諧振功率放大電路的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 2010 年 1 月 10 日至 2010 年 4 月 25 日題 目： 諧振功率放大電路的設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 系 部： 物理系 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)年 級(jí)： 二00六 指導(dǎo)教師： （簽名）系主任（或教研室主任）： （簽章）諧振功率放大電路的設(shè)計(jì)XX大學(xué) XXX摘要： 本論文利用所學(xué)的高頻電子線路知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)高頻功率放大器。通過對(duì)電路的設(shè)計(jì)，來掌握高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)方法、電路調(diào)諧及測(cè)試技術(shù)。加深對(duì)高頻電子線路課程理論知識(shí)的理解，提高電路設(shè)計(jì)及電子實(shí)踐能力。高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，在高頻范圍內(nèi)，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采

2、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(duì)頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。功率放大電路的主要性能指標(biāo) ：輸出功率、效率和非線性失真，而通常在實(shí)際應(yīng)用中為了節(jié)省能量所以效率顯得尤為重要，因此丙類工作狀態(tài)為我們所采用，而在工作中為了濾除丙類工作中產(chǎn)生的眾多高次諧波分量，因而采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，也因此也稱為丙類諧振功率放大電路由于丙類諧振功率放大電路方便實(shí)用而且容易實(shí)現(xiàn)，所以本篇論文主要展示其工作原理、狀態(tài)及效果。關(guān)鍵詞：諧振、功率、丙類諧振功率、放大電路的設(shè)計(jì)目錄（一）設(shè)計(jì)原理5（二）諧振功率放大電路的工作原理7（三）選定器件11（四）安裝調(diào)試12（五）結(jié)束語12（

3、六）致謝13（七）參考文獻(xiàn)13引言高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。     高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。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

4、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隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，功率放大電路的應(yīng)用也變得越來越廣泛，作為電子器件中最重要的的功率放大元件，功率放大器也是高頻電子線路中需要我們學(xué)習(xí)的一門主要課程。因此，這門課程也要求我們熟悉諧振功率放大器的工作方法及工作狀態(tài)，懂得諧振功率放大器的工作原理并且能設(shè)計(jì)和測(cè)試簡單的諧振功率放大電路。因?yàn)楣β史糯笃髟趯?shí)際應(yīng)用中重要而廣泛，所以諧振功率放大器的性能以及效率就顯得尤為重要。在放大器中根據(jù)晶體管的工作狀態(tài)的不同，或晶體管集電極導(dǎo)通角的范圍的差異，放大器又可以分為甲、乙、丙、丁等不同的種類。晶體管中電流的導(dǎo)通

5、角越小，放大器的工作效率也就越高。所以諧振功率放大器一般都工作在丙類狀態(tài)，主要應(yīng)用于無線發(fā)射機(jī)中，用來對(duì)載波信號(hào)或高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大。正文（一）設(shè)計(jì)原理 在設(shè)計(jì)諧振功率放大電路時(shí)，首先要根據(jù)放大器的工作頻率和輸出功率等要求選擇適合的功率管。然后，在依據(jù)回路傳輸效率和元件的數(shù)值以及整個(gè)電路的可實(shí)現(xiàn)性等要求選擇適合的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。本論文根據(jù)放大器的各項(xiàng)工作指標(biāo)，作如下設(shè)計(jì)：1、 諧振功率放大電路的結(jié)構(gòu)：功率管、直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成。2、 功率管：放大器中功率管的選擇可以分為：甲類、乙類、丙類、丁類和甲乙類等幾種，在實(shí)際應(yīng)用中考慮到功率管的效率、穩(wěn)定性以及節(jié)能的需要我們通常選

6、擇丙類工作狀態(tài)下的功率管。3、 直流饋電網(wǎng)絡(luò)：直流饋電網(wǎng)絡(luò)可以分為串饋、并饋兩類。（1）其中串饋網(wǎng)絡(luò)指的是：直流電源、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管在電路上串接的連接方式。其中Lc為高頻扼流圈，它與Cc構(gòu)成電源濾波電路，Lc的感抗很大接近斷路，Cc的容抗很小，接近短路。這樣就能避免信號(hào)電流通過直流而產(chǎn)生級(jí)間反饋，造成的不穩(wěn)定情況。（2）并饋電路網(wǎng)絡(luò)指：直流電源Vcc、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管在電路上并接的一種連接方式。其中Lc為高頻扼流圈，上面Cc為直流電容起阻隔作用下面為電源濾波電容，這兩個(gè)電容很小接近短路，Lc感抗很大接近斷路。采用這種饋電方式，雖然在連接上是并聯(lián)，但是匹配網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓vc直接加載了L

7、c上，所以加在集電極上的電壓vce=Vcc=vc,與串饋網(wǎng)路相同。4、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)于交流通路而言，濾波網(wǎng)絡(luò)應(yīng)介于功率管T與外接負(fù)載R之間。主要用來濾除電路中不需要的高次諧波分量。（二）諧振功率放大電路的工作原理（ a ）、（ b ）、分別為發(fā)送設(shè)備的中間放大級(jí)和末級(jí)放大器，（ c ）為相應(yīng)的原理電路。由圖知，輸入信號(hào)（又稱為激勵(lì)信號(hào)）經(jīng)變壓器耦合到晶體管的基極和發(fā)射極， 是直流電源電壓， 是基極偏置電源電壓， 為旁路電容， 為電源濾波電容， L 、 C 組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負(fù)載回路（或匹配網(wǎng)絡(luò)），該回路又稱為槽路，負(fù)載回路既可以實(shí)現(xiàn)選頻濾波的功能，又實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。放大后的信號(hào)通過變壓

8、器耦合到負(fù)載 上（圖（ a ）或通過天線（圖（ b ）向空間輻射。圖（ c ）中的 為 L 、 C 回路的電阻。放大器的工作狀態(tài)決定于偏置電壓 的大小，當(dāng) 時(shí)，電路可工作在甲類狀態(tài)，當(dāng) 時(shí)為乙類狀態(tài)，當(dāng) 時(shí)為丙類狀態(tài)，作為高頻功率放大器，電路工作在丙類狀態(tài)，流過晶體管的電流 為余弦脈沖，集電極效率 高。 設(shè) ， 所以，加到晶體管的基射極間的電壓為則 為余弦脈沖 當(dāng)基極（發(fā)射結(jié)）導(dǎo)通時(shí)， 晶體管由截止進(jìn)入放大區(qū)。經(jīng)放大后，所得 也為余弦脈沖 (b) 所示，同樣可分解為： 當(dāng) 回路諧振于 時(shí)，在 回路兩端得到 的最大輸出，即： ， 為回路的諧振等效總電阻 于是知： （ R 外接負(fù)載等效值） 由此得

9、到放大器的功率與效率： 結(jié)論：當(dāng) 一定時(shí)， 增大可以提高輸出功率 ； 當(dāng)器件確定時(shí)， 一定，增大激勵(lì)電壓 ，也可以提高輸出功率 ； 若增大 （或者減小 ），可以提高集電極效率 ； 所以，增加激勵(lì)電壓 或降低靜態(tài)工作點(diǎn) ，是提高輸出功率 和集電極效率 的重要途徑。 當(dāng) 回路諧振于 時(shí)，在 回路兩端得到頻率為 的余弦輸出，即： 對(duì) n 次諧波信號(hào)，回路呈現(xiàn)的阻抗 為 回路兩端的電壓為： 式中， 為集電極電流 的 n 次諧波電流幅值。 由式可知，當(dāng)并聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù) 為無窮大時(shí)，回路兩端的諧波輸出為零，集電極電壓為不失真的余弦波。實(shí)際上， 不可能為無窮大，一般為 50 左右，在 的條件下，二次諧波阻

10、抗與基波阻抗之比為 三次諧波阻抗與基波阻抗之比為     由以上分析知，二次諧波阻抗與基波阻抗之比為 1.3 % ，三次諧波阻抗與基波阻抗之比為 0.75 % 。很明顯，諧波次數(shù)越高，阻抗越小，同時(shí)各次諧波電流幅值也隨著諧波次數(shù)的增加而減小。由于兩者的相對(duì)減小，并聯(lián)諧振回路兩端的各次諧波電壓將減小的更快。從而使回路兩端的輸出電壓基本上是不失真的余弦信號(hào)。結(jié)論：丙類諧振功率放大器，流過晶體管的各極電流均為余弦脈沖，但利用諧振回路的選頻作用，其輸出電壓仍能反映輸入電壓的變化規(guī)律，即輸出信號(hào)基本上是不失真的余弦信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)線性放大的功能。（三）選定器件根據(jù)工

11、作頻率，輸出功率、功率增益，電源電壓、價(jià)格等要求以及實(shí)際安裝條件來選擇器件。本論文主要設(shè)計(jì)一個(gè)諧振功率放大器，用于調(diào)頻發(fā)射機(jī)輸入輸出負(fù)載都為50,輸入信號(hào)頻率為80MHz，輸出信號(hào)頻率為160MHz，要求輸入功率為4mW,輸出負(fù)載的功率Pl700mW,二次諧波抑制度小于-30dB,放大器總效率大于50%，電源電壓15V。由于要濾除二次諧波，所以功率放大電路的匹配網(wǎng)絡(luò)要采用多級(jí)組合網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在取=0.7，則其輸出功率P1=P/=0.7W/0.7=1W因?yàn)檩斎牍β蔖i為4mw放大器的增益為Ap=10*lg(P0/Pi)=10*lg(1/0.004)=24dB通常單級(jí)丙類工作時(shí)功率放大器的功率增益小于

12、12dB，效率大于0.6，所以本論文采用此設(shè)計(jì)：第一級(jí)為二倍頻器，工作在乙類，用于提升輸入信號(hào)頻率（80MHz-160MHz）。第二級(jí)和第三極為末前級(jí)和末級(jí)高頻功放，工作在丙類狀態(tài)。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)：將末級(jí)功放的輸出濾波網(wǎng)絡(luò)分割開來，其結(jié)果如下：網(wǎng)絡(luò)一：取Ql=3,設(shè)Rl=150,則求的Xc14=-33,C14=30pF；Xc13=-50,C13=20pF;Xl10=68,L10=0.07H. 網(wǎng)絡(luò)二: 取Ql=2,C10=10pF,設(shè)R2=35,則求的Xc11=-70,C11=14pF；Xc12=-83,C12=12pF;Xl9=113,L9=0.13H;Xl8=-Xc10=99,L8=0

13、.1H. 網(wǎng)絡(luò)三:取Ql=3,功率管的大信號(hào)輸出阻抗為R輸出=98和C0=20pF的并接阻抗，求得：Xc7,8=-20.7，（C7+C8）=48 pF，Xc9=-40.6，C9=24.4 pF；Xl7=77.55,L7=0.08H。（四）安裝調(diào)試 調(diào)試是放大器設(shè)計(jì)安裝的重要環(huán)節(jié)，在調(diào)試各級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)是，既要使網(wǎng)絡(luò)諧振在工作頻率上，又要使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到匹配要求，而這兩種調(diào)試又是相互影響的，因此，必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，直到使兩者同時(shí)達(dá)到諧振和匹配為止。調(diào)試：調(diào)試階段主要調(diào)試濾波網(wǎng)絡(luò)部分，即輸入濾波網(wǎng)絡(luò)和輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。但是在調(diào)試時(shí)由于級(jí)間的耦合作用，所以在調(diào)試任一級(jí)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)都會(huì)影響其它網(wǎng)絡(luò)，因此在調(diào)試時(shí)要

14、反復(fù)調(diào)節(jié)，反復(fù)微調(diào)才能完成調(diào)試工作。用電流表來指示T3管中集電極電流中的平均分量Ic0.在第一級(jí)倍頻回路諧振在160MHz、加到末前級(jí)的輸入功率達(dá)到最大的前提下，先反復(fù)調(diào)試末級(jí)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)使其達(dá)到諧振和匹配，這時(shí)加到末級(jí)的輸入功率最大，此時(shí)功率管T3的功率也由小到大，此時(shí)在調(diào)試輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其達(dá)到諧振時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)加在T3上的阻抗也在逐漸變大，這時(shí)直流電流表測(cè)的數(shù)值也由大變小，這就表示網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處于諧振狀態(tài)，這時(shí)功率最大。進(jìn)一步調(diào)節(jié)輸出濾波網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)輸出功率進(jìn)一步增大，直到最大，而且滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，表明輸出網(wǎng)絡(luò)達(dá)到諧振匹配。（五）結(jié)束語 高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)

15、行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。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。 本論文主要通過三級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)與功率管的匹配來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過本次動(dòng)手設(shè)計(jì)，我不僅增長了知識(shí)，而且動(dòng)手能力也更強(qiáng)了。（六）致謝在本次論文設(shè)計(jì)過程中，張老師對(duì)該論文從選題，構(gòu)思到最后定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo),使我得以最終完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)中,老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，導(dǎo)師們的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。這四年中還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助。在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！ 最后，我要向百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱，評(píng)議和參與本人論文答辯的各