高頻諧振功率放大器設計

1、武漢理工大學高頻電子線路課程設計說明書天津天獅學院高頻電子線路設計報告題目： 高頻諧振功率放大器 專業(yè)： （本14級電子信息工程 班級： 2班 姓名： 黃霞 總成績： 天津天獅學院信息與自動化學院 2016年 5月 10 日 課程設計任務具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用晶體管完成一個高頻諧振功率放大器的設計2、電源電壓Vcc 12V，采用NXO100環(huán)形鐵氧體磁

2、芯，3、工作頻率f06MHz 4、負載電阻RL 75時， 輸出功率P0100Mw， 效率>605、完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調(diào)試及設計總 目 錄摘要I1 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(shù)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32 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 單元電路的設計113.1 丙類功率放大器的設計113.1.1 放大器工作狀態(tài)

3、的確定113.1.2諧振回路和耦合回路參數(shù)計算123.2 甲類功率放大器的設計123.2.1電路性能參數(shù)計算123.2.2靜態(tài)工作點計算143.3 電路原理圖144 電路的安裝與調(diào)試155 課程設計心得體會16參考文獻17附錄118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(guān)理論知識作了一些簡要的介紹，然后

4、在性能指標分析基礎上進行單元電路設計，最后設計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進行分析，最后總結(jié)課設體會。關(guān)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

5、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， 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（5351605 kHz的頻段

6、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（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）。1.1 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

7、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： 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)放大器輸出端負載的匹配。 基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)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。1.2 高頻功率放大器的主要技術(shù)指標高頻功率放大器的主要技術(shù)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

8、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。1.3 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，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

9、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)時放大器的特點工作狀態(tài)半導通角理想效率負 載應 用甲類qc=180°50%電阻低頻乙類qc=90°78.5%推挽，回路低頻，高頻甲乙類90

10、76;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1.4 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(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

11、條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。如圖為晶體管實際特性和理想折線。理想化折線（虛線）icgceb0VBZIcgcr欠壓區(qū)臨界線過壓區(qū)0Ec圖1-2 晶體管實際特性和理想折線2 放大器電路分析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。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(zhuǎn)變?yōu)?/p>

12、交流能量的過程中起開關(guān)控制作用，諧振回路中LC是晶體管的負載，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2.2 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： ic = gc (ebVBZ)它的外部電路關(guān)系式： eb = VBB + Vbmcoswtec = VCC Vcmcoswt當wt=0時， ic = ic max因此， ic max = gcVbm(1cos qc)若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得

13、 ic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得其中q / °a1 /a0 = g1a0a1a2a3a0 , 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qc120°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qc=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。為了兼顧效率和功率

14、，常常取導通角70度左右。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。 ic ic 3 2 1 Im 0 180° 90° 半導通角 wt B A C D 3 2 1 負載增大 eb=ebmax max VCC Q ec min Vc 1.欠壓狀態(tài) 2.

15、臨界狀態(tài) 3.過壓狀態(tài) Rp Vc Vc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Rp、激勵電壓Vb、供電電壓VCC、VBB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。2.3.2 諧振功率放大器的外部特性(1)負載特性如果VCC、VBB、Vb 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Rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。欠壓狀態(tài)：B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R* Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必

16、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，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小RRecrIC1mVC1mIC0欠壓過壓RLRecr欠壓過壓P1P0PCh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

17、寬度一定，因而對應于VCEmin的動態(tài)點必定在VBEVBEmax的那條特性曲線上移動；當VCC由大減小時，相應的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進入過壓，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(3)基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-7所示。當Vbm一定， VBB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VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應的Vcm）增大，結(jié)果使

18、VCEmin減小，放大器由欠壓進入過壓狀態(tài)。VC1mIC1mIC0欠壓 0 臨界 過壓VBBhP0P1欠壓 0 臨界 過壓VBB圖2-7 諧振放大器的基極調(diào)制特性(4)放大特性放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB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Vbm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。VC1MIC1MIC0hP0P1欠壓 臨界 過壓欠壓 臨界 過壓VbmVbm圖2-8 諧振放大器的放大特性3單元電路的設

19、計3.1丙類功率放大器的設計3.1.1放大器工作狀態(tài)的確定因為要求獲得的效率>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)換效率為= PC / PD =100/132.3=75.6%當本級增益=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

20、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0.37在這里，我們假設取N3=3和N1=8，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則7.036H采用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因為有其中 =100H/m , A=, =25mm, L =7.036H所以計算得N=73.2甲類功率放大器

21、的設計3.2.1電路性能參數(shù)計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輸出負載等于丙類功放輸入阻抗，即RH =87.1設甲類功率放大器為電路的激勵級電路，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最佳負載電阻為=0.5k則射極直流負反饋電阻1780 (ICM)則輸出變壓器線圈匝數(shù)比2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

22、+30R3若取交流負反饋電阻R3=10，則Ri=335所以本級輸入電壓0.46V3.2.2靜態(tài)工作點計算綜上可知Ui=0時，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電路的安裝與調(diào)試 根據(jù)上述設計的元件參數(shù)，按圖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

23、理論設計值，再安裝第二級放大器。測得晶體管3DA1靜態(tài)時，基極偏置電壓Ube=0，靜態(tài)工作點調(diào)整后再進行動態(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+VCC降低到規(guī)定值的，待找到諧振點后，再將+VCC升到規(guī)定值，然后微調(diào)一下回路參數(shù)就可以了。回路諧振時，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

24、波。5 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(jié)合是很重要的，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(jié)合起來，從理論中得出結(jié)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