通信電子線路課程設(shè)計(jì)-高頻功率放大器

1、 通信電子線路課程設(shè)計(jì)說明書 高頻功率放大器 系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子0901班 完成時(shí)間： 2011年12月12日 摘 要高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補(bǔ)信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出，通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。 在高頻范圍內(nèi)，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采用高頻功率放大器。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。 本次課設(shè)報(bào)告先是對高頻功率放大器有關(guān)理論知識作介紹，在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)最后

2、設(shè)計(jì)出整體電路圖，在軟件中仿真驗(yàn)證是否達(dá)到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后總結(jié)課設(shè)體會。關(guān)鍵詞 高頻；功率；放大器；通信 ABSTRACTHigh frequency power amplifier is one of the important components of transmission equipment, communications circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have

3、greater power output, communication distance is far, the greater the required output power.In the high-frequency range, in order to obtain a large enough frequency output power, we must use high-frequency power amplifier. Due to the high frequency power amplifier high frequency, relatively narrow ba

4、nd, so commonly used frequency-selective network as a load circuit.The first class report on the high-frequency power amplifier based on the theory of knowledge are introduced, based on the performance analysis of final design of a unit circuit design the whole circuit, in the software simulation is

5、 to achieve the technical requirements, the simulation result is analyzed, finally summed up the experience lesson Key words High frequency；power；amplifier；signal communication目 錄1 高頻功率放大器概述4 1.1 概述 41.2 電路工作原理 4 1.3 高頻功放性能分析 82 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算122.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 12 2.2 參數(shù)計(jì)算 12 2.3 單元電路設(shè)計(jì) 15 2.4 總體電路圖設(shè)計(jì) 17 3 電路仿

6、真與結(jié)果分析 18 3.1 MULTISIM軟件簡介 18 3.2 仿真波形 18 3.2.1 輸入信號波形18 3.2.2 一級放大波形18 3.2.3 最終輸出波形19 3.2.4 結(jié)果分析19心得體會 .參考文獻(xiàn) 致謝 附錄 高頻功率放大器概述1.1 概述在通信電路中，為了彌補(bǔ)信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出，通信距離越遠(yuǎn)，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(jī)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、末級功率

7、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(shí)際上高頻功率放大器不僅僅應(yīng)用于各種類型的發(fā)射機(jī)中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)用。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)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。 高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn)，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、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都

8、工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。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。1.2 電路工作原理 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

9、線性放大，但效率很低，一般只有 20%左右，一般作為發(fā)射機(jī)的中間級，以提供較大的激勵(lì)功率。 利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角 c 的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導(dǎo)通角 c 越小放大器的效率越高。如丙類功放的 c 小于 90，丙類功放通常作為發(fā)射機(jī)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 1-1 所示。諧振功率放大器的特點(diǎn)：（1） 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。（2） 輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。（3） 輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈

10、沖波形。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖 1-2 所示。 由于晶體管工作在丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個(gè)周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級數(shù)可知，一個(gè)周期性函數(shù)可以分解為許多余弦波（或正弦波）的疊加 。可以將電流分解為 iC (t ) = I c 0 + I c1mCost + I c 2 mCos 2t + I cnmCosnt + （5-4）I c 0 I c1m I c 2m I cnm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 在對諧振功率放大器進(jìn)行分析與計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項(xiàng)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

11、下面僅列出前面幾項(xiàng)的表達(dá)式 只要知道電流脈沖的最大值和通角即可計(jì)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;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上的功率為 1.3 高頻功放性能分析 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)。1 諧振功率放大器的動態(tài)特性 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗 Rp、激勵(lì)電壓 vb、供電電壓 VCC、VBB 等 4 個(gè)參量決定的。為

12、了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個(gè)參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。2 功率放大器的負(fù)載特性 如果 VCC、VBB、vb 3 個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻 Rp 決定。此時(shí)，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(fù)載特性。電壓、電流隨負(fù)載變化波形如圖 1-4 所示。 放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為 Vbemax，在負(fù)載電阻 RP 由小至大變化時(shí)，負(fù)載線的斜率由小變大，如圖中 123。不同的負(fù)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(shí)負(fù)載線和

13、eb max 正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，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(shí) B 點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)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(fù)載電阻 RP 的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。過壓狀態(tài)時(shí)放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)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(fù)載特性曲線如圖 1-5 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(fù)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

14、作狀態(tài)。過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。3 放大器工作狀態(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(fù)載 Rp；改變供電電壓 VCC；改變偏壓 VBB；改變激勵(lì) Vb。改變 Rp，但 Vb、VCC、VBB 不變當(dāng)負(fù)載電阻 Rp 由小至大變化時(shí)，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(shí)輸出功率最大。改變 VCC，但 Rp、Vb、VBB 不變 當(dāng)集電極供電電壓 VCC 由小至大變化時(shí)，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(shí)對

15、工作狀態(tài)的影響如圖 1-6 所示： 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(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變 VCC 來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的。改變 VCC 時(shí)，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如圖 1-7 所示。 CC、VBB、Rp 不變，Vbm 變化。當(dāng) Vbm 自 0 向正值增大時(shí)，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(jìn)入過壓狀態(tài)。當(dāng) Vbm 自 0 向正值增大時(shí)，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(jìn)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 1-8 所示。 4 方案論證 在 “低頻電

16、子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為 360 度，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于 180 度；丙類放大器電流的流通角則小于 180 度。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?？墒侨魞H僅是用一個(gè)功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無法做到如此大的功率放大。 綜上，確定電路設(shè)計(jì)由兩個(gè)模塊

17、組成，第一模塊是兩級甲類放大器，第二模塊是一工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)輸出交流功率最大，效率也較高，一般認(rèn)為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。集電極的功耗為：放大器集電極能量裝換效率等于輸出功率與電源供給功率之比甲類狀態(tài)， c 180，50乙類狀態(tài)， 90，78.5丙 類 狀 態(tài) ， c 60 ，89工作在丙類狀態(tài)時(shí)，效率最高電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)50W高頻寬帶功率放大器。要求頻率范圍：87-108MHz,輸入功率1W，輸出功率50W，輸入阻抗50，輸出阻抗50，信噪比優(yōu)于60dB，輸出幅度波動。要求畫出整機(jī)的幅頻特性曲線。2.2

18、 參數(shù)計(jì)算1 甲類諧振放大器參數(shù)計(jì)算 依設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器，設(shè)計(jì)參考電路見圖 3-1 所示。 設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn) 由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流 I CQ 一般在 0.82mA 之間選取為宜。設(shè)計(jì)電路中取 I c = 1.5mA ，設(shè) Re = 1K 。因?yàn)椋?VEQ = I EQ Re VEQ=1.5mA 1K =1.5VVBQ =1.5V + 0.7V = 2.2VVCEQ = VCC VEQ= 12V 2.2V = 9.8V Rb 2 = VBQ /(5 10) I BQ而I BQ = I CQ / = 1

19、.5mA / 50 = 0.03mA則：Rb 2 = VBQ / 10 I BQ = 2.2V / 0.3 = 7.3K取標(biāo)稱電阻 8.2K 因?yàn)椋篟b1 = (VCC VBQ ) / VBQ Rb 2則：Rb1= (12V 2.2V ) / 2.2V 8.2= 36.5 K 諧振回路參數(shù)計(jì)算1）回路中的總電容 C因?yàn)椋?=150.35pf2）回路電容 C 則C= 150.35 pF (12 7 pF ) = 143.04 pF取 C 為標(biāo)稱值 140pf,與 5-20Pf 微調(diào)電容并聯(lián)。3）求電感線圈 N2 與 N1 的匝數(shù)：根據(jù)理論推導(dǎo)，當(dāng)線圈的尺寸及所選用的磁心確定后，則其相應(yīng)的參數(shù)就可

20、以認(rèn)為是一個(gè)確定值，可以把它看成是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)線圈的電感量僅和線圈匝數(shù)的平方成正比， L = KN 2式中：K-系數(shù)，它與線圈的尺寸及磁性材料有關(guān)；N-線圈的匝數(shù)一般 K 值的大小是由試驗(yàn)確定的。當(dāng)要繞制的線圈電感量為某一值 Lm 時(shí)，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)纏繞 10 匝，然后用電感測量儀測出其電感量 LO ，再用下面的公式求出系數(shù) K 值：K = Lo / N o2實(shí)驗(yàn)中，L 采用帶螺紋磁芯、金屬屏蔽罩的 10S 型高頻電感繞制。在原線圈骨架上用0.08mm 漆包線纏繞 10 匝后得到的電感為 2uH。由此可確定K = LO / N O 2=2 106/ 102=2 108要得

21、到 4 uH 的電感，所需匝數(shù)為N= = =14匝最后再按照接入系數(shù)要求的比例，來繞變壓器的初級抽頭與次級線圈的匝數(shù)。因有N1 = p1 N 2而 N 2 = 14 匝 則 N 1 = 0.3 14 = 4.5 匝帶寬的確定 由于 確定耦合電容與高頻濾波電容：耦合電容 C1、C2 的值，可在 1000 pf0.01uf 之間選擇 ，一般用瓷片電容。旁路電容 Ce 、C3、C4 的取值一般為 0.01-1F，濾波電感的取值一般為 220-330uH。2 丙類功放的參數(shù)計(jì)算 確定功放的工作狀態(tài)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(yán)重失真，諧波分量大，

22、為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)，其電流流通角 c 在 60 90 范圍?，F(xiàn)設(shè) c =700。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵(lì)電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。集電極電流余弦脈沖直流 ICO 分解系數(shù) 0 (700 ) = 0.25 ，集電極電流余弦脈沖基波 ICM1分解系數(shù)， 1 (700 ) = 0.44 。設(shè)功放的輸出功率為 0.5W。功率放大器集電極的等效電阻為：集電極基波電流振幅為: =95mA集電極電流脈沖的最大振幅為 =95MA/0.44=216MA集電極電流脈沖的直流分量為 I co =I c max o ( c ) =

23、216 0.25 =54mA電源提供的直流功率為PD = V CC I CO = 12V 54mA = 0.65 w集電極的耗散功率為：PC = PD Po = 0.65 0.5 = 0.15w集電極的效率為 =0.5/0.65=77% 滿足設(shè)計(jì)要求已知： Ap = 13dB 即 Ap = 20 Pi = Po / Ap =0.5 / 20= 25mV基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè) 3DA1 的 =10） =21.6mA 基極基波電流的振幅為：基極輸入的電壓振幅 VBm=2 Pi / I B1m=5.3V基極偏置電路計(jì)算VE= Vbm cos c = 5.3cos 700=1.1V RE= Ve

24、/ I co = 1.1/(54 103 ) = 20 取高頻旁路電容 C E 2 = 0.01 pf計(jì)算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)輸出采用 L 型匹配網(wǎng)路， R p = 110 , RL = 51 R p= (1 + QL 2 ) RL = =(1+ )Ls=2.72uH = =259Pf匹配網(wǎng)路的電感 L 為1.46 H ，電容 C 為 259 pF電源去耦濾波元件選擇高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用 型 LC 低通濾波器，濾波電感 0 可按經(jīng)驗(yàn)取50100H，濾波電感一般取 0.012.3 單元電路設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求與參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)的一級甲類諧振放大器如圖 3-2 所示。通過選定基極偏置電

25、阻值等方面使晶體管 Q1 工作在甲類狀態(tài)，其中 L、C3、C4、R6 構(gòu)成選頻回路，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容 C3 使調(diào)諧回路選出與輸入信號源相同的頻率，在調(diào)諧回路中并聯(lián)一電阻 R，減小回路品質(zhì)因數(shù)從而加寬通頻帶。丙類功放原理圖 由上述丙類功放參數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合丙類功放的理論知識設(shè)計(jì)的單元電路如圖 3-4 所示。2.4 總體電路圖設(shè)計(jì)電路仿真與結(jié)果分析 3.1 MULTISIM軟件簡介 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，電路設(shè)計(jì)可以通過計(jì)算機(jī)輔助分析和仿真技術(shù)來完成。計(jì)算機(jī)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，代替了大包大攬的試驗(yàn)電路，大大減輕驗(yàn)證階段的工作量；其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業(yè)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好

26、的平臺，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足整個(gè)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程的自動化。 Multisim 軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的 EDA 工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具， Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。 本次課程設(shè)計(jì)電路就是利用 multisim 軟件進(jìn)行繪圖并仿真。3.2 仿真波形 3.2.1 輸入信號波形輸入波形信號如圖1所示，由仿真示波器可以看到輸入信號是一個(gè)頻率為8.9MHz，峰峰值為 1.98v 的正弦波信號。 圖1 3.2.2 一級放大波形 經(jīng)過第一級甲類放大器后輸出波形如圖2所示，因調(diào)節(jié)問題，信號有點(diǎn)失真，但將輸入信號電壓放大了。 圖23.2.3 最終輸出波形 3.2.4 結(jié)果分析 由于高頻放大器有甲類，丙類。將上述單元電路按圖 2-12 所示電路進(jìn)行組裝，先將甲、丙類功率放大電路與濾波網(wǎng)絡(luò)相接，再將甲、丙類功率放大電路連接起來，然后再進(jìn)行逐級調(diào)整并級聯(lián)。仿真調(diào)試觀察波形時(shí)，用一示波器各探頭逐一接一、二、三級輸出，逐級調(diào)試。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號參數(shù)就會影響輸出波形質(zhì)量，經(jīng)與同學(xué)討論可能有以下兩方面原因：一方面