高頻丙類功率放大器的設(shè)計

1、目錄1引言12丙類功率放大器原理22.1諧振功率放大器22.1.1諧振功率放大器的基本電路22.1.2線路特點22.1.3關(guān)系式22.2諧振功率放大器的功率和效率22.2.1放大器的功率22.2.2放大器的集電極效率32.3功率放大器的負(fù)載特性32.3.1欠壓狀態(tài)42.3.2臨界狀態(tài)42.3.3過壓狀態(tài)42.4丙類諧振功率放大器的偏置電路43丙類功率放大器電路設(shè)計53.1確定放大器的工作狀態(tài)53.2丙類功率放大器的偏置電路：53.3選頻網(wǎng)絡(luò)53.4各參量的確定54丙類功率放大器電路的仿真與分析74.1EWB軟件簡介74.2仿真結(jié)果與分析94.2.1仿真電路與測試94.2.2 丙類功率放大器的負(fù)

2、載特性124.2.3 輸入信號幅度的變化對功率放大器的影響134.2.4 直流電壓源電壓對功率放大器的影響145總結(jié)16參考文獻(xiàn)171引言高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號，并且以高效輸出大功率為目的。主要應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機(jī)中。高頻信號的功率放大，實質(zhì)是在輸入高頻信號的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功率放大器產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路丙類功率放大器半導(dǎo)通角q90°，理想效率

3、h78.5%，負(fù)載為選頻回路。電子實習(xí)，是以學(xué)生自己動手動腦，并親手設(shè)計、制作、組裝與調(diào)試為特色的。它將基本技能訓(xùn)練，基本工藝知識和創(chuàng)新啟蒙有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)我們的實踐能力和創(chuàng)新精神。作為信息時代的大學(xué)生，僅會書本理論是不夠的，基本的動手能力是一切工作和創(chuàng)造的基礎(chǔ)和必要條件。鑒于無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，本次課設(shè)對于通信專業(yè)的學(xué)生意義重大。本次課設(shè)研究內(nèi)容包括：在理解丙類放大器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計丙類功率放大器并利用電路仿真軟件EWB對功放的主要性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測試，同時觀察高頻丙類功率放大器的負(fù)載特性及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、總效率的影響并且研究直流電源電壓對高頻

4、丙類功率放大器工作狀態(tài)的影響。2丙類功率放大器原理2.1諧振功率放大器2.1.1諧振功率放大器的基本電路圖1 基本電路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。2.1.2線路特點1諧振回路LC是晶體管的負(fù)載2電路工作在丙類工作狀態(tài)；基極負(fù)偏壓（或零偏壓）2.1.3關(guān)系式1外部電路關(guān)系式：2晶體管的內(nèi)部特性：3（半）導(dǎo)通角根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：故得：即集電極電流的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的2.2諧振功率放大器的功率和效率2.2.1放大器的功率功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈ィ?/p>

5、另一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率Pc。根據(jù)能量守衡定理：直流功率：輸出交流功率： - 回路兩端的基頻電壓 - 基頻電流- 回路的負(fù)載阻抗 2.2.2放大器的集電極效率 集電極電壓利用系數(shù)波形系數(shù)，為通角 q 的函數(shù)；q 越小越大2.3功率放大器的負(fù)載特性負(fù)載特性：只在其他條件不變（、 為一定），只變化放大器的負(fù)載電阻RL而引起的放大器的電流、輸出電壓、功率、效率的變化特性。 圖2 負(fù)載特性2.3.1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(fù)載電阻的增大而增大，而電流，基本不變，根據(jù)則電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。2.3.2臨界狀態(tài)

6、 負(fù)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)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。2.3.3過壓狀態(tài) 放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的加大，要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。2.4丙類諧振功率放大器的偏置電路基極饋電電路分串饋和并饋兩種。1基極偏置常采用自給偏置電路；-串饋2由負(fù)電源分壓供給基極偏置電壓；-串饋 3零偏壓；-并饋串饋 串饋 并饋圖3 基極偏置電路3丙類功率放大器電路設(shè)計題目：設(shè)計一高頻功率放大器。主要技術(shù)指標(biāo)： =12V，輸出功率100mW，工作中心頻率6.5MHz，效率50%，負(fù)載=51。3.1確定放大器的工作狀態(tài)為獲得較高的效率及最大輸

7、出功率，放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)。3.2丙類功率放大器的偏置電路： 圖4 偏置電路此電路利用基極電流的直流分量在R上的降壓得到偏置電壓，另加高頻旁路電容。它的優(yōu)點是偏置電壓隨輸入信號電壓大小起自動調(diào)節(jié)作用。3.3選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振電路，輸出電路為負(fù)載與電容部分連接的抽頭并聯(lián)振蕩回路如圖圖5抽頭電路3.4各參量的確定取q=70°，=400mV，隔直電容均為0.01uF，高頻扼流圈電感值均為47uF 得70.2mV = / q（70°）=160.95mA = ·q（70°）=40.7mA 得電源供給的直流功率為 488.65mW得放大器的轉(zhuǎn)

8、換效率為= / =81.86%得C1=150pF，得C2=118pF取因為又已知所以得圖6 電路連接圖4丙類功率放大器電路的仿真與分析4.1EWB軟件簡介加拿大Interactive Image Technologies公司推出的EWB(Electronics Workbench)是一個非常優(yōu)秀的專門用于電子電路設(shè)計與仿真的軟件，與其他電路仿真軟件(Protel99)相比，具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點。他改變了一般電路仿真軟件輸入電路必須采用文本方式的不便，創(chuàng)建電路選用元器件和測試儀器等均可直接從屏幕上器件庫和儀器庫中直接選取。電子電路的分析、設(shè)計與仿真工作蘊(yùn)含于輕點鼠標(biāo)之間，不僅為電子電路設(shè)

9、計者帶來了無盡的樂趣，而且大大提高了電子設(shè)計工作的質(zhì)量和效率。 圖7 EWB主窗口圖8 元件庫和信號欄庫EWB的元件庫不僅提供了數(shù)千種電路元件供選用，而且還提供了各種元器件的理想值，因此，仿真的結(jié)果就是該電路的理論值，這對于驗證電路原理，開發(fā)、設(shè)計新電路極為方便。下圖為EWB軟件應(yīng)用實例（低通濾波器電路設(shè)計）圖9 EWB軟件應(yīng)用實例 EWB提供了6種基本分析方法和7種高級分析方法，即直流工作點(DC Operating Point)分析、交流頻率(AC Frequency)分析、瞬態(tài)(Transient)分析、傅里葉(Fourier)分析、失真(Distortion)分析、噪聲(Noise)分

10、析、傳遞函數(shù)(Transfer Function)分析、零一極點(Pole-Zero)分析、靈敏度(Sensitivity)分析、溫度掃描(Temperature Sweep)分析、參數(shù)掃描(Parameter Sweep)分析、蒙特卡羅(Monte Carlo)分析、最壞情況(Worst Case)分析。圖10低通濾波器實例輸出圖11 低通濾波器波特圖分析由以上兩圖可見EWB軟件提供的基本分析方法實用，直觀，形象。4.2仿真結(jié)果與分析4.2.1仿真電路與測試圖12電路圖圖13信號源圖14 輸入波形圖15 輸出波形4.2.2 丙類功率放大器的負(fù)載特性圖13-1、13-2、13-3描述了負(fù)載由大

11、到小的變化過程，即丙類功率放大器由過壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負(fù)載較大時，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的 加大，下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。圖16-1 丙類功放電路輸出波形（=65） 圖162 丙類功放電路輸出波形（=51）圖163 丙類功放電路輸出波形（=20）4.2.3 輸入信號幅度的變化對功率放大器的影響圖14-1、14-2、14-3描述了輸入信號幅度由大到小的變化過程，即丙類功率放大器由過壓經(jīng)臨界再到

12、飽和的過程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(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)，電源功率基本不變、輸出功率基本不變，效率將增加，效率基本不變。圖171 丙類功放電路輸出波形（=5V）圖172 丙類功放電路輸出波形（=3V）圖173 丙類功放電路輸出波形（=1.0V）4.2.4 直流電壓源電壓對功率放大器的影響圖15-1、15-2、15-3描述了直流電壓源電壓由小到大的變化過程，即丙類功率放大器由過壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在

13、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)，輸出電壓的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。圖181 丙類功放電路輸出波形（=3V）圖182 丙類功放電路輸出波形（=12V）圖183丙類功放電路輸出波形（=20V）5總結(jié)通過本次課程設(shè)計，利用電路仿真軟件EWB對功放的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)測試，結(jié)論如下： 在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負(fù)載較大時，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的 加大，下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(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)，電源功率基本不變、輸出功率基本不變，效率將增加，效率基本不變。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)，輸出電壓的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。 參考文獻(xiàn)1 曾興文、劉乃安、陳健高頻電子線路北京：高等教育出版社，20072 張肅文等高頻電子線路（第四版）