高頻諧振功率放大器設(shè)計(jì)

1、目錄摘要11. 高頻功率放大器的簡介21.1高頻功率放大器的分類及特點(diǎn)21.2高頻功率放大器的三種工作狀態(tài)31.3功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)31.4 高頻功率放大器的分析方法42 放大器電路分析42.1 諧振功放基本電路組成42.2 集電極電流余弦脈沖分解62.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性72.3.1 諧振功放的三種工作狀態(tài)72.3.2 諧振功率放大器的外部特性83單元電路的設(shè)計(jì)103.1丙類功率放大器的設(shè)計(jì)103.1.1放大器工作狀態(tài)的確定103.1.2諧振回路和耦合回路參數(shù)計(jì)算113.2甲類功率放大器的設(shè)計(jì)123.2.1甲類功放的參數(shù)計(jì)算123.2.2靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算133.3 電路原理圖及元

2、器件清單表144. 電路的仿真155實(shí)物圖及實(shí)物測試166.結(jié)果分析17參考文獻(xiàn)18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，而且通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。所以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。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)理論知識作了一些簡要的介紹，然后在性能指標(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：甲類功放

3、乙類功放 諧振回路 耦合回路 工作狀態(tài)1. 高頻功率放大器的簡介通信電路中，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

4、設(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)用。高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。1.1高頻功率放大器的分類及特點(diǎn)高頻功率放大器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。諧振功率放大器的特點(diǎn)： 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 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

5、能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。 基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。1.2高頻功率放大器的三種工作狀態(tài) 高頻功率放大器的效率是一個(gè)突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等。表1-1為甲、乙、丙三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)。提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態(tài)，但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類狀態(tài)，通過諧振回路的選頻作用，可以濾除放

6、大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。 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90%，效率可達(dá)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(jì)采用甲類功放輸出的最大不失真信號作為激勵(lì)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。甲類功率放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。表1-1 不同工作狀態(tài)時(shí)放大器的特點(diǎn)工作狀態(tài)半導(dǎo)通角理想效率負(fù) 載應(yīng) 用甲類qc=180°50%電阻低頻乙類qc=90°78.

7、5%推挽，回路低頻，高頻甲乙類90°qc180°50%h78.5%推挽低頻丙類qc90°h78.5%選頻回路高頻丁類開關(guān)狀態(tài)90%100%選頻回路高頻1.3功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如，對于發(fā)射機(jī)的輸出級，其特點(diǎn)是希望輸出功率最高，對應(yīng)的效率不一定會最高；對于單邊帶發(fā)射機(jī)，則要求功率放大器非線性失真盡可能小，也就是諧波抑制度是設(shè)計(jì)的主要問題。顯然，在這類功率放大器中，效率是不很高的。1.4 高頻功率

8、放大器的分析方法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)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計(jì)算準(zhǔn)確度較低。所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進(jìn)行分析和計(jì)算的方法。對諧振功率放大器進(jìn)行分析計(jì)算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量IC0和基頻分量Icm1。根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。如圖為晶體管實(shí)際特性和理想折線。理想化折線（虛線）icgceb0VBZ圖1-1 晶體管實(shí)際特性和理想折線2 放大器電路分析

9、2.1 諧振功放基本電路組成如圖2-1所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作。一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB 使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于NPN型管來說，只有在激勵(lì)信號為正值的一段時(shí)間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。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，諧振回路中LC是晶體管的負(fù)載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。圖2-1 高頻功率放大器基本電路圖2-2 諧振功率放大器各級電壓和電流波形2.2 集電極電流余弦脈沖分解當(dāng)晶體管特性

10、曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。晶體管的內(nèi)部特性為： ic = gc (EbVBZ) 外部電路關(guān)系式： Eb= VBB + Vbmcoswt Vce = VCC Vcmcoswt當(dāng)wt=0時(shí)， ic = ic max又因?yàn)榕R界導(dǎo)通時(shí)，Eb=VBz所以，VBZ=Vbmcos qc VBB 因此，由式可得，ic max = gcVbm(1cos qc) 若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得 ic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得q / °a1 /a0 = g1a0a1a2a3a

11、0 , a1 , a2 , a32.01.01.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.50.40.30.20.10-0.05圖2-3 尖頂脈沖的分解系數(shù)由圖可見，當(dāng)qc120°時(shí)，Icm1/Ic max達(dá)到最大值。在Ic max與負(fù)載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達(dá)到最大值。這樣看來，取qc=120°應(yīng)該是最佳通角了。但此時(shí)放大器處于甲級工作狀態(tài)效率太低。為了兼顧效率和功率，常常取導(dǎo)通角70度左右,使功率放大器工作于丙類工作狀態(tài)。2.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性2.3.1 諧振功放的三種工作狀態(tài)在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)

12、入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：欠壓工作狀態(tài)： 集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方；過壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)；臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。如圖2-4為電壓、電流隨負(fù)載變化的波形圖。 ic ic 3 2 1 Im 0 180° 90° 半導(dǎo)通角 wt B A C D 3 2 1 負(fù)載增大 eb=ebmax max VCC Q ec min Vc 1.欠壓狀態(tài) 2.臨界狀態(tài) 3.過壓狀態(tài) Rp Vc Vc圖2-4 電壓、電流隨負(fù)載變化波形2.3.2 諧振功率放大器的外部特性（1）負(fù)載特性如果VCC、VB

13、B、Vb 這幾個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻R 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。欠壓狀態(tài)：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=R* Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。臨界狀態(tài)：負(fù)載線和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。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個(gè)狀態(tài)。過壓狀態(tài)：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R

14、RecrIC1mVC1mIC0欠壓過壓RLRecr欠壓過壓P1P0PCh圖2-5 諧振放大器的負(fù)載特性(2)集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應(yīng)于VCEmin的動態(tài)點(diǎn)必定在VBEVBEmax的那條特性曲線上移動；當(dāng)VCC由大減小時(shí)，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。VC1mIc1mIc0過壓 臨界 欠壓過壓 臨界 欠壓VCCVCChP1P0圖2-6 諧振放大器的集電極調(diào)制特性

15、3單元電路的設(shè)計(jì)3.1丙類功率放大器的設(shè)計(jì)3.1.1放大器工作狀態(tài)的確定因?yàn)橐螳@得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為=551.25集電極基波電流振幅0.019A集電極電流最大值為=0.019/0.436=43.578mA其直流分量為=*=43.578*0.253=11.025mA電源供給的直流功率為PE=Ucc*Ico=132.3mW集電極損耗功率為P= PE PC =32.3mW轉(zhuǎn)換效率為= PC / PE =100/132.3=75.6%當(dāng)本級增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流=10時(shí)，有：輸入功率為P1=P0/A

16、p=5mW基極余弦電流最大值為IBM = ICM / 4.36mA基極基波電流振幅=4.360.436=1.9mA所以輸出電壓的振幅為UBM =2 P1/ IB1M5.3V3.1.2諧振回路和耦合回路參數(shù)計(jì)算集電極諧振回路為部分接入，諧振頻率為諧振阻抗與變壓器線圈匝數(shù)比為式中，為集電極接入初級匝數(shù)。 為初級線圈總匝數(shù)。 為次級線圈總匝數(shù)。因?yàn)槌跫壔芈酚休d品質(zhì)因數(shù)，一般取。由計(jì)算可得N2=23，N1=N3=8,然后便可以根據(jù)設(shè)定的線圈匝數(shù)進(jìn)行繞制。兩類功率放大器的輸入回路亦采用變壓器耦合方式，以使輸入阻抗與前級輸出阻抗匹配。分析表明，這種耦合方式的輸入阻抗為式中，為晶體管基極體電阻，3.2甲類功

17、率放大器的設(shè)計(jì)3.2.1甲類功放的參數(shù)計(jì)算與電壓放大器不同的是功率放大器應(yīng)有一定的功率增益，對于圖3-1所示電路，甲類功率放大器不僅要為下一級功放提供一定的激勵(lì)功率，而且還要將前級輸入的信號，進(jìn)行功率放大，功率增益Ap的表達(dá)式為，其中，Pi為放大器的輸入功率性能參數(shù)計(jì)算。甲類功率放大器輸出功率等于丙類功率放大器的輸入功率，即：PH = P1 =5mW輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即RH =87.1設(shè)甲類功率放大器為電路的激勵(lì)級電路，變壓器效率取0.8，則集電極輸出功率PC =6.25mW若取放大器的靜態(tài)電流ICC = ICM=5mA，則集電極電壓振幅UCM =2 PC / ICM =2.5V最

18、佳負(fù)載電阻為=0.5k則射極直流負(fù)反饋電阻100 (ICM)本級功放采用3DG12晶體管，取=30 =13dB即20倍放大倍數(shù)則輸入功率Pi = P0 /=0.3125mW放大器輸入阻抗Ri= Rbb+*R3=25+30R3若取交流負(fù)反饋電阻R3=10，則Ri=335所以本級輸入電壓0.46V3.2.2靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算綜上可知Ui=0時(shí)，晶體管射極電位UEQ= ICQ×RE1 = 8.9VUBQ =9.5VIBQ = ICQ /=0.17mA若基極偏置電流I1 =5 IBQ，則R2 = UBQ /5 IBQ 11.2k所以，有2.95k3.3 電路原理圖及元器件清單表圖3-1圖3-1由

19、兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1 組成甲類功率放大器，晶體管VT2 組成丙類諧振功率放大器。元器件清單序號品名型號/規(guī)格數(shù)量1三極管 2N221922電感220uH13電容1nF14可變電容60pF25電容100nF56電容100pF27電阻10028電阻1019電阻20210電阻75111可變電阻10k112繞制線圈2表3-14. 電路的仿真5實(shí)物圖及實(shí)物測試圖5-1圖5-26.結(jié)果分析 甲類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，在1dB壓縮點(diǎn)以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時(shí)的通帶起伏小和在不同輸出電平時(shí)的相位和增益不變。它的缺點(diǎn)是效率不高、較大的熱損耗和尺寸大。丙類功放的優(yōu)點(diǎn)是效率