高頻諧振功率放大器設計

1、 201 - 201 學年第學期 ××××××××課程設計報告題目:專業(yè):班級:姓名:指導教師:成績:電氣工程系201 年月日目錄摘要 (11設計目的及意義 (12 高頻功率放大器簡介 (11.1 高頻功率放大器的分類 (11.2 高頻功率放大器的主要技術指標. (21.3 功率放大器的三種工作狀態(tài) (21.4 高頻功率放大器的分析方法 (33 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 (52.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性 (74 單元電路的設計 (113.1 丙類功率放

2、大器的設計 (113.2 甲類功率放大器的設計 (123.3 電路原理圖 (143.4 電路仿真圖 (155 電路的安裝與調(diào)試 (166 課程設計心得體會 (18參考文獻 (19附錄1 (20摘要高頻功率放大器是發(fā)送設備的重要組成部分之一,通信電路中,為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出,而且通信距離越遠,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)絡作為負載回路。本次課設報告先是對高頻功率放大器有關理論知識作了一些簡要的介紹,然后在性能指標分析基礎上進行單元電路設計,最后設

3、計出整體電路圖,在軟件中仿真驗證是否達到技術要求,對仿真結果進行分析,最后總結課設體會。關鍵詞:高頻諧振功率放大器諧振回路耦合回路工作狀態(tài)1.設計目的及意義由于高頻振動器所產(chǎn)生的高頻振動信號的功率很小,不能滿足發(fā)射機天線對發(fā)射機的功率要求,所以在發(fā)射之前需要經(jīng)過功率放大后才能獲得足夠的功率輸出。本次課程設計使通過已學的電路基礎知識,模擬高頻振動功率放大器,使發(fā)射機內(nèi)部各級電路之間信號功率能有效傳輸,這就要求放大器輸入端和輸出端都能實現(xiàn)阻抗匹配。即放大器輸入端阻抗和信號阻抗匹配,放大器輸出端阻抗和負載阻抗匹2.高頻功率放大器簡介在通信電路中,為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的

4、功率輸出,通信距離越遠,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。實際上高頻功率放大器不僅僅應用于各種類型的發(fā)射機中,而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設備中都得到了廣泛的應用。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點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

5、,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。例如,自20至20000 Hz,高低頻率之比達1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負載,如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高(由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz,但相對頻帶很窄。例如,調(diào)幅廣播電臺(535-1605 kHz的頻段范圍的頻帶寬度為10 kHz,如中心頻率取為1000 kHz,則相對頻寬只相當于中心頻率的百分之一。中心頻率越高,則相對頻寬越小。因此,高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。由于這后一特點,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(

6、限于推挽電路狀態(tài);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。2.1 高頻功率放大器的分類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換器件,它將電源供給的直流能量轉換成為高頻交流輸出。諧振功率放大器的特點:放大管是高頻大功率晶體管,能承受高電壓和大電流。輸出端負載回路為調(diào)諧回路,既能完成調(diào)諧選頻功能,又能實現(xiàn)放大器輸出端

7、負載的匹配?；鶚O偏置電路為晶體管發(fā)射結提供負偏壓,使電路工作在丙類狀態(tài)。輸入余弦波時,經(jīng)過放大,集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。2.2 高頻功率放大器的主要技術指標高頻功率放大器的主要技術指標有:輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度等。這幾項指標要求是互相矛盾的,在設計放大器時應根據(jù)具體要求,突出一些指標,兼顧其他一些指標。例如,對于發(fā)射機的輸出級,其特點是希望輸出功率最高,對應的效率不一定會最高;對于單邊帶發(fā)射機,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計的主要問題。顯然,在這類功率放大器中,效率是不很高的。2.3 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突出的

8、問題,其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關系。放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等,圖1-1為甲、乙、丙三種狀態(tài)時的晶體管集電極電流波形。表1-1為甲、乙、丙三種工作狀態(tài)的特點。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重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)很大,不能采用諧振回路作負載,因此一般工作在甲類狀態(tài);采用推挽電路時可以工作在乙類狀態(tài);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,可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分,選出基波

9、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。 甲類乙類丙類圖1-1 放大器的三種工作狀態(tài)表1-1 不同工作狀態(tài)時放大器的特點 2.4 高頻功率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,但計算準確度較低。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)特性曲線后進行分析和計算的方法。對諧振功率放大器進行分析計算,關鍵在于求出電流的直流分量I C0和基頻分量I cm1。根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉移特性可用

10、交橫軸于V BZ的一條直線來表示(V BZ為截止偏壓。如圖為晶體管實際特性和理想折線。圖1-2 晶體管實際特性和理想折線bV BZEc3.放大器電路分析3.1 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。我們知道,在一元件(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V BB 使基極處于反向偏壓的狀態(tài),對于NPN 型管來說,只有在激勵信號為正值的一段時間內(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變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關控制作用,諧振

11、回路中LC 是晶體管的負載,電路工作在丙類工作狀態(tài)。 v BB CCi圖2-1 高頻功率放大器基本電路圖2-2為諧振功率放大器各級電壓和電流波形。圖2-2 諧振功率放大器各級電壓和電流波形3.2 集電極電流余弦脈沖分解當晶體管特性曲線理想化后,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:i c = g c (e b V BZ 它的外部電路關系式:e b = V BB + V bm cos t e c = V CC V cm cos t當t=0時,i c = i c max因此,i c max = g c V bm (1cos c 若將尖頂脈沖分解為

12、傅里葉級數(shù),得(a (b (c (d ti CU o n轉移特性i C t t t t tU b m-u BEu b-i CmaxU o n U BBu BEi Bi Cu CE U CC U CEmin-U b mU BB(e i c =I c0+I cm1cos t+I cm2cos2t+I cmn cosn t+由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得 其中 圖2-3 尖頂脈沖的分解系數(shù)由圖可見,當c120時,Icm1/Ic max 達到最大值。在Ic max 與負載阻抗Rp 為某定值的情況下,輸出功率將達到最大值。這樣看來,取c=120應該是最佳通角了。但此時放大器處于甲級工作狀態(tài)效率太低。為了兼顧效

13、率和功率,常常取導通角70度左右。0.50.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05(max max 10max 0C n C cmn C C cm C C C i I i I i I =(=1cos 1(1(sin cos cos sin 2(cos 1(sin cos (cos 1(cos sin (210c cc c c c n c c c c c c cc c c n n n n n -=-=-=3.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性在非線性諧振功率放大器中,常常根據(jù)集電極是否進入飽和區(qū),將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種:欠壓工作狀態(tài):集電極最大點電流在臨界線的右方過壓工作狀態(tài):集電極最大點電流

14、進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,集電極最大點電流正好落在臨界線上。如圖2-4為電壓、電流隨負載變化的波形圖。 圖2-4 電壓、電流隨負載變化波形高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗R p 、激勵電壓V b 、供電電壓V CC 、V BB 等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器,就應該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。(1負載特性如果V CC 、V BB 、V b 這幾個參變量不變,則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻R 決定。此時,放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨R p 而變化的特性,就叫做放大器的負載特性。欠壓狀態(tài):B 點

15、以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi),根據(jù)Vc=R* Ic 1,放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負載電阻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):負載線和Eb max 正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時,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狀態(tài)。過壓狀態(tài):放大器的負載較大,在過壓區(qū),隨著負載Rp 的加大,Ic 1要下降,因此放大器的輸出功率和效率也要減小 圖2-5 諧振放大器的負載特性(2集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指V BB 、Vbm 和R 一定,放大器性能隨V CC 變化的特性。如圖2-6所示。由于V B

16、B 和Vbm 一定,也就是V BEmax 和I C 脈沖寬度一定,因而對應于V CEmin的動態(tài)點必定在V BE =V BEmax 的那條特性曲線上移動;當V CC 由大減小時,相應的V CEmin 也由大減小,放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進入過壓,I C 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。 圖2-6 諧振放大器的集電極調(diào)制特性(3基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指V CC 、V bm 和R 一定,放大器性能隨V BB 變化的特性。如圖2-7所示。當V bm 一定, V BB 自負值向正方向增大,集電極電流脈沖不僅寬度增大,而且還因V BEmax 增大而使其高度增加,因而I C0和I

17、C1m (相應的Vcm 增大,結果使V CEmin 減小,放大器由欠壓進入過壓狀態(tài)。 圖2-7 諧振放大器的基極調(diào)制特性c0CCCC(4放大特性放大特性是指V BB 、V CC 和R 一定,放大器性能隨V bm 變化的特性,如圖2-8所示。固定V BB 、增大V bm 和上述固定V bm 、增大V BB 的情況類似,它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大,放大器的工作狀態(tài)有欠壓進入過壓;進入過壓后,隨著V bm 的增大,集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷,且高度和寬度增加,凹陷加深。 圖2-8 諧振放大器的放大特性4.單元電路的設計4.1丙類功率放大器的設計因為要求獲得的效率>60%,放大器的

18、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202(P U U R CES CC -=551.25集電極基波電流振幅12R P I m c =0.019A集電極電流最大值為70(11 mc cm I I =0.019/0.436=43.578mA其直流分量為電源供給的直流功率為P D =Ucc*Ico =132.3mW集電極損耗功率為P = P D P C =32.3mW轉換效率為= P C / P D =100/132.3=75.6%當本級增益A =13dB 即20倍放大倍數(shù),晶體管的直流=10時,有: 輸入功率為P1=P0/AP=5mW基極余弦電流最大值為I BM

19、= I CM / 4.36Ma基極基波電流振幅70(11 =BM M B I I =4.360.436=1.9mA所以輸出電壓的振幅為U BM =2 P 1/ I B1M 5.3V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R bb <25, 則輸入阻抗436.070cos 1(25(cos 1(11-=-=bb R Z 87.1 則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為13R R N N L=6.4 在這里,我們假設取N3=13和N1=2,若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF ,則2021(1f C L =7.036H 采用10mm×6mm×5mm 磁環(huán)來繞

20、制輸出變壓器,因為有322210(4-=N l A L cmcm 其中 =100H/m , A=210m m , l =25mm, L =7.036H 所以計算得N 2=74.2甲類功率放大器的設計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:P H = P 1 =5mW輸出負載等于丙類功放輸入阻抗,即R H =1Z =87.1設甲類功率放大器為電路的激勵級電路,變壓器效率b 取0.8,則集電極輸出功率P C =bH p 6.25mW若取放大器的靜態(tài)電流I CC = I CM =5mA ,則集電極電壓振幅U CM =2 P C / I CM =2.5V最佳負載電阻為C CM H P

21、U R 22=0.5k則射極直流負反饋電阻cqCES CM CC E I U U U R -=11780 (cq I I CM 則輸出變壓器線圈匝數(shù)比 021R R N N b H =2 本級功放采用3DG12晶體管,取=30 A =13dB 即20倍放大倍數(shù)則輸入功率P i = P 0 /A =0.3125mW放大器輸入阻抗R i = R bb +*R3=25+30R3若取交流負反饋電阻R3=10,則Ri=335所以本級輸入電壓i i im P R U 2=0.46V綜上可知U i =0時,晶體管射極電位U EQ = I CQ ×R E1 = 8.9VU BQ =9.5VI BQ

22、= I CQ /=0.17mA若基極偏置電流I 1 =5 I BQ ,則R 2 = U BQ /5 I BQ 11.2k所以,有21R U U U R bobo CC -=2.95K 4.3 電路原理圖如圖3-1 為高頻諧振功率放大器的總體電路圖。 圖3-1 高頻諧振功率放大器電路圖4.4 電路仿真圖 圖3-2 電路仿真圖5.電路的安裝與調(diào)試根據(jù)上述設計的元件參數(shù),按圖3-1所示電路進行安裝(上述未標出的器件參數(shù),以圖上標注為準。先安裝第一級放大器,測量調(diào)整其靜態(tài)工作點,使其滿足或近似到理論設計值,再安裝第二級放大器。測得晶體管2N5551靜態(tài)時,基極偏置電壓U be =0,靜態(tài)工作點調(diào)整后再

23、進行動態(tài)調(diào)試。先假設諧振回路已經(jīng)處于諧振狀態(tài),即集電極的負載電阻為純阻抗。但是回路的初始狀態(tài)或者在調(diào)諧過程中,回出現(xiàn)失諧狀態(tài),即集電極回路的阻抗呈感性或呈容性,將使回路的等效阻抗下降。這時集電極輸出電壓減小,集電極電流增大,集電極的耗散功率增加,嚴重時可能損毀晶體管。為保證元器件安全工作,調(diào)諧時可以先將電源電壓+V CC 降低到規(guī)定值的3121 ,待找到諧振點后,再將+V CC 升到規(guī)定值,然后微調(diào)一下回路參數(shù)就可以了?；芈分C振時,高頻電壓表的讀數(shù)應達到最大值,直流毫安表的讀數(shù)為最小值,示波器檢測的波形為不失真基波。 圖4-1 調(diào)試波形圖 圖4-2 效果波形圖 圖4-3 實物圖武漢理工大學高頻

24、電子線路課程設計說明書 6.課程設計心得體會 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題、鍛煉 實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。這次的高頻課程設 計，加深了我對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力，具備了高頻電子電路 的基本設計能力和基本調(diào)試能力 。 回顧起此次高頻課程設計，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實踐， 在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不 僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這 次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的

25、，只有理論知識是遠遠不夠的，只有 把所學的理論知識與實踐相結合起來， 從理論中得出結論， 才能真正學到屬于自己的知識， 從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到的問題，可以說得 是多如牛毛，因為基礎不牢固，再加上缺乏實際設計及動手的經(jīng)驗，所以難免會遇到過各 種各樣的問題。同時在設計的過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多的不足之處，比如說發(fā)現(xiàn)自己 對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 不過， 這次實驗的最大收獲就是鍛煉了我獨立思考的能力， 由于參數(shù)的計算有點復雜， 需要自己獨立思考各個參數(shù)的意義和各個參數(shù)之間的聯(lián)系，這就要求我在設計過程中必須 認真思考，絕不能馬虎，否則，算出來的可能就是錯誤答案。而參數(shù)不對，最終將直接影 響到仿真的結果。 課設的這段日子真的是給