿真和設計的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。在進行仿真的過程中，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

8、的高頻仿真設計和功能，是目前眾多仿真電路所不具備的。</p><p>　　3.2.2放大器分類 </p><p>　　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。根據(jù)放大器電流導通角θ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。電流導通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ＝180o，效率最高也只能達到50％，而丙類功放的θ＜90%，效率η可達到80

9、％。如圖表1-1</p><p>　　表1-1 不同工作狀態(tài)時放大器的特點</p><p><b>　　3.2.3阻抗匹配</b></p><p>　　高頻放大器是發(fā)射機的重要組成部分，它的主要任務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！</p><p><

10、b>　　3.2.4設計指標</b></p><p><b>　　（1）輸出功率</b></p><p>　　高頻功率放大器的輸出功率是指放大器的負載RL上得到的最大不失真功率。由于負載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

11、輸出功率，即Po=PC。</p><p>　　（2）效率

12、 </p>

13、<p>　　高頻功率放大器的總效率由集電極的效率和輸出網(wǎng)絡的傳輸效率決定。而輸出網(wǎng)絡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。</p><p><b>　　η= Po/ PD</b></p><p>　　電路通過測量來計算功放的效率。集電極回路諧振時

14、，</p><p>　　式中，Ic0——電流表mA的測量值。</p><p>　　3.3 集電極電流余弦脈沖分解</p><p>　　當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)。</p><p>　　晶體管的內(nèi)部特性為： </p><p>　　ic = gc (eb–

15、VBZ)</p><p>　　它的外部電路關(guān)系式： </p><p>　　eb = –VBB + Vbmcos?t</p><p>　　ec = VCC –Vcmcos?t</p><p><b>　　當t=0時， </b></p><p>　　ic = ic max</p>

16、<p><b>　　因此， </b></p><p>　　ic max = gcVbm(1–cos c)</p><p>　　若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得 </p><p>　　ic =Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+…+Icmncosnt+…</p><p>　　由傅里葉級數(shù)的求

17、系數(shù)法得</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　圖3.3尖頂脈沖的分解系數(shù)</p><p>　　由圖可見，當qc≈120°時，Icm1/Ic max達到最大值。在Ic max與負載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達到最大值。這樣看來，取qc=120°應該是最佳通角了。但此時放大器處于甲級工作狀態(tài)效

18、率太低。為了兼顧效率和功率，常常取導通角70度左右。</p><p>　　3.4 高頻功率放大器的分析方法</p><p>　　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，但計算準確度較低。</p><p>　　所謂折線法是將電子器

19、件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進行分析和計算的方法。</p><p>　　對諧振功率放大器進行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量IC0和基頻分量Icm1。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3.4晶體管實際特性

20、和理想折線</p><p>　　3.5 諧振功放基本電路組成</p><p>　　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

21、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是晶體管的負載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。</p><p>　　圖2-2為諧振功率放大器各級電壓和電流波形。</p><p>　　圖3.5諧振功率放大器各級電壓和電流波形</p><p>　　3.6 諧振功率放大器的外部特性</p><p><b>　　3.6

22、.1負載特性</b></p><p>　　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，就叫做放大器的負載特性。</p><p>　　①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)必隨負載電阻R的增大而增大，其輸出功率

23、、效率的變化也將如此。</p><p>　?、谂R界狀態(tài)：負載線和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)。</p><p>　?、圻^壓狀態(tài)：放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載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</p><p>　

24、　圖3.6.1諧振放大器的負載特性</p><p>　　3.6.2集電極調(diào)制特性</p><p>　　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，因而對應于VCEmin的動態(tài)點必定在VBE＝VBEmax的那條特性曲線上移動；當VCC由大減小時，相應的VCEmin也由大減小，放大器的工作

25、狀態(tài)將由欠壓進入過壓，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。</p><p>　　圖3.6.2諧振放大器的集電極調(diào)制特性</p><p>　　3.6.3基極調(diào)制特性</p><p>　　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Vbm一定， VBB自負值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因

26、VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進入過壓狀態(tài)。</p><p>　　圖3.6.3諧振放大器的基極調(diào)制特性</p><p><b>　　3.6.4放大特性</b></p><p>　　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2-8所示。固定

27、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)有欠壓進入過壓；進入過壓后，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。</p><p>　　圖3.6.4 諧振放大器的放大特性</p><p>　　3.7單元電路的設計</p><p>　　3.7.1放大器工作狀態(tài)的確定

28、</p><p>　　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</p><p><b>　　=551.25Ω</b></p><p><b>　　集電極基波電流振幅</b></p><p><b>　　≈0.019A

29、</b></p><p><b>　　集電極電流最大值為</b></p><p>　　=0.019/0.436=43.578mA</p><p><b>　　其直流分量為</b></p><p>　　=*=43.578*0.253=11.025mA</p><p>

30、;　　電源供給的直流功率為</p><p>　　PD=Ucc*Ico=132.3mW</p><p><b>　　集電極損耗功率為</b></p><p>　　P= PD – PC =32.3mW</p><p><b>　　轉(zhuǎn)換效率為</b></p><p>　　η= PC

31、 / PD =100/132.3=75.6%</p><p>　　當本級增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流β=10時，有：</p><p><b>　　輸入功率為</b></p><p>　　P1=P0/AP=5mW</p><p>　　基極余弦電流最大值為</p><p>　　IBM

32、= ICM /β ≈ 4.36Ma</p><p><b>　　基極基波電流振幅</b></p><p>　　=4.36 0.436=1.9mA</p><p>　　所以輸出電壓的振幅為</p><p>　　UBM =2 P1/ IB1M≈5.3V</p><p>　　3.7.2諧振回路和耦合回路

33、參數(shù)計算</p><p>　　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<25Ω,</p><p><b>　　則輸入阻抗</b></p><p><b>　　≈87.1Ω</b></p><p>　　則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為</p><p>&

34、lt;b>　　≈6.4</b></p><p>　　在這里，我們假設取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則</p><p><b>　　≈7.036μH</b></p><p>　　采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因為有</p><

35、p>　　其中 </p><p>　　μ=100H/m , A=, =25mm, L =7.036μH</p><p><b>　　所以計算得N2=7</b></p><p>　　3.8甲類功率放大器的設計</p><p>　　3.8.1電路性能參數(shù)計算</p><p&

36、gt;　　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：</p><p>　　PH = P1 =5mW</p><p>　　輸出負載等于丙類功放輸入阻抗，即</p><p>　　RH = =87.1Ω</p><p>　　設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</p><p>

37、;　　PC = ≈6.25mW</p><p>　　若取放大器的靜態(tài)電流ICC = ICM=5mA，則集電極電壓振幅</p><p>　　UCM =2 PC / ICM =2.5V</p><p><b>　　最佳負載電阻為</b></p><p><b>　　=0.5kΩ</b></p>

38、;<p>　　則射極直流負反饋電阻</p><p>　　≈1780Ω (≈ICM)</p><p>　　則輸出變壓器線圈匝數(shù)比</p><p><b>　　≈2</b></p><p>　　本級功放采用3DG12晶體管，取β=30 =13dB即20倍放大倍數(shù)</p><p><

39、;b>　　則輸入功率</b></p><p>　　Pi = P0 /= =0.3125mW</p><p><b>　　放大器輸入阻抗</b></p><p>　　Ri= Rbb+β*R3=25Ω+30R3</p><p>　　若取交流負反饋電阻R3=10Ω，則Ri=335Ω</p>&l

40、t;p><b>　　所以本級輸入電壓</b></p><p><b>　　≈0.46V</b></p><p>　　3.8.2靜態(tài)工作點計算</p><p>　　綜上可知Ui=0時，晶體管射極電位</p><p>　　UEQ= ICQ×RE1 = 8.9V</p>&l

41、t;p><b>　　UBQ =9.5V</b></p><p>　　IBQ = ICQ /β=0.17mA</p><p>　　若基極偏置電流I1 =5 IBQ，則</p><p>　　R2 = UBQ /5 IBQ ≈11.2kΩ</p><p><b>　　所以，有</b></p&g

42、t;<p><b>　　≈2.95Kω</b></p><p>　　3.9電路原理圖及仿真圖</p><p>　　圖3.9.1高頻諧振功率放大電路圖</p><p>　　圖3.9.2電路仿真圖</p><p>　　4.課程設計心得體會</p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所

43、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(diào)試能力 。 </p><p>　　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，在整整兩星期的日子里，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

44、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(jié)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(jié)合起來，從理論中得出結(jié)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，所以難免會遇到過各種各樣的問題。同時在設計的過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多

45、的不足之處，比如說發(fā)現(xiàn)自己 對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。</p><p>　　不過，這次實驗的最大收獲就是鍛煉了我獨立思考的能力，由于參數(shù)的計算有點復雜，需要自己獨立思考各個參數(shù)的意義和各個參數(shù)之間的聯(lián)系，這就要求我在設計過程中必須認真思考，絕不能馬虎，否則，算出來的可能就是錯誤答案。而參數(shù)不對，最終將直接影響到仿真的結(jié)果。 </p><p>　　課設的這段日子真的是

46、給我留下了很深的印象。我總結(jié)出，在每次課設中，遇到問題最好的辦法就是請教別人，因為每個人掌握的情況都不一樣，一個人不可能做到處處都懂，必須發(fā)揮群眾的力量，復雜的事情才能夠簡單化。這一點我深有體會，在很多時候，我遇到的困難或許別人之前就遇到過，向他們請教遠比自己在那邊摸索來得簡單，來得快。</p><p>　　雖然我現(xiàn)在已經(jīng)初步學會了如何設計符合要求的高頻諧振功率放大器，但是離真正能夠利用已學的知識自由設計使用電路

47、的還有一段的距離。課設的這段時間我確實受益匪淺，不僅是因為它發(fā)生在特別的實踐，更重要的是我的專業(yè)知識又有了很大的進步，因為進步總是讓人快樂的。</p><p><b>　　5.參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉泉主編. 通信電子線路. 武漢理工大學出版社，2005年1月</p><p>　　[2] 謝自美主編. 電子線路設計

48、83;實驗·測試. 華中科技大學出版社，2006年8月 </p><p>　　[3] 高建新等主編. 電子技術(shù)實驗與實訓. 機械工業(yè)出版社，2006年8月</p><p>　　[4] 趙淑范等主編. 電子技術(shù)實驗與課程設計. 清華大學出版社，2006年8月 </p><p>　　[5] 曾興雯主編. 高頻電子線路. 高等教育出版社出版，2009年11月 &

49、lt;/p><p>　　[6] 張新喜主編. Multisim10電路仿真及應用. 機械工業(yè)出版社出版，2010年2月</p><p>　　[7] 楊翠娥主編. 高頻電子線路實驗與課程設計. 哈爾濱工程大學出版社，2005年1月</p><p>　　[8] 高吉祥主編. 電子技術(shù)基礎實驗與課程設計. 電子工業(yè)出版社，2002年5月</p><p&g