高頻功率放大器.

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計(jì)說明書1.原理說明利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。它是無線電發(fā)射機(jī)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。電流導(dǎo)通角愈小放大器的效率愈高。如甲類功放的=180o，效率最高也只能達(dá)50%，而丙類功放的<90o,效率可達(dá)到80%。甲類功率放大器適合作為中間級(jí)或輸出功率較小的末級(jí)功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。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

2、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。1.1高頻功放的主要技術(shù)指標(biāo)1.1.1 功率關(guān)系：功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)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?hào)功率輸出去,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。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。1.1.2 放大器的集電極效率其中集電極電壓利用系數(shù)：波

3、形系數(shù)： 為通角 q 的函數(shù)；q 越小越大。1.1.3 諧振功率放大器臨界狀態(tài)的計(jì)算臨界狀態(tài)下，若已知電源電壓，三極管的參數(shù)，設(shè)電壓利用系數(shù)為，集電極的導(dǎo)通角為。求諧振功率放大器的其余參數(shù)，如功率和效率等。1)首先要求得集電極電流脈沖的兩個(gè)主要參量和導(dǎo)通角q：功率放大器的設(shè)計(jì)原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實(shí)際運(yùn)用中，為兼顧高效率的輸出功率和高效率，通常導(dǎo)通角為6080度。集電極電流脈沖幅值icmax：2）由q 值，查表求得電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)、，并求得各個(gè)分量的實(shí)際值、 。3)根據(jù)：可求得最佳負(fù)載電阻：1.2 功率放大器的負(fù)載特性只在其他條件不變（、 為一定），只變化放大器的負(fù)

4、載電阻而引起的放大器的電流、輸出電壓、功率、效率的變化特性。1.2.1 、 隨負(fù)載變化的波形當(dāng)負(fù)載電阻由小至大變化時(shí)，1.負(fù)載線的斜率由小變大。2. 放大器的工作狀態(tài)由欠壓®過壓®臨界；3. 輸出電壓逐漸增大。4.輸出電流的波形由尖頂脈沖®凹頂脈沖1.2.2 功率及效率隨負(fù)載（工作狀態(tài)）變化的波形： 欠壓狀態(tài) 在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn) 的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓Uc隨負(fù)載電阻RL的增大而增大，而電流、 其基本不變，根據(jù) 則電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少。 臨界狀態(tài) 負(fù)載線和正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較

5、大。 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1.3諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路1.3.1直流饋電電路1. 集電極饋電電路根據(jù)直流電源連接方式不同，集電極電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種， (1) 串饋電路 指直流電源、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。、為低通濾波電路，A點(diǎn)為高頻地電位，既阻止電源中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號(hào)流入直流電源。(2) 并饋電路 指直流電源、負(fù)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。如圖為高頻扼流圈，為高頻旁路電容，避免高頻信號(hào)流入直流電源，為高頻

6、輸出耦合電容。 2. 基極饋電電路基極饋電電路也分串饋和并饋兩種 1）基極偏置常采用自給偏置電路；-串饋2）由負(fù)電源-U分壓供給基極偏置電壓；-串饋3）零偏壓；-串饋圖1-3-1 基極饋電形式 1.3.2 輸出回路和級(jí)間耦合回路 1. 級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò)對(duì)于中間級(jí)而言，最主要的是應(yīng)該保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級(jí)功放穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，而效率則降為次要問題。多級(jí)功放中間級(jí)的一個(gè)很大問題是后級(jí)放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵(lì)電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個(gè)變化反映到前級(jí)回路，會(huì)使前級(jí)放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。此時(shí)，若前級(jí)原來工作在欠壓狀態(tài)，則由于負(fù)載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。2. 輸

7、出匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)常常是指設(shè)備中末級(jí)功放與天線或其他負(fù)載間的網(wǎng)絡(luò)。這種匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、p型、T型網(wǎng)絡(luò)及耦合回路。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能與要求是匹配、濾波、和高效率。需要匹配的原因：當(dāng)調(diào)諧功率放大器工作于最佳負(fù)載值時(shí)的功放的效率較高，輸出功率較大。在實(shí)際電路中，放大器所要求的最佳電阻需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)和終端負(fù)載（如天線等）相匹配。匹配的原理：通過改變匹配回路的可調(diào)元件，將負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換成放大管所要求的最佳負(fù)載阻抗，使管子送出的功率能盡可能多的饋至負(fù)載。 L型匹配網(wǎng)絡(luò)具有電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很低（通常Q<10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實(shí)際的發(fā)射機(jī)中常

8、常用T型或型網(wǎng)絡(luò)作匹配之用。2.高頻功率放大器設(shè)計(jì)電路中參數(shù)簡(jiǎn)單計(jì)算依據(jù)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。2.1丙類功率放大器的設(shè)計(jì)2.1.1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PD=Ucc*Ico=132.3mW集電極損耗功率為P= PD PC =32.3mW轉(zhuǎn)換效

9、率為= PC / PD =100/132.3=75.6%當(dāng)本級(jí)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/AP=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/ IB1M5.3V2.1.2諧振回路和耦合回路參數(shù)計(jì)算丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25,則輸入阻抗87.1則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為6.4在這里，我們假設(shè)取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則7.036H采用10mm

10、5;6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因?yàn)橛衅渲?=100H/m , A=, =25mm, L =7.036H所以計(jì)算得N2=72.2甲類功率放大器的設(shè)計(jì)2.2.1電路性能參數(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(jí)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最佳負(fù)載電阻為=0.5k則射極直流負(fù)反饋電阻1780 (ICM)則輸出變壓器線圈匝

11、數(shù)比2本級(jí)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(jí)輸入電壓0.46V2.2.2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2.95K（1）設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流ICQ一般0.82mA之間選取為宜。

12、設(shè)計(jì)電路中取： Ic=1.5mA ； Re=1K可得重要參數(shù)： VBQ=VEQ+VBEQ=1.5V+0.7V=2.2V VCEQ=VCC-VEQ=12V-1.5V=10.5V Rb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3mA=7.3 K（2）諧振回路參數(shù)計(jì)算回路總電容： CZ=1/(2f0) 2L=150.35pf回路電容： C=CZ-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf（3）確定其它電容參數(shù) 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0.011uf3. 高頻功率放大器電路設(shè)計(jì)3.

13、1 甲類諧振放大器 根據(jù)設(shè)計(jì)要求與參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)的一級(jí)甲類諧振放大器如圖3-1-1所示。通過選定基極偏置電阻值等方面使晶體管Q1工作在甲類狀態(tài)，其中L1、L2、C3、C4、R5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(hào)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。 圖 3-1-1 一級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)為了提高增益，本次電路采用了兩級(jí)甲類放大，其級(jí)聯(lián)的單元電路如圖3-1-2所示。選頻回路參數(shù)選擇一致。采用級(jí)聯(lián)的方式是犧牲通頻帶來換取高的電壓增益的。圖3-1-2 兩級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)3.2 丙類高功放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(shí)設(shè)計(jì)的單元

14、電路如下圖所示。 圖3-2 丙類功放原理圖3.3 總體電路圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的總體電路圖如圖3-3所示圖 3-3 高頻功率放大器設(shè)計(jì)總圖4.電路仿真4.1 所用軟件Multisim簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，許多電路設(shè)計(jì)都可以通過計(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，大大減輕了工作量。其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀性，為電子專業(yè)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測(cè)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)。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

15、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。 Multisim的特點(diǎn)：（1）直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。（2）豐富的元器件庫：Multisim大大擴(kuò)充了EWB的元器件庫， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的

16、擴(kuò)充和更新服務(wù)。（3）豐富的測(cè)試儀器： 除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是，所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。（4）完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)分

17、析儀和頻譜分析儀。（5）強(qiáng)大的仿真能力：Multisim 既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡妫绕涫切略隽松漕l(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。 本次課程設(shè)計(jì)電路就是利用Multisim軟件進(jìn)行繪圖并仿真的。4.2 仿真測(cè)試電路仿真測(cè)試電路如圖4-2所示，其中示波器1通道測(cè)輸入信號(hào)源波形，2通道測(cè)一級(jí)甲類放大電路輸出波形，3通道測(cè)二級(jí)甲類放大電路輸出波形，4通道測(cè)丙類功放的最終輸出波形。當(dāng)可變電容C3調(diào)到70%，C6調(diào)到45%時(shí)，輸出波形較為穩(wěn)定，放大效果較好。此時(shí)可發(fā)現(xiàn)LED發(fā)光，表示功率放大器正常工作，

18、即電壓合適。圖4-2 仿真測(cè)試電路4.3 仿真波形4.3.1 輸入信號(hào)仿真波形輸入波形信號(hào)如圖4-3-1所示，由仿真示波器可以看到輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為5.85MHz，峰峰值為99.8mv的正弦波信號(hào)。圖4-3-1 輸入信號(hào)4.3.2 一級(jí)甲類放大波形經(jīng)過第一級(jí)甲類放大器后輸出波形如圖6-3所示，其峰峰值增大到527mv，將輸入信號(hào)電壓放大了。圖4-3-2 一級(jí)放大后波形4.3.3 兩級(jí)甲類放大波形經(jīng)過兩級(jí)放大后電壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?.61v，如圖4-3-3所示。圖4-3-3 兩級(jí)放大后波形4.3.4 最終輸出波形信號(hào)最終經(jīng)過丙類放大器放大，峰峰值變?yōu)?1.4V，提高其功率與效率，仿真波形

19、如圖4-3-4所示。圖4-3-4 丙類放大器輸出波5. 結(jié)果分析由于高頻放大器由甲類，丙類混合組成。實(shí)驗(yàn)需要將仿真測(cè)試電路主機(jī)調(diào)試，直到出現(xiàn)穩(wěn)定，理想的正弦波為止。 在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號(hào)參數(shù)就會(huì)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：一方面可能是靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置問題，這就需要對(duì)電路再進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量分析；另一方面可能是選頻、濾波回路L、C等參數(shù)設(shè)置的影響，這個(gè)問題需要進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。 由仿真結(jié)果及觀察波形可知，所設(shè)計(jì)的高頻功率放大器基本滿足了設(shè)計(jì)任務(wù)要求。經(jīng)過第一第二級(jí)甲類放大器后電壓幅值增大了，最終輸出也大大提高了輸出功率，因此也驗(yàn)證了理論知識(shí)的正確性和設(shè)計(jì)方

20、法的可行性。6. 心得體會(huì)回顧起此次高頻課程設(shè)計(jì)，我感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在將近兩星期的日子里，我們遇到過很多麻煩。如：調(diào)試電路時(shí)發(fā)現(xiàn)波形不穩(wěn)，放大倍數(shù)不夠高等問題。但我們都通過討論解決了。我們從中學(xué)到了很多東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)，我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中，也發(fā)現(xiàn)了自己許多不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜，不僅要參考一定資料，還要自己對(duì)各參數(shù)的意義有一定的理解。若計(jì)算參數(shù)不對(duì)，將會(huì)直接影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。短短的一周這么快就過去了，我感覺到收獲確實(shí)不小，感覺還是自己動(dòng)手去做、自己去深入地想才能真正的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，平常上課聽是可以聽懂，但是真正的應(yīng)用還是感覺到知識(shí)的匱乏，因?yàn)楦杏X所學(xué)的東西在一時(shí)之間根本穿不到一塊去，所以感覺很多問題都比較棘手。真正意識(shí)到自己仍需努力！7. 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）北京：高等教育出版社，2004 3 路而紅等虛擬電子實(shí)驗(yàn)室北京：人民郵電出版社