高頻電子線路課程設(shè)計---高頻諧振功率放大器

1、<p>　　課程名稱：高頻電子線路</p><p>　　設(shè)計課題： 高頻諧振功率放大器 </p><p>　　系 別： 機電工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級： 電子信息工程 </p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p&g

2、t;　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間： 2009/12/7 — 2009/12/12 </p><p><b>　　高頻諧振功率放大器</b></p><p><b>　　設(shè)計者：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p&

3、gt;<p>　　摘要：本電路主要由諧振回路、耦合回路、基極偏置電路三部分組成。本電路主要應(yīng)用于發(fā)射機的末級功率放大，突出特點為有較高的輸出功率和效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高頻；甲類功放；丙類功放；諧振</p><p>　　引言：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，這是無線電發(fā)射機中的重要單元電路。根據(jù)放大器中晶體管工作狀態(tài)的不同或晶體管電流導(dǎo)通

4、角θ的范圍，可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角越小，放大器的效率越高。丙類放大器的導(dǎo)通角θ＜90%，效率η可達到80％，高頻功率放大器一般選擇在丙類工作狀態(tài)。本設(shè)計采用甲類功放輸出的最大不失真信號作為激勵源，丙類功放作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)與要求</b></p><p>　　設(shè)計一

5、個高頻諧振功率放大器。</p><p>　　技術(shù)要求：輸出功率P0=3W ,工作中心頻率f0≈6.5MHz ,效率η>50 % ，負(fù)載RL=50Ω,電源電壓VCC=9V,2△f0.7=3.25MHz</p><p><b>　　方案設(shè)計與論證</b></p><p>　　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

6、流導(dǎo)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(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ＝180°，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％。甲類放大器電流的流通角為180°，適用于小信號低功率放大。乙類放大器導(dǎo)通角等于180°；丙類放大器導(dǎo)通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最

7、高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。綜上考慮本設(shè)計采用甲類功率放大器作為激勵級，丙類功率放大器作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。基本電路如圖1所示。</p><p>　　圖1 高頻功率放大器基本電路</p><

8、p>　　本設(shè)計要求輸入6.5MHz信號經(jīng)功率放大器放大輸出一個信號, 再經(jīng)過阻抗變換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高頻輸出交流電壓，其基本框圖如下所示。</p><p>　　圖2 高頻功放原理框圖</p><p>　　單元電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p>　　3.1 確定功率放大器最佳負(fù)載R0</p><p>　　(圖3) </p&

9、gt;<p>　　設(shè)晶體管飽和電壓降為1 V ,　　　VCC= 9 V</p><p>　　R0=(VCC- VCE(SAT))²/2P0</p><p>　　=(9-1)²/(2×3)Ω=10.7Ω</p><p>　　3.2 靜態(tài)工作點</p><p>　　VEQ= =(9-1)V=8V

10、 圖3 Q2集電極調(diào)諧回路</p><p>　　ICQIEQ=VEQ/Re=8/1.6A=5A</p><p>　　VCQ= VEQ+VCE=(8+1)V=9V</p><p>　　3.3 晶體管Q2的選擇</p><p><b>　　集電極基波電流振幅</b></p>

11、<p>　　Icm1=VCM/ R0</p><p>　　= [VCC- VCE(SAT) ]/R0=(9-1)/10.7A=0.74A</p><p>　　為了獲得較高的效率及最大的輸出功率　　選取θc= 70°：</p><p>　　a0(70°)=0.253 a1(70°)=0.43

12、6，</p><p>　　集電極電流脈沖的最大值　　ICM=Icm1/ a1(70°)=0.74/0.436A=1.75A</p><p>　　直流分量　　Ic0=ICM×a0(70°)=1.75×0.253A=0.43A</p><p>　　電源供給的直流功率　　P== VCCIc0=9×0.43W=3.9W<

13、;/p><p>　　集電極的耗散功率　　PC=P=- P0=(3.9-3)W=0.9W</p><p>　　放大器的轉(zhuǎn)換效率　　?= P0/P==3/3.9=77%</p><p>　　最大管耗　　PCM≥0.2P0</p><p>　　集電極與發(fā)射極擊穿電壓　　URCEO≥2 VCC </p><p>　　即　　URC

14、EO≥18V</p><p>　　晶體管C1970的主要參數(shù)： 特征頻率f=175MHZ 額定輸出功率P0=5W </p><p>　　集電極與發(fā)射極擊穿電壓URCEO=40V 集電極額定電流Ic0=600mA</p><p>　　所以選用晶體管C1970. </p><p>　　3.4 諧振回路及耦合回路的參數(shù)：</p

15、><p>　　并聯(lián)到LC回路上的總損耗電導(dǎo)為=1/(QLW0L), QL===2</p><p>　　go1=1/RO，gi2=1/RL</p><p>　　初級抽頭比為P1= N2/N4= ①</p><p>　　初次級匝數(shù)比P2= N3/N4= ②</p><p&g

16、t;<b>　　由①、②得</b></p><p>　　N3/N2= =0.3 </p><p>　　取N3=2,N2=6</p><p>　　若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容C=60pF, 回路電容C=CC3+C3</p><p>　　(CC3=2～5pF, C3=57pF)得回路電感為</p><p

17、>　　L=1/[(2πf0)²C]=1/[(2π×6.5×)²×60×]µH=10µH</p><p><b>　　得出N4= N3</b></p><p><b>　　N4 ≈11 </b></p><p>　　Ap= P0/ Pi

18、 Ap隨Pi變化而變化（Pi為輸入功率）。</p><p>　　總原理圖及元器件清單</p><p>　　總原理圖如圖4所示。由圖可知，Q2中由LC單回路構(gòu)成集電極負(fù)載，它調(diào)諧與放大器的中心頻率。LC回路與本級集電極電路的連接采用自耦變壓器形式（抽頭電路），與下級負(fù)載的連接采用變壓器耦合。采用這種自耦變壓器－變壓器耦合形式，可以減弱本級輸出導(dǎo)納與下級晶體管輸入導(dǎo)納對LC回路的影響，

19、同時適當(dāng)選擇初級線圈抽頭位置與初次級線圈的匝數(shù)比，可以使負(fù)載導(dǎo)納與晶體管的輸出導(dǎo)納相匹配，以獲得最大的功率增益。為了避免寄生耦合，對集電極電源進行濾波。</p><p>　　丙類功放所需元器件清單如下表所示：</p><p><b>　　元件清單表</b></p><p>　　圖4 高頻功率放大器電路原理圖</p><p

20、>　　5 末級丙類放大器的仿真</p><p>　　5、1構(gòu)造實驗電路（直接用信號源代替甲類激勵模擬）</p><p>　　利用EWB軟件繪制如圖5所示的高頻諧振功率放大器實驗電路。 </p><p>　　圖5 高頻諧振功率放大仿真電路</p><p>　　圖中，各元件的名稱及標(biāo)稱值如下表所示。</p><p

21、>　　5、2 動態(tài)性能測試</p><p>　　(1)輸入輸出電壓波形</p><p>　　當(dāng)接上信號源Ui時，開啟仿真器實驗電源開關(guān)，雙擊示波器，調(diào)整適當(dāng)?shù)臅r基及A、B通道的靈敏度，即可看到如圖6所示的輸入、輸出波形。 </p><p>　　圖6 高頻諧振功率放大器輸入、輸出波形圖</p><p><b>　　(2)調(diào)整工

22、作狀態(tài)</b></p><p>　　1分別調(diào)整負(fù)載阻值為5 kΩ、100 kΩ，可觀測出輸入輸出信號波形的差異。</p><p>　　2分別調(diào)整信號源輸出信號頻率為1MHz、6.5MHz，可觀測出諧振回路對不同頻率信號的響應(yīng)情況。</p><p>　　3分別調(diào)整信號源輸出信號幅度為100mV、400mV，可觀測出高頻功率放大器對不同幅值信號的響應(yīng)情況。&

23、lt;/p><p>　　圖7 高頻諧振功率放大器工作于欠壓狀態(tài)輸入、輸出波形圖</p><p>　　圖8 高頻諧振功率放大器工作于過壓狀態(tài)輸入、輸出波形圖</p><p>　　由圖8可知，工作與過壓狀態(tài)時，功率放大器的輸出電壓為失真的凹頂脈沖。通過調(diào)整諧振回路電容或電感值，可觀測出諧振回路的選頻特性。 </p><p><b>　　

24、6 結(jié)論與心得</b></p><p>　　為期一周的高頻課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，回顧設(shè)計的點點滴滴，我們有太多的收獲，過程是痛苦的，結(jié)果是收獲的。這就是我們這一周來最大的感受。我們是在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中不斷進步的。在此次設(shè)計時我們也遇到了不少的困難和問題，但在同伴們的共同努力下，辛苦的去鉆研、去學(xué)習(xí)，最終都克服了這些困難，使問題得到了解決。通過這一個星期的學(xué)習(xí)，我們都發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識

25、的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。經(jīng)過這次課程設(shè)計，我們對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我們學(xué)到了不少實用的東西，對于一些專業(yè)基礎(chǔ)課有了更深層次的掌握，并且提高了動手能力和獨立解決問題的能力。本周課程設(shè)計不但鍛煉了我們最基本的高頻電子線路的設(shè)計能力，更重要的是讓我們更深刻的認(rèn)識了高頻電子線路這門課程在實際中的應(yīng)用。</p><p><b>　　7

26、 參考文獻</b></p><p>　　《高頻電子線路》 主編：張肅文 出版社：高等教育出版社 2004年11月第四版</p><p>　　《電子線路設(shè)計、實驗、測試》 主 編：謝自美 出版社：華中理工大學(xué)出版 2003年</p><p>　　《高頻電子線路實驗與課程設(shè)計》 楊翠娥主編，哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005