丙類功率放大器

hqan◎區(qū)在供SHIJIAZHUANGUNIVERSITY丙類功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告題目：—丙類功率放大器課程設(shè)計(jì)院系：_電氣信息工程系 專業(yè)：_通信工程組長(zhǎng)：學(xué)號(hào)：組員1:_韓路云 學(xué)號(hào)：20090602022組員2：信勇學(xué)號(hào)：20090602023組員3：韓碩學(xué)號(hào)-20090602024組員4：趙丹學(xué)號(hào)：20090602025組員5：張紅菊學(xué)號(hào)：20090602026指導(dǎo)教師：_陳永志2011年12月27日實(shí)踐課名稱設(shè)計(jì)報(bào)告一、選題目的和意義：在低頻電子線路中，為了獲得足夠大的輸出功率必須采用低頻功率放大器。這種低頻功率放大器一般工作在甲類或是乙類（推挽輸出）或甲乙類的放大器，效率不會(huì)超過(guò)78.5%,同樣的在高頻電子線路中，為了獲得足夠大的輸出功率，也必須采用高頻功率放大器。不過(guò)，由于高頻功率放大器的特殊性，高頻功率放大器既可以工作在甲類或甲乙類狀態(tài)，也可以工作在丙類或是丁類甚至是戊類，效率可以高過(guò)78.5%,比如在調(diào)幅信號(hào)發(fā)射機(jī)中，高頻功率放大器把已調(diào)波的功率放大到足夠的大，使調(diào)幅廣播計(jì)劃的覆蓋地區(qū)能夠正常的接聽(tīng)。在通信方面，常常也需要隔頻功率放大器如閉路電視。由此可見(jiàn)，高頻功率放大器是通信發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，廣泛應(yīng)用在發(fā)射機(jī)、高頻加熱裝置和微波功率源等待腦子設(shè)備中。高頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)包括輸出功率、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，對(duì)于不同應(yīng)用，要有所兼顧。它的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率和效率。由于高頻功率放大器的輸出功率比較大，耗能比較多，所以工作效率就顯得比較重要。放大器的基本原理都是利用輸入基極或柵極的信號(hào)區(qū)控制集電極或是漏極或陽(yáng)極的直流電源，讓這個(gè)直流電源輸出的功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c輸入信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)相同的輸出信號(hào)的功率。顯然，這個(gè)轉(zhuǎn)換的效率不能到100%,因?yàn)殡娮釉骷旧磉€要消耗功率，比如電阻、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、電子管等。事實(shí)上，這個(gè)直流電源輸出的功率一部分轉(zhuǎn)化為了交流輸出，另一部分主要以熱能的形式被集電極或是漏極或陽(yáng)極所消耗。稱為耗散功率。工作效率的提高意味著更加的節(jié)能。學(xué)生姓名任務(wù)分工學(xué)生姓名任務(wù)分工學(xué)生姓名任務(wù)分工韓路云信勇韓碩趙丹張紅菊二、主要研究?jī)?nèi)容：高頻功率放大器是對(duì)載波信號(hào)或高頻信號(hào)進(jìn)行功率放大的電路。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展高頻放大應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣。在某些場(chǎng)合高頻放大技術(shù)的高低成為制約本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。比如射頻手機(jī)和高頻信號(hào)收發(fā)機(jī)等，都需要用到高頻功率放大器,并且作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。特別是移動(dòng)電話機(jī)中高頻功率放大器品質(zhì)的高低直接影響其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，且高頻功率放大器一般工作在丙類。如圖1-1所示為高頻功放基本原理圖，圖中，高頻扼流圈提供直流通路，C1為隔直流電容，諧振回路分別為輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。其中天線等效阻抗，作為輸出負(fù)載。與非諧振功放比較，它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別?！豆?皿由:網(wǎng)略圖1-1局頻功放基本原理框圖諧振式高頻功率放大器的特點(diǎn)是：①為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為反向偏置，由Eb(VBB)來(lái)保證，流過(guò)晶體管的電流為余弦脈沖波形;②負(fù)載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外,還能實(shí)現(xiàn)放大器的阻抗匹配。三、設(shè)計(jì)的方法及步驟:如下圖2T所示丙類功放基本電路圖所示:圖2-1丙類功放基本電路圖丙類功放的基極偏置電壓，畦是利用發(fā)射極電流的直流分量/功在射級(jí)電阻R上產(chǎn)生的壓降來(lái)提供，故稱為自給偏壓降電路。在電路中："如（。=4+巧COS0T） （2-1）Uce（0=Vcc+VOHcosW） （2-2）當(dāng)電路接好并將各電極電壓加上時(shí)，則在板極電路中就會(huì)出現(xiàn)受到柵極電壓控制的板流脈沖。ia是周期性函數(shù)，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，它可用傅氏級(jí)數(shù)來(lái)表示?？梢?jiàn)，板極電流等于直流分量1如、一次諧波（基波）、二次諧波和其他高次諧波之和。當(dāng)放大器的輸入信號(hào)匕為正弦波時(shí)，集電極的輸出電流為余弦脈沖波，但只有在欠壓或是臨界狀態(tài)下才是尖頂余弦脈沖，如下圖所示：圖2-2尖頂余弦脈沖波形己一3)己一3)ic=Ico+LmiCOSiW+Icm2cos2vvr+其中各系數(shù)應(yīng)滿足:己一己一4)cmn其中心、&等系數(shù)滿足的波形如下圖:由圖，兼顧功率與效率，一般高頻功率放大器導(dǎo)通角選在70°左右。此時(shí)的效果最佳?？梢赃_(dá)到8096左右。激勵(lì)電壓Ug=Ugcoscot是隨時(shí)間而變化的。當(dāng)E￡vEaxIL保持不變時(shí)，激勵(lì)電壓振幅仇的變化對(duì)工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響：當(dāng)U,=0時(shí)，丙類高頻功率放大器將處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)Ug由零開(kāi)始增加，且eg=Eg+Ug>EgW,板匚開(kāi)始導(dǎo)通，在e,V0時(shí)，柵流為零，顯然此時(shí)為欠壓狀態(tài)。U,繼續(xù)增加，且e,=E，十U,N0時(shí)，柵流i,開(kāi)始出現(xiàn)，并隨UJ曾加而增大。所以工作狀態(tài)便由欠壓進(jìn)入臨界進(jìn)而轉(zhuǎn)入過(guò)壓狀態(tài)。由此可見(jiàn)，改變I；大小，就可以改變工作狀態(tài)。當(dāng)功率放大器的電源電壓+Ucc,基極偏壓Ub,輸入電壓C確定后，如果電容導(dǎo)通角確定，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Rp。諧振功率放大器的交流負(fù)載特性如圖所示。

（欠&）（欠&）圖2-3U,變化對(duì)工作狀態(tài)影響的三組曲線在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴(yán)重失真的脈沖序列波形或周期性的開(kāi)關(guān)波形。為實(shí)現(xiàn)不失真放大，必須限定輸入信號(hào)為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號(hào)）或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號(hào)。在這種信號(hào)作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級(jí)數(shù)將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)取出基本波分量，濾除其它無(wú)用分量，就能在負(fù)載上獲得不失真的輸出信號(hào)。同理，在功率管輸入端，基極電流也是失真脈沖序列,通過(guò)輸入匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，加到功率管輸入端的為不失真的信號(hào)電壓。在特定的偏置條件下，對(duì)應(yīng)于特定大小的輸入信號(hào)，功率管有一最佳負(fù)載，這時(shí)，諧振功放的輸出功率最大，效率也較高。因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用?？傊C振功放是在限定輸入信號(hào)波形的情況下，通過(guò)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，使輸出負(fù)載上得到所需的不失真功率。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(相關(guān)原理框圖):丙類功率放大器的電路組成如下圖3-1：圖3-1丙類功放電路圖1.確定放大器的工作狀態(tài)對(duì)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60°-90°范圍?，F(xiàn)設(shè)Q.=70°,查表得：集電極電流余弦脈沖直流Ic。分解系數(shù)％(70°)=0.25,集電極電流余弦脈沖基波Im分解系數(shù)％(70°)=0.44。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：r_(Vc。-Vces)-/_(12-1.5)'/ -110Q4一/2P~ /2(0.5)lV-11Ui2集電極基波電流振幅為： /碩=』2P”/R『=95uiA集電極電流脈沖的最大振幅為：=/碩W(Q)=95mA/0.44=216mA集電極電流脈沖的直流分量為：/<?=〈皿x《,(0.)=216x0.25=54〃詛PDPD=VCCICO=12Vx54m人=0.65w4= —4=0.65—0.5=0.15w〃=4/4,=0.5/0.65=77%Ar=13dB即&=20,則輸入功率集電極的耗散功率為：集電極的效率為：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，己知Pi=Po!Ap=0.5/20=25mV基極余弦脈沖電流的最大值(設(shè)3DA1的"=10)：/麗="'%=21.6〃詛基極基波電流的振幅為： IBlm=/伽丹(70°)=9.5mA得基極輸入的電壓振幅為：*”=24 =5.3V2.基極偏置電路計(jì)算V+v因?yàn)?，則基極偏置電壓：V￡=V；w?cosec-V,=5.3cos70°=1.IV因?yàn)閂e=L°Re，則射極電阻：七=*/==L1/(54x1OT)=2OQ高頻旁路電容取Cq=0?°1方.3.諧振回路與耦合線圈的參數(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<25Q,則輸入阻抗：IZJ= IZJ= 匝 = — =87.1。(l-cosQ)xQ](e)(1-cos70>)x0.436h87.1Q則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：匹=匡=0.68這里，我們假設(shè)取N3=2和Nl=3若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF,則L=i用①1Onunx<X)6nmix5nmi磁環(huán)來(lái)繞制輸出變壓器，其中:p=100H/m,A=1Ofiun2,1=25mm,L=60uH有匕=4n(〃)x也1xN；x10-3, N產(chǎn)264.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)通常采用兀型LC低通濾波器，濾波電感。可按經(jīng)驗(yàn)取50?100|iH,濾波電感一般取O.OlgFo

圖5-2BG2集電極輸出波形（1）<ITime ChannelA ChannelB Q |- 一 Reverse1.OX)us 81.000mV 2.135V c 1u?『Save Ext.TriggerTifrabasa ―ChannelA —■—ChannelB —j—Trigger Soafe|10Dns/%Soafe|lOTmWDivScatpV/Div Edge|T"k|pXrwUtinnlb?1——IlYnn^itinini11 Y IIpv^IIn IW五、結(jié)果及討論：測(cè)量丙類功放管集電極的輸出波形:五、結(jié)果及討論：測(cè)量丙類功放管集電極的輸出波形:圖5-2BG2集電極輸出波形（2）分析波形：通過(guò)理論分析，丙類放大管的集電極輸出波形應(yīng)該為一個(gè)尖頂余弦脈沖。波形（1）是初次調(diào)試時(shí)得到的波形，可以看出，波形的底部己經(jīng)有所變化，但不是完美的余弦脈沖，波形（2）是通過(guò)改變了部分參數(shù)得到的波形心得體會(huì)：高頻課程設(shè)計(jì)在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)之后，之前就做過(guò)了高頻功率放大器，并相應(yīng)地焊了電路板。當(dāng)時(shí)在考試期間，并且是團(tuán)隊(duì)合作，工作量比較低。這一次做高頻的課設(shè)，大家一起翻閱了相關(guān)的資料、參數(shù)計(jì)算和電路設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)的題目是設(shè)計(jì)滿足一定要求的丙類功率放大器，由于在高頻中己經(jīng)接觸過(guò)丙類功率放大器，并對(duì)它的功能以及技術(shù)指標(biāo)有了一定得了解。在拿到題目后，我們沒(méi)有停止過(guò)學(xué)習(xí)丙類功率放大器，一直在尋找一種最佳設(shè)計(jì)方案得出符合要求的電路圖。但是在這過(guò)程中自己遇到很多的困難，雖然對(duì)丙類功率放大器己經(jīng)有了很大了解，但這些只是一個(gè)很籠統(tǒng)的概念，不能解決自己在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。因此,我們結(jié)合己