課程設(shè)計(jì)高功放

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 高頻功率放大器設(shè)計(jì)初始條件：1、可選元件：晶體管、高頻磁環(huán)、電阻、電容、開關(guān)等2、仿真軟件：EWB要求完成的主要任務(wù): 設(shè)計(jì)一個(gè)高頻功率放大器，要求1. 輸出功率Po125mW2. 工作中心頻率fo=6MHz3. 65%時(shí)間安排：1理論講解，老師布置課程設(shè)計(jì)題目，學(xué)生根據(jù)選題開始查找資料；2課程設(shè)計(jì)時(shí)間為1周。 （1）確定技術(shù)方案、電路，并進(jìn)行分析計(jì)算， 時(shí)間1天； （2）選擇元器件、安裝與調(diào)試，或仿真設(shè)計(jì)與分析，時(shí)間2天； （3）總結(jié)結(jié)果，寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告，時(shí)間2天。指導(dǎo)教師簽名： 2010年 月 日系主任（或責(zé)任教師）

2、簽名： 年 月 日目錄摘要IAbstractII1 諧振功率放大器的工作原理11.1 基本原理電路12.2 諧振功率放大器的功率關(guān)系和效率32高頻諧振功率放大器的性能分析42.1 諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性42.2 諧振功率放大器的負(fù)載特性42.3 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整63 高頻諧振功率放大器的電路組成84 高頻諧振功率放大器電路仿真13總結(jié)14參考文獻(xiàn)15附錄16摘要通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出，通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。為獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。我們對高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同要求是輸出功率大和效率高，但

3、由于兩者的工作頻率和相對帶寬相差頗大，就決定了他們之間有根本的差異。基于兩種放大器的不同特點(diǎn)，使得這兩種功率放大器所選的狀態(tài)有所不同：低頻功放工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)，現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些工作于丁類的低頻放大器；高頻功率放大器則一般工作于丙類（某些特殊情況可工作于甲類、乙類、丁類、戊類等）。高頻放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制等。這幾項(xiàng)指標(biāo)往往是相互矛盾的，在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，總是根據(jù)該放大器的工作特點(diǎn)，突出其中一些指標(biāo)，然后兼顧另外一些指標(biāo)。AbstractIn communication circuits, in order to compen

4、sate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output, communication, the greater the distance the greater the required output power. In order to obtain a large enough high-frequency output power, high-frequency power amplifier must be use

5、d. Our high-frequency power amplifier and low-frequency power amplifier output power of the common requirement is large and high efficiency, but because of the work of both frequency and relative bandwidth vary considerably, we decided there is a fundamental difference between them. Based on two dif

6、ferent characteristics of the amplifier, making the status of these two different from the selected power amplifier: low-frequency power amplifier works in Category A, and B or Class B (limited to push-pull circuit) state, and now there have been some work on the small Class of low-frequency amplifi

7、ers; high-frequency power amplifiers are generally working in a Class C (in some special cases can work on the A, B, D, E, etc.). The main technical indicators of high-frequency amplifier is the output power, efficiency, power gain, bandwidth and harmonic suppression and so on. The above targets, of

8、ten contradictory, and in the design of power amplifiers, it always work according to the amplifier characteristics, highlighting some of the indicators, and then take into account some other indicators. 1 諧振功率放大器的工作原理1.1 基本原理電路圖1.1 諧振功率放大器的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。諧振回路LC是晶體管的負(fù)載.電路工作

9、在丙類工作狀態(tài)外部電路關(guān)系式： （式1.1） （式1.2）晶體管的內(nèi)部特性： （式1.3）圖1.2 諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線故晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線表達(dá)式：Vbmcosqc= +VBZ （式1.4）故得： （式1.5）必須強(qiáng)調(diào)指出，集電極電流Ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖如圖所示：圖1.3 高頻功率放大器中個(gè)分電壓與電流的關(guān)系2.2 諧振功率放大器的功率關(guān)系和效率由前述所知： 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，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率輸出去。有一部分功率以熱能的形式

10、消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。PDC=直流電源供給的直流功率；Po=交流輸出信號(hào)功率；Pc=集電極耗散功率；根據(jù)能量守衡定理：PDC= Po+ Pc故集電極效率： （式1.6）由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：1) 設(shè)法盡量降低集電極耗散功率Pc，則集電極效率hc自然會(huì)提高。這樣，在給定PDC時(shí)，晶體管的交流輸出功率Po就會(huì)增大；2） 由式可知： 如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過規(guī)定值，那么提高集電極效率hc，將使交流輸出功率Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。x越大(即Vcm越大或ecmin越小),qc越小,效率hc越高。因此，丙類諧振功率放大器提高

11、效率hc的途徑即為減小qc角；使LC回路諧振在信號(hào)的基頻上，即ic的最大值應(yīng)對應(yīng)ec的最小值。故諧振功率放大器的工作特點(diǎn)是基極偏置為負(fù)值；半通角qc90，即丙類工作狀態(tài)；負(fù)載為LC諧振回路。2 高頻諧振功率放大器的性能分析2.1 諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵(lì)電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個(gè)參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個(gè)參量的變化會(huì)使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時(shí)，它的外部電路關(guān)系式為：eb= VBB+Vbmcoswt （式2.1）ec= VCCVcmcoswt （式2.2）消去cos

12、wt可得： eb= VBB+Vbm （式2.3）另一方面，晶體管的折線化方程為：ic = gc(ebVBZ) （式2.4）得出在icec坐標(biāo)平面上的動(dòng)態(tài)特性曲線方程：= gd(ec V0) (式2.5）2.2 諧振功率放大器的負(fù)載特性圖2.1 電壓、電流隨負(fù)載變化波形如果VCC、VBB、vb 3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時(shí)，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(fù)載特性。1) vc、ic隨負(fù)載變化的波形vc、ic隨負(fù)載變化的波形如圖所示，放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbemax，在負(fù)載電阻RP由小至大變化時(shí)，負(fù)載線的斜率由小

13、變大，如圖中123。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。2) 欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài) 臨界狀態(tài)。負(fù)載線和eb max正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。欠壓狀態(tài)。B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。 過壓狀態(tài)。放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)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。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性

14、曲線：圖2.2 負(fù)載特性曲線 欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機(jī)的末級(jí)常設(shè)計(jì)成這種狀態(tài)，在計(jì)算諧振功率放大器時(shí)，也常以此狀態(tài)為例。2.3 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載Rp；改變供電電壓VCC；改

15、變偏壓VBB；改變激勵(lì)Vb。1) 改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變 當(dāng)負(fù)載電阻Rp由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。2) 改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變 當(dāng)集電極供電電壓VCC由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。在過壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的。集電極調(diào)幅電路就是調(diào)制信號(hào)使Vcc改變的調(diào)

16、制方式。因此，集電極調(diào)幅要工作在過壓區(qū)。3) VCC、VBB、Rp不變，Vbm變化。當(dāng)Vbm自0向正值增大時(shí)，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。因此，在欠壓區(qū)可以實(shí)現(xiàn)線性放大，在過壓區(qū)則可作為限幅器。諧振功放的放大特性是指放大器性能隨Vbm 變化的特性。3 高頻諧振功率放大器的電路組成丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，所以一般選用臨界狀態(tài)。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵(lì)電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。從輸出功率Po500mw來看，末級(jí)功放可采

17、用甲類或丙類功率放大器，但要求總效率50%，顯然，只用一級(jí)甲類功放是不能達(dá)到目的的，故采用兩級(jí)功率放大器，第一級(jí)采用甲類功率放大器，第二級(jí)采用丙類功率放大器，其中甲類功放選用晶體管3DG12，丙類功放選擇晶體管3DA1。其參數(shù)的設(shè)定：功放的基極偏置電壓是利用發(fā)射極電流的直流分量在射極電阻上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，則集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路的選頻作用可輸出基波諧振電壓、電流。當(dāng)功率放大器的電源電壓，基極偏置電壓，輸入電壓（或激勵(lì)電壓）確定后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻。當(dāng)交流負(fù)載線正好穿過

18、靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A時(shí)，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和管壓降，集電極電流脈沖接近最大值。整個(gè)電路的原理圖如圖3.1所示：總圖3.1總電路圖下面對電路具體參數(shù)進(jìn)行推算：1）確定功放的工作狀態(tài) 對高頻功率放大器的基本要求是,盡可能輸出大功率、高效率，為兼顧兩者，通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài)，其電流流通角在600900范圍?，F(xiàn)設(shè)=700。查表3-1得：集電極電流余弦脈沖直流ICO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈沖基波ICM1分解系數(shù)，。設(shè)功放的輸出功率為0.5W。功率放大器集電極的等效電阻為： （式3.1）集電極基波電流振幅為： （式3.2）集電極電流脈沖的最大振幅為： （式3.3）集電極電流脈沖

19、的直流分量為： （式3.4）電源提供的直流功率為： （式3.5）集電極的耗散功率為： （式3.6）集電極的效率為： （式3.7）已知： 即則輸入功率： （式3.8）基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)3DA1的=10）： （式3.9）基極基波電流的振幅為： （式3.10）得基極輸入的電壓振幅為： （式3.11）2）基極偏置電路計(jì)算因 則有 ： （式3.12）因 則有 ： （式3.13）取高頻旁路電容3）計(jì)算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)圖3.2 L型匹配網(wǎng)絡(luò)輸出采用L型匹配網(wǎng)路， （式3.14） （式3.15） （式3.16） （式3.17） （式3.18） （式3.19）則 （式3.20） 匹配網(wǎng)路的電感

20、L為，電容C為。4）電源去耦濾波元件選擇高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用型LC低通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗(yàn)取50100H，濾波電容一般取0.01F。綜合上述設(shè)計(jì)，得參考電路如圖3.3所示。圖3.3 帶參數(shù)的總電路4 高頻諧振功率放大器電路仿真將上述設(shè)計(jì)的元件參數(shù)，按圖3.3所示電路進(jìn)行安裝。先安裝第一級(jí)放大器，測量調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn)，使其滿足或近似到理論設(shè)計(jì)值，再安裝第二級(jí)放大器。測得晶體管3DA1靜態(tài)時(shí)，基極偏置電壓Ube=0，靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整后在進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試。先假定諧振回路已經(jīng)處于諧振狀態(tài)，即集電極的負(fù)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，回路出現(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(shí)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(yán)重時(shí)可能損毀晶體管。為保證元器件安全工作，調(diào)諧時(shí)可以先將電源電壓降低到規(guī)定值的，待找到諧振點(diǎn)后，再將升到規(guī)定值，然后微調(diào)一下回路參數(shù)就可以了。回路諧振時(shí)，高頻電壓表的讀數(shù)應(yīng)達(dá)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