高頻電子線路課程設計--高頻功率放大器

1、<p>　　高頻電子線路課程設計與答辯</p><p>　　題 目：高頻功率放大器</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　引言………………………………………………………………1</p><p>　　摘要………………………………………………………………2</p>&l

2、t;p>　　基礎理論…………………………………………………………3</p><p>　　高頻電子線路認知……………………………………………3</p><p>　　功率放大器……………………………………………………3</p><p>　　Multisim12.0簡介…………………………… … …………3</p><p>　　設計內(nèi)容………

3、…………………………………………………4</p><p>　　理論分析…………………………………………………………4</p><p>　　電路圖……………………………………………………………9</p><p>　　仿真結(jié)果……………………………………… ………… ……10</p><p>　　實際與理論的對比分析…………………………… ………

4、 …11</p><p><b>　　總結(jié)分析</b></p><p><b>　　答辯內(nèi)容</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　功率放大器（power amplifier），簡稱“功放”，是指在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以

5、驅(qū)動某一負載（例如揚聲器）的放大器。功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。</p><p>　　功放的工作原理是利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基

6、極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流放大，就完成了功率放大。</p><p>　　常見的種類有射頻功率放大器和高頻功率放大器。其中，高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的

7、選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　高頻諧振功率放大器是一種廣泛應用于無線電通信系統(tǒng)中的基本電子電路.

8、 其高工作頻率和器件的非線性等特點是傳統(tǒng)的分析和設計方法不得不面對的麻煩. 隨著計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代電子電路的設計方式已經(jīng)步入了EDA技術(shù)時代. 如今,EDA 技術(shù)已被廣泛的應用于電子電路設計、仿真、集成電路版圖設計、印刷電路板的設計以及可編程器件的編程等過程中,極大地提高了電子電路與系統(tǒng)的設計質(zhì)量及其效率,越來越受到人們的重視. 采用EDA 技術(shù)對電子產(chǎn)品設計進行前期工作已成為一種發(fā)展的必然趨勢. 但目前流行的眾多通用

9、電路仿真軟件一般不具備高頻電路的仿真分析與設計功能. 本文介紹仿真軟件Multisim 的主要功能特點,并利用其先進的高頻仿真功能對丙類諧振功率放大器特性進行仿真研究。</p><p>　　基 礎 理 論</p><p>　　3.1 高頻電子線路</p><p>　　高頻電子線路是通信工程、電子信息工程等電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程，有很強的理論性、工程性

10、和實踐性。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，高頻電子線路的具體內(nèi)容有了很快的更新?lián)Q代。但是功率放大器作為重要部件，是無法被替代的。</p><p><b>　　3.2 功率放大器</b></p><p>　　功率放大器的主要要求是獲得一定的不失真（或者在一定范圍內(nèi)的失真）的輸出功率，電路通常在大信號狀態(tài)下工作，其工作特點和對電路的要求與電壓放大電路有所不同，主要有：</p

11、><p>　　功率放大器的輸出功率盡可能大，因而需要輸出電壓和電流的的幅值足夠大；</p><p>　　功率放大電路在設計和調(diào)試過程中，必須把非線性失真限制在允許的范圍內(nèi)；</p><p>　　電路末級的三極管都采用功率管，它的極限參數(shù)ICM、U(BR)CEO、PCM等應滿足實際電路工作要求，并要留有一定的余量。由于功率管的管耗較大，在使用時要有散熱裝置，確保安全；&l

12、t;/p><p>　　由于工作在大信號狀態(tài)下，功率管消耗的功率較大，在使用時必須要考慮轉(zhuǎn)換效率和管耗的問題。</p><p>　　3.3 Multisim 12.0簡介</p><p>　　Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，

13、具有豐富的仿真分析能力。</p><p>　　工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計

14、流程。</p><p><b>　　設計內(nèi)容</b></p><p><b>　　4.1 理論分析</b></p><p>　　利用寬帶變壓器作耦合回路的功放稱為寬帶功放。常用寬帶變壓器有用高頻磁芯繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功放不需要調(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般

15、作為發(fā)射機的中間級，以提供較大的激勵功率。 </p><p>　　利用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導通角的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導通角越小放大器的效率越高。如丙類功放的小于900， 丙類功放通常作為發(fā)射機的末級，以獲得較大的輸出功率和較高的功率。丙類諧振功率放大器原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖1諧振功率放大器的基本電路</p

16、><p>　　諧振功率放大器的特點： </p><p>　?。?）放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 </p><p>　?。?）輸出端負載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。 </p><p>　?。?）基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 </p><

17、p>　?。?）輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。 </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(guān)控制作用，諧振回路LC是晶體管的負載。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖2所示。</p><p>　　圖2 功率放大器各分壓與電流關(guān)系</p><p><b>　　由</b></p

18、><p>　　圖3 iC(t)各次諧波的波形示意圖</p><p>　　在對諧振功率放大器進行分析與計算時，關(guān)鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項利用周期函數(shù)傅立葉級數(shù)的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次諧波分量，下面僅列出前面幾項的表達式</p><p>　　于晶體管工作在丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級數(shù)可知，一個周期性函數(shù)可以分解

19、為許多余弦波（或正弦波）的疊加 ?？梢詫㈦娏鞣纸鉃?</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>　　只要知道電流脈沖的最大值和通角即可計算出直流分量、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。放大器集電極直流電源提供的直流輸入功率為</p>&

20、lt;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</p><p>　　功率為 </p><p><b>　　集電極的功耗為 </b></p><p>　　放大器集電極能量轉(zhuǎn)換效率等于輸出功率與電源供給功率之比</p><p>　　甲類狀態(tài)，

21、 ， </p><p>　　乙類狀態(tài)， ， </p><p>　　丙類狀態(tài)， ， </p><p>　　工作在丙類狀態(tài)時，效率最高。</p><p>　　1.2 高功放性能分析 </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

22、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)。</p><p>　　1.2.1 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b、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。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>

23、　　1.2.2 功率放大器的負載特性 </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性。電壓、電流隨負載變化波形如圖4所示。</p><p>　　圖 4 電壓、電流隨負載變化波形</p><p>　　放大器的輸入電壓是一定的，其

24、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1→2→3。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。臨界狀態(tài)時負載線和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。欠壓狀態(tài) 時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

25、大而增大，其輸出功率效率的變化也將如此。過壓狀態(tài)時放大器的負載較大，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。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如圖5所示。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><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

26、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>　　圖5 諧振功率放大器的負載特性曲線</p><p>　　1.2.3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。改變R

27、p，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。改變VCC，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。Vcc變化時對工作狀態(tài)的影響如圖6所示：</p><p>　　圖6 Vcc變化是對工作狀態(tài)的影響</p><p>　　在過壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變

28、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。改變VCC時，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如圖7所示。</p><p>　　圖7 改變VCC時工作狀態(tài)和電流、功率的變化</p><p>　　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)。當Vbm自0向正值增大時

29、，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)。諧振功放的放大 特性是指放大器性能隨Vbm 變化的特性，其特性曲線如圖8所示。</p><p>　　圖8 Vbm 變化的特性</p><p><b>　　4.2 電路圖</b></p><p><b>　　4.3 仿真結(jié)果</b></p>

30、<p>　　總 結(jié) 分 析</p><p>　　本次課設利用Multisim 軟件平臺對高頻丙類諧振功率放大器進行了仿真研究,給出了其各種外部特性仿真分析結(jié)果,現(xiàn)實了其功能驗證. Multisim是一個優(yōu)秀的高頻電路仿真分析軟件,其強大的射頻仿真分析功能改變了傳統(tǒng)的高頻電子電路的分析、設計方法,為設計出更合理、更優(yōu)化的電子電路與系統(tǒng)提供了一個快捷、高效的新途徑。</p><p

31、>　　通過以上對比分析，可知，理論與實際是有差別的。在整個課程設計完成后，總的感覺是有收獲。以前上課都是學一些基本的東西，現(xiàn)在運用學到得的東西做出有實際應用價值的東西,對所學知識點進一步的理解，并進行系統(tǒng)化。在這個過程中，學到了很多在書本上學不到的東西，了解更多有關(guān)于Multisim軟件的知識，對Multisim軟件的操作更加熟練。了解了高頻電子線路的發(fā)展過程和應用領域。在做設計的過程中，犯了很多的錯誤，有時是手誤，但更多對知識理