課程設計--- 高頻功率放大器設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　學生姓名： 專業(yè)班級： </p><p>　　指導教師： 工作單位： </p><p>　　題 目: 高頻功率放大器設計<

2、;/p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　1、可選元件：晶體管、高頻磁環(huán)、電阻、電容、開關等</p><p>　　2、仿真軟件：EWB</p><p>　　要求完成的主要任務: </p><p>　　設計一個高頻功率放大器，要求</p><p>　　輸

3、出功率Po≥125mW</p><p>　　工作中心頻率fo=6MHz</p><p><b>　　>65%</b></p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　1．理論講解，老師布置課程設計題目，學生根據(jù)選題開始查找資料；</p><p>　　

4、2．課程設計時間為1周。</p><p>　　（1）確定技術方案、電路，并進行分析計算， 時間1天；</p><p>　　（2）選擇元器件、安裝與調(diào)試，或仿真設計與分析，時間2天；</p><p>　?。?）總結結果，寫出課程設計報告，時間2天。</p><p>　　指導教師簽名： 2010年 月

5、日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 諧振功率放大器的工作原

6、理1</p><p>　　1.1 基本原理電路1</p><p>　　2.2 諧振功率放大器的功率關系和效率3</p><p>　　2高頻諧振功率放大器的性能分析4</p><p>　　2.1 諧振功率放大器的動態(tài)特性4</p><p>　　2.2 諧振功率放大器的負載特性4</p><

7、;p>　　2.3 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整6</p><p>　　3 高頻諧振功率放大器的電路組成8</p><p>　　4 高頻諧振功率放大器電路仿真13</p><p><b>　　總結14</b></p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p&

8、gt;<b>　　附錄16</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　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。為獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。我們對高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同要求是輸出功率大和效率高，但由于兩者的工作頻率

9、和相對帶寬相差頗大，就決定了他們之間有根本的差異?；趦煞N放大器的不同特點，使得這兩種功率放大器所選的狀態(tài)有所不同：低頻功放工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)，現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些工作于丁類的低頻放大器；高頻功率放大器則一般工作于丙類（某些特殊情況可工作于甲類、乙類、丁類、戊類等）。</p><p>　　高頻放大器的主要技術指標是輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制等。這幾項指標往往是相互矛盾的，在設計

10、功率放大器時，總是根據(jù)該放大器的工作特點，突出其中一些指標，然后兼顧另外一些指標。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In communication circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in t

11、he attenuation requirements have greater power output, communication, the greater the distance the greater the required output power. In order to obtain a large enough high-frequency output power, high-frequency power am

12、plifier must be used. Our high-frequency power amplifier and low-frequency power amplifier output power of the common requirement is large and high efficiency, but because of</p><p>　　1 諧振功率放大器的工作原理</p>

13、;<p>　　1.1 基本原理電路</p><p>　　圖1.1 諧振功率放大器的基本電路</p><p>　　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^程中起開關控制作用。諧振回路LC是晶體管的負載.電路工作在丙類工作狀態(tài)</p><p><b>　　外部電路關系式： </b></p><p>

14、;<b>　?。ㄊ?.1）</b></p><p><b>　　（式1.2）</b></p><p><b>　　晶體管的內(nèi)部特性：</b></p><p><b>　?。ㄊ?.3）</b></p><p>　　圖1.2 諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線<

15、/p><p>　　故晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線表達式：</p><p>　　Vbmcosc= +VBZ （式1.4）</p><p><b>　　故得：</b></p><p><b>　?。ㄊ?.5）</b></p><p>　　必須強調(diào)指出，

16、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，仍然能得到正弦波形的輸出。</p><p>　　諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖如圖所示：</p><p>　　圖1.3 高頻功率放大器中個分電壓與電流的關系</p><p>　　2.2 諧振功率放大器的功率關系和效率</p><p><b>　　由前述所知：<

17、/b></p><p>　　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，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈ァＳ幸徊糠止β室詿崮艿男问较脑诩姌O上，成為集電極耗散功率。</p><p>　　PDC=直流電源供給的直流功率；</p><p>　　Po=交流輸出信號功率；</p><p>　　Pc=集電極耗散

18、功率；</p><p><b>　　根據(jù)能量守衡定理：</b></p><p>　　PDC= Po+ Pc</p><p><b>　　故集電極效率：</b></p><p><b>　?。ㄊ?.6）</b></p><p>　　由上式可以得出以下兩點結

19、論：</p><p>　　1) 設法盡量降低集電極耗散功率Pc，則集電極效率c自然會提高。這樣，在給定PDC時，晶體管的交流輸出功率Po就會增大；</p><p><b>　　2） 由式可知：</b></p><p>　　如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過規(guī)定值，那么提高集電極效率c，將使交流輸出功率Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方

20、面入手，來提高輸出功率與效率的。</p><p>　　越大(即Vcm越大或ecmin越小),c越小,效率c越高。因此，丙類諧振功率放大器提高效率c的途徑即為減小c角；使LC回路諧振在信號的基頻上，即ic的最大值應對應ec的最小值。</p><p>　　故諧振功率放大器的工作特點是基極偏置為負值；半通角c＜90，即丙類工作狀態(tài)；負載為LC諧振回路。</p><p>　

21、　高頻諧振功率放大器的性能分析</p><p>　　2.1 諧振功率放大器的動態(tài)特性</p><p>　　高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗Rp、激勵電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。</p><p>　　為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。</p><p>

22、　　當放大器工作于諧振狀態(tài)時，它的外部電路關系式為：</p><p>　　eb= –VBB+Vbmcost （式2.1）</p><p>　　ec= VCC–Vcmcost （式2.2）</p><p>　　消去cost可得： </p><p>　　eb= –VBB+Vbm

23、 （式2.3）</p><p>　　另一方面，晶體管的折線化方程為：</p><p>　　ic = gc(eb–VBZ) （式2.4）</p><p>　　得出在ic–ec坐標平面上的動態(tài)特性曲線方程：</p><p>　　= gd(ec– V0)</p>

24、<p><b>　　(式2.5）</b></p><p>　　2.2 諧振功率放大器的負載特性</p><p>　　圖2.1 電壓、電流隨負載變化波形</p><p>　　如果VCC、VBB、vb 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻Rp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

25、性。</p><p>　　1) vc、ic隨負載變化的波形vc、ic隨負載變化的波形如圖所示，放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbemax，在負載電阻RP由小至大變化時，負載線的斜率由小變大，如圖中123。不同的負載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。</p><p>　　2) 欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)</p><

26、;p>　　① 臨界狀態(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。</p><p>　?、谇穳籂顟B(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=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。</p><p>　?、?過壓狀態(tài)。放大器的負載較大，在

27、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>　　根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特性曲線：</p><p>　　圖2.2 負載特性曲線</p><p>　　欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。</p&g

28、t;<p>　　過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。</p><p>　　臨界狀態(tài)的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機的末級常設計成這種狀態(tài)，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態(tài)為例。</p><p>　　2.3

29、 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整</p><p>　　調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵Vb。</p><p>　　1) 改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變 當負載電阻Rp由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。</p><p>　　2) 改變VCC

30、，但Rp、Vb、VBB不變 當集電極供電電壓VCC由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。在過壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實現(xiàn)提供依據(jù)；因為在集電極調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實現(xiàn)調(diào)幅過程的。集電極調(diào)幅電路就是調(diào)制信號使Vcc改變的調(diào)制方式。因此，集電極

31、調(diào)幅要工作在過壓區(qū)。</p><p>　　3) VCC、VBB、Rp不變，Vbm變化。當Vbm自0向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓狀態(tài)。</p><p>　　因此，在欠壓區(qū)可以實現(xiàn)線性放大，在過壓區(qū)則可作為限幅器。諧振功放的放大特性是指放大器性能隨Vbm 變化的特性。</p><p>　　3 高頻諧振功率放大器的電路組成

32、</p><p>　　丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴重失真，諧波分量大，所以一般選用臨界狀態(tài)。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵電壓、基極偏壓、集電極負載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。</p><p>　　從輸出功率Po>500mw來看，末級功放可采用甲類或丙類功率放大器，但要求總效率η>50%，顯然，只

33、用一級甲類功放是不能達到目的的，故采用兩級功率放大器，第一級采用甲類功率放大器，第二級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><b>　　其參數(shù)的設定：</b></p><p>　　功放的基極偏置電壓是利用發(fā)射極電流的直流分量在射極電阻上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當放大器的輸入信號為正弦波時，則

34、集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路的選頻作用可輸出基波諧振電壓、電流。</p><p>　　當功率放大器的電源電壓，基極偏置電壓，輸入電壓（或激勵電壓）確定后，如果電流導通角θ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載電阻。</p><p>　　當交流負載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點A時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和管壓降，集電極電流脈沖接近最大值。</p&

35、gt;<p>　　整個電路的原理圖如圖3.1所示：</p><p><b>　　總圖3.1總電路圖</b></p><p>　　下面對電路具體參數(shù)進行推算：</p><p>　　1）確定功放的工作狀態(tài) </p><p>　　對高頻功率放大器的基本要

36、求是,盡可能輸出大功率、高效率，為兼顧兩者，通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài)，其電流流通角在600—900范圍?，F(xiàn)設=700。</p><p>　　查表3-1得：集電極電流余弦脈沖直流ICO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈沖基波ICM1分解系數(shù)，。設功放的輸出功率為0.5W。</p><p>　　功率放大器集電極的等效電阻為：</p><p><b>　　（式3.

37、1）</b></p><p>　　集電極基波電流振幅為：</p><p><b>　　（式3.2）</b></p><p>　　集電極電流脈沖的最大振幅為： </p><p><b>　?。ㄊ?.3）</b></p><p>　　集電極電流脈沖的直流分量為：

38、</p><p><b>　?。ㄊ?.4）</b></p><p>　　電源提供的直流功率為：</p><p><b>　　（式3.5）</b></p><p>　　集電極的耗散功率為：</p><p><b>　?。ㄊ?.6）</b></p>

39、;<p><b>　　集電極的效率為：</b></p><p><b>　?。ㄊ?.7）</b></p><p><b>　　已知： 即</b></p><p><b>　　則輸入功率：</b></p><p><b>　?。ㄊ?/p>

40、3.8）</b></p><p>　　基極余弦脈沖電流的最大值（設3DA1的=10）：</p><p><b>　　（式3.9）</b></p><p>　　基極基波電流的振幅為：</p><p><b>　?。ㄊ?.10）</b></p><p>　　得基極輸入

41、的電壓振幅為：</p><p><b>　?。ㄊ?.11）</b></p><p>　　2）基極偏置電路計算</p><p>　　因 則有 ：</p><p><b>　?。ㄊ?.12）</b></p><p>　　因 則有 ：</p>

42、<p><b>　　（式3.13）</b></p><p><b>　　取高頻旁路電容</b></p><p>　　3）計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)</p><p>　　圖3.2 L型匹配網(wǎng)絡</p><p>　　輸出采用L型匹配網(wǎng)路，</p><p><b&

43、gt;　?。ㄊ?.14）</b></p><p><b>　?。ㄊ?.15）</b></p><p><b>　　（式3.16）</b></p><p><b>　?。ㄊ?.17）</b></p><p><b>　?。ㄊ?.18） </b>&

44、lt;/p><p><b>　　（式3.19）</b></p><p>　　則 （式3.20） </p><p>　　匹配網(wǎng)路的電感L為，電容C為。</p><p>　　4）電源去耦濾波元件選擇</p><p>　　高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡通常采用π型LC低

45、通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗取50～100μH，濾波電容一般取0.01μF。</p><p>　　綜合上述設計，得參考電路如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 帶參數(shù)的總電路</p><p>　　4 高頻諧振功率放大器電路仿真</p><p>　　將上述設計的元件參數(shù)，按圖3.3所示電路進行安裝。先安裝第一級放大器，測量調(diào)整其靜態(tài)工作

46、點，使其滿足或近似到理論設計值，再安裝第二級放大器。測得晶體管3DA1靜態(tài)時，基極偏置電壓Ube=0，靜態(tài)工作點調(diào)整后在進行動態(tài)調(diào)試。</p><p>　　先假定諧振回路已經(jīng)處于諧振狀態(tài)，即集電極的負載電阻為純阻抗。但是回路的初始狀態(tài)或者在調(diào)諧過程中，回路出現(xiàn)失諧狀態(tài)，即集電極回路的阻抗呈感性或呈容性，將使回路的等效阻抗下降。這時集電極輸出電壓減小，集電極電流增大，集電極的耗散功率增加，嚴重時可能損毀晶體管。為保

47、證元器件安全工作，調(diào)諧時可以先將電源電壓降低到規(guī)定值的，待找到諧振點后，再將升到規(guī)定值，然后微調(diào)一下回路參數(shù)就可以了?；芈分C振時，高頻電壓表的讀數(shù)應達到最大值，直流毫安表的讀數(shù)為最小值，示波器檢測的波形為不失真基波。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　高頻功率放大器在通信電子電路中占著十分重要的地位。通過這次實驗，我感覺自己收獲了許多：高頻

48、功率放大器是發(fā)射機的重要組成部分，通過本次設計電路，使我更深刻的認識了，高頻功率放大器的工作原理，負載阻抗、輸入激勵電壓、電源電壓等對高頻諧振功率放大器工作狀態(tài)的影響；復習了對高頻功率放大器的設計方法，并且對高頻諧振功率放大器的調(diào)諧、調(diào)整和主要技術指標的測量方法有了新的認識，使我受益匪淺；這次實驗也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，這就要我在設計過程中必須認真思考，還不能

49、馬虎，否則，算出來的可能就是錯誤答案。而參數(shù)不對，也將會直接影響到實驗的結果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 杜武林，張爵勝.高頻電路原理與分析. 西安：西北電訊工程學院出版社，1986</p><p>　　[2] 張肅文. 高頻電子線路（第二版，上冊）. 北京：高等教育出版社，1984</p

50、><p>　　[3] 吳秀玲，沈偉慈. 高頻電子線路. 西安：西安電子科技大學出版社，1995</p><p>　　[4] 張肅文，陸兆熊. 高頻電子線路. 北京：高等教育出版社，1993</p><p>　　[5] K.K.克拉克，D.T.希斯. 通信電路：分析與設計. 北京：人民教育出版社，1980</p><p>　　[6]JOSEPH J