丙類功率放大器課程設(shè)計說明書

1、唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計1 1 前言前言隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，市場對射頻電路的需求越來越大，同時對射頻電路的性能要求也越來越高。丙類諧振功率放大器是位于無線發(fā)射機末端的重要部件，它通常被用作末級功放，以使發(fā)射信號獲得較大的輸出功率和較高的效率。本次課設(shè)用 ewb 軟件對丙類放大器進行了研究，并掌握丙類諧振功率放大器的仿真設(shè)計方法。高頻功率放大器（簡稱高頻功放）主要用于放大高頻信號或高頻已調(diào)波（即窄帶）信號。由于采用諧振回路作負載，解決了大功率放大時的效率、失真、阻抗匹配等問題，因而高頻功率放大器通常又稱為諧振功率放大器。就放大過程而言，電路中的功率管是在截止、放大至飽和等區(qū)域中工

2、作的，表現(xiàn)出了明顯的非線性特性。但其效果:一方面可以對窄帶信號實現(xiàn)不失真放大;另一方面又可以使電壓增益隨輸入信號大小變化，即實現(xiàn)非線性放大。根據(jù)功放電流導(dǎo)通角可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的放大器。丙類諧振功率放大器是位于無線發(fā)射機末端的重要部件，其效率可達到 90%，因此它通常被用作末級功放，以使發(fā)射信號獲得較大的輸出功率和較高的效率。本設(shè)計對 ewb 軟件進行了系統(tǒng)的研究，從而掌握了丙類諧振式功率放大器的仿真設(shè)計方法。唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計2 2 2 丙類功率放大器原理丙類功率放大器原理2.12.1 設(shè)計題目、內(nèi)容及要求設(shè)計題目、內(nèi)容及要求設(shè)計題目：丙類功率放大器的設(shè)計內(nèi)容及

3、要求：1.高頻丙類功率放大器的設(shè)計2.用相關(guān)仿真軟件畫出電路并對電路進行分析與測試3.測量高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)4.觀察高頻丙類功率放大器的負載特性5.研究輸入信號幅度的變化對功率放大器的輸入功率、輸出功率、總效率的影響6.研究直流電源電壓對高頻丙類功率放大器工作狀態(tài)的影響2.22.2 設(shè)計原始資料設(shè)計原始資料模擬電路、高頻電路理論基礎(chǔ)、ewb 軟件、計算機一臺2.32.3 實驗原理實驗原理利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路的功率放大器稱為諧振放大器。如:圖 1 諧振高頻功率放大器原理圖所示。它是無線發(fā)射機中的重要組成部件。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的功率放大器。

4、電流c導(dǎo)通角愈小，放大器的效率愈高。如甲類功放的導(dǎo)通角，效率最高也0=180c只能達到，而丙類功放的導(dǎo)通角,效率可達到。甲類功率放50%c09080%大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本課設(shè)使用的是丙類功率放大器，研究的是是丙類功率放大器的功率及效率。圖 1 諧振高頻功率放大器原理圖唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計32.3.12.3.1 丙類諧振功率放大器的效率與功率丙類諧振功率放大器的效率與功率功率放大器是依據(jù)激勵信號放大電路對電流的控制，起到把集電極電源直流功率變換成負載回路的交流功率的作用。在同樣的直流功率作

5、用條件下，轉(zhuǎn)換的功率越高，輸出的交流功率越大。集電極電源提供的直流功率： 0v式中為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。c0ic0cmcii() 式中，為余弦脈沖的最大值；為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。cmi0c（）式中，為晶體管的導(dǎo)通電壓；為晶體管的基極偏置；為功率放bbubbvbmv大器的激勵電壓振幅。集電極輸出基波功率：式中為回路兩端的基頻電壓，為余弦電流脈沖基頻電流，為回路cuc1ilr的諧振阻抗。集電極效率：式中，為集電極電壓利用系數(shù)；為余弦脈沖的基波分解系數(shù)。1()c功率放大器的設(shè)計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高的輸出效率和高效率，通常。ooc=60802.3.22.3

6、.2 丙類放大器的負載特性丙類放大器的負載特性 欠壓狀態(tài)：在欠壓區(qū)至臨界點 的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負載電cu阻的增大而增大，而電流、基本不變，輸出電流的振幅基本上不lrcmaxc1ic0i隨變化而變化，故輸出功率基本不變。ccu臨界狀態(tài)：負載線和正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態(tài)bu時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。其對應(yīng)的最佳負載電阻值，用表示，pr即：當(dāng)變小時，放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如 c 點所示。集電極輸出電流較pr0c0ccp =i ubbbbbmuucosucarcc c11001u ip12pu2ccccc1lccccui ruu2cccesp0(

7、vu)r2p22c1c c1c1llu11p =u i =i r22r2唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計4大，集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。變大時，放大器處于過pr壓工作狀態(tài)，如 b 點所示。集電極電壓雖然較大，但集電極電流凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。設(shè)計諧振功率放大器為臨界工作狀態(tài)的條件是： 。cccmcesv-u=u式中，為集電極輸出電壓幅度；為電源電壓；為晶體管飽和壓降。cmuccvcesu過壓狀態(tài)：放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載的加大，要下降，lr1ci因此放大器的輸出功率和效率也要減小。輸出

8、電流的振幅將隨的減小而下降，ccv故輸出功率也隨之下降。其負載特性如圖 2 諧振功率放大器的負載特性。2.3.32.3.3 丙類高頻功放的振幅特性丙類高頻功放的振幅特性高頻功放的振幅特性是指只改變激勵信號振幅時，放大器電流、電壓、bu功率及效率的變化特性。由圖 3 高頻功放的振幅特性可以看出，在欠壓區(qū)，、隨的增加而增加，但并不一定是線性關(guān)系。在過壓區(qū)，基本c0ic1icubucu不隨變化，可以認為是恒壓區(qū)，放大等幅信號時，應(yīng)選擇在此狀態(tài)。bu2.3.42.3.4 欠壓、臨界、過壓工作狀態(tài)的調(diào)整欠壓、臨界、過壓工作狀態(tài)的調(diào)整調(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；改

9、變供電電壓；改變偏壓；改變激勵。lrccubbubu方法 1:改變，但、不變：當(dāng)負載電阻由小至大變化時，lrbuccubbulr ic ic c b a icmax 0 180 90 半導(dǎo)通角 t b a c d 3 2 1 負載增大 ube=ub ucc q uces uc1.欠壓狀態(tài) 2.臨界狀態(tài) 3.過壓狀態(tài) rl ucuc 欠壓 過壓 0 臨界 ic1 ic0 uc rl 0 po p1 pc 欠壓 過壓 臨界 rl 圖 2 諧振功率放大器的負載特性唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計5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。方法 2:改變，但、不變：當(dāng)集電極供電電

10、壓由小至大cculrbubbuccu變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。方法 3: 變化，但、不變或變化，但、不buccubbulrbbuccubulr變：這兩種情況所引起放大器工作狀態(tài)的變化是相同的。因為無論是還是bu的變化，其結(jié)果都是引起的變化。當(dāng)或由小到大變化時，放大器bbubeubbubu的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。圖 3 高頻功放的振幅特性唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計63 3 丙類功率放大器電路設(shè)計丙類功率放大器電路設(shè)計3.13.1 實驗電路圖圖 4 為此次課設(shè)的電路圖。3.23.2 放大器電路設(shè)計要求本次課設(shè)要求用 ewb 仿真軟件做出一個符合要求的電路圖，以及對

11、電路的分析和調(diào)試。已知條件：, , ，晶體管為 2n4401，bv =5vf=6.5mhzccv=5vlr =51主要參數(shù)為，管子飽和壓降，, 。30cesu0.6vpa 6db主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率：，取,工作頻率，0p100mw0p =150mwf=6.5mhz效率，負載。50%lr =513.33.3 丙丙類放大器電路分析根據(jù)直流電源連接方式的不同，集電極饋電電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種，如圖 5。 l c c1 lc +vcc a lc c c1 +vcc l c2 (a) 串饋 (b) 并饋 圖 5 集電極饋電電路圖 4 高頻功率放大器電路圖 唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計7串

12、饋電路指直流電源、負載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功 率管三者首尾相接的ccv一種直流饋電電路。、為低通濾波電路，a 點為高頻地電位，既阻止電源1clc中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號流入直流電源。并饋電路 ccv指直流電源、負載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路ccv如圖 5 為高頻扼流圈，為高頻旁路電容，避免高頻信號流入直流電源，cl1c為高頻輸出耦合電容。2c基極饋電電路也分串饋和并饋兩種。基極偏置常采用自給偏置電路-串饋；由負電源-u 分壓供給基極偏置電壓-串饋；零偏壓-串饋。圖 6 基極饋電電路唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計84 4 丙類功率放大器電路的仿真與分

13、析丙類功率放大器電路的仿真與分析4.14.1 ewb 軟件軟件介紹介紹4.1.14.1.1 ewb操作介紹操作介紹ewb 是 electronic workbeach 的縮寫，稱為電子工作平臺，是一種在電子技術(shù)界廣為應(yīng)用的優(yōu)秀計算機仿真設(shè)計軟件，被譽為計算機里的電子實驗室。 其特點是圖形界面操作，易學(xué)、易用，快捷、方便，真實、準(zhǔn)確，使用 ewb 可實現(xiàn)大部分硬件電路實驗的功能。ewb 可以完成電子工作平臺的設(shè)計試驗, 在上面可建立各種電路進行仿真實驗。電子工作平臺的器件庫可為用戶提供 350 多種常用模擬和數(shù)字器件，設(shè)計和試驗時可任意調(diào)用。虛擬器件在仿真時可設(shè)定為理想模式和實模式，有的虛擬器件

14、還可直觀顯示，如發(fā)光二極管可以發(fā)出紅綠藍光，邏輯探頭像邏輯筆那樣可直接顯示電路節(jié)點的高低電平，繼電器和開關(guān)的觸點可以分合動作，熔斷器可以燒斷，燈泡可以燒毀，蜂鳴器可以發(fā)出不同音調(diào)的聲音，電位器的觸點可以按比例移動改變阻值。電子工作平臺的虛擬儀器庫存放著數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表、雙通道 1000mhz 數(shù)字存儲示波器、999mihz 數(shù)字函數(shù)發(fā)生器、可直接顯示電路頻率響應(yīng)的波特圖儀、16 路數(shù)字信號邏輯分析儀、16 位數(shù)字信號發(fā)生器等，這些虛擬儀器隨時可以拖放到工作區(qū)對電路進行測試，并直接顯示有關(guān)數(shù)據(jù)或波形。電子工作平臺還具有強大的分析功能， 可進行直流工作點分析， 暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，高

15、版本的 ewb 還可以進行傅立葉變換分析、噪聲及失真度分析、零極點和蒙特卡羅等多項分析。使用 ewb 對電路進行設(shè)計和實驗仿真的基本步驟是： 1. 用虛擬器件在工作區(qū)建立電路；2.選定元件的模式、參數(shù)值和標(biāo)號；連接信號源等虛擬儀器；4 .選擇分析功能和參數(shù)；5.激活電路進行仿真；6.保存電路圖和仿真結(jié)果。元器件與儀器的連線：當(dāng)元器件和儀器放置好后，就可對元器件和儀器開始連線。先移動鼠標(biāo)到要連接的元器件的端點，此時鼠標(biāo)會變成一個小黑圓點，按下鼠標(biāo)并拖動它，當(dāng)拖動到另一元器件端點時鼠標(biāo)又變成小黑圓點形狀，此時松開鼠標(biāo)按鍵，則兩個元器件間就建立了一根連線。當(dāng)從一個元器件端點往一根連線上連線時，拖動鼠

16、標(biāo)靠近該線時線上會出現(xiàn)一個小黑圓點，此時松掉鼠標(biāo)則該元器件會連接到該連線上，并自動產(chǎn)生一個節(jié)點。同樣，當(dāng)往一個節(jié)點上連線時也是作同樣的操作。只是線與節(jié)點上可以產(chǎn)生不止一個的小黑圓點，分別對應(yīng)不同的方向，連線時應(yīng)注意小黑圓點的朝向。元器件參數(shù)的編輯與修改：用鼠標(biāo)雙擊要編輯的元器件就會彈出該元器件的參數(shù)對話框，用戶可在該對話框中對它的各種參數(shù)進行修改。仿真環(huán)境的設(shè)定：用戶在對電路進行仿真之前，要先對仿真分析環(huán)境進行設(shè)唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計9定。在菜單欄上依次選取 analysis、analysisoption，則彈出analysisoption 對話框，用戶可對其中的仿真環(huán)境參數(shù)進行設(shè)定

17、，如環(huán)境溫度，絕對電流誤差等。對繪制好的電路進行仿真：在上述步驟完成后，按下啟動按鈕即可進行電路仿真。此時用戶可以對電路的工作進行各種分析，如付里葉分析，噪聲分析等等，用鼠標(biāo)雙擊電路中的儀器可以打開儀器面板，通過改變面板上的參數(shù)來改變電路輸入狀態(tài)或查看電路仿真結(jié)果，如改變信號發(fā)生器的輸出波形、幅度和頻率等來改變電路的輸入狀態(tài)，用戶也可以查看它的仿真結(jié)果，如查看萬用表上的指示值，查看示波器上的波形等。4.1.24.1.2 ewb 軟件中各界面介紹軟件中各界面介紹圖 7 函數(shù)信號發(fā)生器和示波器函數(shù)信號發(fā)生器：可以根據(jù)需要產(chǎn)生各種頻率及振幅的正弦波、三角波、方波。雙擊其在工作區(qū)的圖標(biāo)，可以顯示設(shè)置函

18、數(shù)信號發(fā)生器所要產(chǎn)生信號的各種參數(shù)的界面。示波器：是觀察電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果的重要儀器。雙擊示其在工作區(qū)的圖形可以將其接入點電路的波形顯示出來，并可以調(diào)節(jié)各種顯示參數(shù)大小。唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計104.2 實驗電路分析4.2.14.2.1 放大器的工作狀態(tài)放大器的工作狀態(tài)及電路各參數(shù)計算及電路各參數(shù)計算實驗中電路示波器中的波形輸出如圖 9 所示：圖 8 ewb 軟件基本元器件圖 9 仿真電路高頻功放輸出與輸入波形唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計11（圖 9 中上方曲線為輸出電壓波形，下方曲線為輸入電壓波形）1.效率為了獲得較高的效率 和較大的輸出功率,選丙類放

19、得起的工作狀態(tài)為臨1p界狀態(tài)，可由求最佳負載的公式：o=70c得最佳負載為：。rp= 294基波電流振幅為：解得：c1mi=31.94ma集電極電流脈沖的最大值：解得：直流分量：c0cmii()c 0解得：c0i=18. 53ma直流輸出功率：=cc c0p = v i其中：ccv=10v解得：=p =18.53mw功率放大的總效率：2.諧振回路及抽頭回路的電容比2cccesp0(vu)r2p0c1mp2pirc1mcmii()c101p150=80.9%p183.5圖 10 測試電路cmi=73.26ma唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計12由抽頭電路知：總電容：則由：抽頭系數(shù)：若?。簞t求的：

20、3.偏置電路由偏置電路可知:加入后，。bbubbc0ecev =-(i r )(i i )0取，er =10則： bbv =-0.1v則：已知，則bzu =0.6vbmu=2.046v4.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)的測試1.輸出功率高頻功放的輸出功率是指在放大器負載 rl 上得到的最大不失真功率。對于圖 4 所示電路，集電極的輸出功率為高頻功率放大器的輸出功率，即放大器的輸入功率為： 為電流計 m1 測得的電流。c0i2.效率（為高頻毫伏表測量的負載電壓值，為直流毫安表測量值）lucoi22c1c c1c1llu11pu ii r22r20c0ccp =i v1212(c c )c=(c +c )2

21、01w =lc00w =2f1cp=clprp=0.4r2031c=2fl（）bzbbbm(u -u )cos=uc20ll1c0ccpur=pi v3l50 h1c =83.3 f2c =416 f唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計134.34.3丙類功率放大器的負載特性放大器的輸出電壓隨負載電阻的增大而增大,當(dāng)，uclrlr40， ，圖像分別如下圖 11、圖 12、圖 13 所示：lr51lr75圖 11 當(dāng)時，輸出的波形lr40圖 12 當(dāng)時，輸出的波形lr51唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計14圖 11、圖 12、圖 13 描述了負載由小到大的變化過程，即丙類功率放大器由欠壓經(jīng)臨界再到過

22、壓的過程變lr化。通過觀察輸出波形的變化可得：在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負載電阻的增大而增大電源功率不變、輸出功率將增加，管耗culr0p1p將減少，效率將增加。放大器的負載較大時，在過壓區(qū)，隨著負載的加大，lr下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。1c4.44.4輸入信號幅度的變化對功率放大器的影響圖 13 描述了輸入信號幅度由小到大的變化過程，即丙類功率放大器由bm欠壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。通過觀察輸出波形的變化可得：在欠壓區(qū)至臨圖 13 當(dāng)時，輸出的波形lr75 圖 14 輸入信號變化時對丙類功放的影響(a)2.5bm=(b)3.1bm=( )4.5bmc=唐山

23、學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計15界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨輸入信號幅度的增大而增大，電源cbm功率增加、輸出功率將增加，效率將增加。在過壓區(qū)，電源功率基本不o1o變、輸出功率基本不變，效率將增加，效率基本不變。14.54.5高頻功放的集電極調(diào)制特性改變，但、不變，當(dāng)集電極供電電壓由小至大變化時，cclcbbcc放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。由小變大。當(dāng),c8ccv，,圖像分別如下圖 15、圖 16、圖 17 所示：12ccv16ccv圖 15 當(dāng)時，輸出的波形8cc圖 16 當(dāng)時，輸出的波形12cc唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計16直流電壓源電壓由大到小的變化過程，即丙類功率放

24、大器由欠壓經(jīng)臨界cc再到飽和的過程變化。通過觀察輸出波形的變化可得：在欠壓到臨界輸出電壓的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電壓cc的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。cc總結(jié)圖 17 當(dāng)時，輸出的波形ccu16v唐山學(xué)院課程設(shè)計唐山學(xué)院課程設(shè)計17ewb 軟件使用簡單易學(xué)，我們可以在具體的實踐過程中很容易掌握它的功能，使它成為電子設(shè)計時一個得心應(yīng)手的工具。在此次短短一周的課程設(shè)計，我充分應(yīng)用了所學(xué)知識，完成了老師所要求的內(nèi)容，成功的應(yīng)用 ewb 仿真軟件做出了丙類功率放大器的模型。通過課程設(shè)計，是自己更好的掌握課本知識，并更加深入理解所學(xué)東西，達到了手腦

25、結(jié)合的目的。在學(xué)習(xí)中不斷發(fā)現(xiàn)問題，并及時與老師、同學(xué)溝通，互相探討，并解決問題，并在一定程度上培養(yǎng)了自己查閱資料，動手解決實際問題的能力。ewb 軟件在一定程度上方便了電路的設(shè)計，是理想狀態(tài)下的實驗，可以做到無擾計算和測量。與其它電路仿真軟件相比較，ewb 具有界面直觀、操作方便、采用圖形方式創(chuàng)建電路等優(yōu)點，構(gòu)造電路、調(diào)用元器件和測試儀器等都可以直接從窗口圖形中調(diào)出，可以對電子元器件進行一定程度的非線性仿真，不僅測試儀器的圖形與實物相似，而且測試結(jié)果與實際調(diào)試基本相似。使用虛擬測試儀器對電路進行仿真實驗如同置身于實驗室使用真實儀器測試電路，既解決了購買大量元器件和高檔儀器的難處，又避免了儀器損壞等不利因素。軟件直觀的電路圖和仿真分析結(jié)果的顯示形式非常適合于電子類課程課堂和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，是一種非常好的電子技術(shù)實訓(xùn)工具?？梢詮浹a實驗儀器、元件少的不足及避免儀器、元器件的損壞，可以幫助學(xué)生更好地掌握課堂教學(xué)