高频功率放大器设计 高频电子线路课程设计 22页.doc

目 录前言11 高频LC谐振功率放大器原理2 1.1 集电极电源提供的的直流功率2 1.2 集电极的输出功率2 1.3 集电极效率3 1.4 谐振功率放大器的负载特性3 1.5 谐振功率放大器的实际线路42 高频LC谐振功率放大器电路设计5 2.1 实验电路参数计算5 2.2 实验原理电路63 高频LC谐振功率放大器电路的仿真与分析7 3.1 仿真软件EWB简介7 3.2 高频LC谐振功率放大器的仿真与分析83.2.1 高频LC谐振功率放大器的主要技术指标93.2.2 EWB软件对高频LC谐振功率放大器的仿真93.2.3 观察高频功率放大器的负载特性123.2.4 输入信号幅度变化对高频功放输出功率、总效率的影响143.2.5 直流电源电压对功率放大器工作状态的影响164 总结18参考文献19 前言高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在发射设备中，为了有效地使信号通过信道传送到接收端，需要根据传送距离等因素来确定发射设备的发射功率，这就要用高频谐振功率放大器将信号放大到所需的功率；在接收设备中，从天线上感应的信号是很微弱的，要将传输的信号恢复出来，需将信号放大，这就需要高频小信号功率放大器来完成。已知功率是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功放器产生符合要求的高频功率外，还要求尽可能高的转换效率。 频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大， 决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。 高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。1 高频LC谐振功率放大器原理利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。如图1所示。它是无线电发射机中的重要组成部件。根据放大器的电流导通角的范围可以分为甲类、甲乙类、乙类、丙类和丁类等不同类型功率放大器。当时就是丙类功率放大器。图1 功率放大器的基本电路谐振功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制起到把集电极的直流功率变换为负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。1.1 集电极电源提供的直流功率集电极电源提供的直流功率。式中的为余弦脉冲的直流分量；是基极直流电源电压。式中为余弦脉冲的最大值；是余弦脉冲的直流分解系数。式中是三极管的导通电压；是三极管的基极偏置；是激励电压的振幅。1.2 集电极的输出功率集电极输出功率。式中是集电极输出电压振幅；是余弦脉冲的基波分量；是谐振电阻。1.3 集电极效率集电极效率。式中是电压利用系数；是波形系数。功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际中，为兼顾功率和效率，通常取导通角在60度到80度之间。1.4 谐振功率放大器的负载特性当LC谐振功率放大器的电源电压，基极偏置电压，激励电压确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻。放大器的交流负载特性如图2所示。图2 高频LC谐振功率放大器的负载特性由图可见当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点B时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和电压，集电极电流脉冲接近最大值。此时集电极输出功率和效率都较高，放大器处于临界状态。是对应的值称为最佳负载电阻。在、不变的条件下，对不同的负载电阻，放大器的电流、电压功率和效率的负载特性由图3所示。图3 放大器的负载特性曲线1.5 谐振功率放大器的实际线路高频功率放大器和其他放大器一样，其输入和输出端的管外电路均由直流馈电线路和匹配网络两部分组成。直流馈电线路由集电极馈电线路和基极馈电线路组成，常用的输出匹配网络主要有两种类型：LC匹配网络和耦合回路。常用的馈电线路如下图所示。下图中的图a是利用集电极电流的分量在R上的压降得到偏置电压，图中的电容是高频旁路电容。图b是利用基极电流在基区扩展电阻r上的压降作为偏置压降。其缺点是偏压小且不稳定。图c是利用发射极电流的直流分量在R上建立偏压，图中的电容是旁路电容，避免R上产生交流反馈。图4 基极偏置电路2 高频LC谐振功率放大器的电路设计高频LC谐振功率放大器的根本目的是提高功率和效率，使其放大电路的消耗功率最小。因此基极采用基极偏置的形式，从而能够使偏置电压能够随输入电压及激励电压的变化而变化，这样可以实现电压的自动调节。并且基极偏置电路要满足交流有交流通路，直流有直流通路，并且交流不流过直流偏置电压的原则。晶体管的放大要实现实验要求的放大，实现电流的放大，从而使效率有所提高。2.1 实验电路参数计算 本课程设计所设计的高频LC谐振功率放大器，其输入信号为信号发生器产生的15兆赫兹的高频信号，其交流放大倍数大于25，输出交流电压峰-峰值大于2伏，通频带宽大于等于250千赫兹。所以选高频LC谐振功率放大器的工作状态为临界状态，谐振回路的负载电阻为2千欧姆，由图中电压表和电流表可得到相应的参数：由电流表的示数可得到集电极基波电流振幅：=3.168mA；直流电源的电压：Ucc =12V；功率放大器的总功率为：=38.016mW；由电压表的示数可得到集电极的输出电流为：Uc =7.525V；谐振回路的负载电阻为R=2K；功率放大器的输出功率为：P1=28.313mW；功率放大器的总效率为=74.5%；由上述结果可知设计结果与要求基本符合，电路设计符合要求。2.2 实验原理电路图5 实验原理电路各器件的参数如图中所示，R3和R5作为直流偏置，用来调整电路的静态工作点，R1是反馈电阻，起稳定三极管的静态工作点的作用，L1、C3、C4组成选频网络，其谐振频率为15兆赫兹。3 高频LC谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1 仿真软件EWB简介ELECTRONICS WORKBENCH EDA（以下简称EWB）：EWB软件是交互图像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在九十年代初推出的EDA软件，但在国内开始使用却是近几年的事，现在普遍使用的是在WIN95环境下工作的EWB5.0（在国内曾见过6.0的演示版，注：EWB5.0也可以在WINDOWS3.1环境下使用，但需安装WING32工具），相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，它的仿真功能十分强大，可以几乎100地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，容易上手，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内,如下为它的工作界面，图6 EWB的工作界面对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式，该软件只有英文版，在中文版的WINDOWS98下它的一些图标会偏移两个位置（在WINDOWS95下正常），但不影响它的使用，由于EWB的容量小，而且直接拷贝到别的机子上就可以使用， EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。3.2 高频LC谐振功率放大器的仿真与分析电路仿真原理图：图7 EWB仿真原理电路图3.2.1 高频LC谐振功率放大器的主要技术指标高频LC谐振功率放大器的仿真电路如图7所示，各器件的参数如图7所示，负载两端的电压如图9所示。由上面实验电路参数的计算可知，P0=38.016mW；P1=28.313mW；由公式计算得效率=74.5%。将计算所得的结果与设计要求比较可得该仿真电路符合设计要求。3.2.2 EWB软件对高频LC谐振功率放大器的仿真输入信号参数：图8 输入信号参数输入信号的的中心频率为15MHz，输入信号的幅度为0.2V。输出端波形：图9 输出端波形由输入信号参数和输出端波形可计算出输出电压放大倍数为97倍，虽然放大倍数有些偏大，但满足题目所给的大于等于25倍的技术指标，符合题目的设计要求。通频带仿真：图10 通频带仿真通过通频带的仿真图可以较为直观的观察出通频带的宽度；由图中可以读出放大器的通频带为98.07MHz；图中所标注的位置虽然与理想的有偏差，通频带的宽度有些偏大，但是符合题目的设计要求。中心频率仿真：图11 中心频率仿真中心频率的仿真图可以直观的观察出谐振的中心频率，本图中的中心频率f0=14.225MHz,与理想的15MHz有些偏差，但符合题目的设计要求。幅频特性仿真：图12 幅频特性仿真相频特性仿真：图13 相频特性仿真通过波特图可以观察输出信号的幅频特性和相频特性，对电路设计的结果有较好的观察，对进一步分析电路的输出波形有较好的帮助。3.2.3 观察高频功率放大器的负载特性图14 R=2K时的输出波形图15 R=2.5K时的输出波形图16 R=3K时的输出波形待添加的隐藏文字内容3 高频功放的负载特性是指只改变负载电阻R，高频功放的电流、电压、功率及效率变化的特性，当R较小时，高频功放工作在欠压状态，当R增加到最佳负载电阻时，此时R=2.5K，放大器进入临界状态，在临界状态下再增大R时，这样会使晶体管在导通区间进入到饱和区，从而使放大器工作在过压状态。对比图14、图15、图16，当R的值由小变大时，高频LC谐振功率放大器的工作状态由欠压状态经临界状态向过压状态变化。与预期的实验结果接近，符合设计要求。3.2.4 输入信号幅度变化对高频功放输出功率、总效率的影响图17 高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。当输入电压的幅度增大时，放大器的工作状态由欠压经临界再到过压，在欠压状态，输出电压、输出功率随输入信号幅度的增大而增大，在过压状态，输出电压、输出功率稳定，不再随输入信号的幅度变化。以下三个图为改变输入信号幅度对放大器参数的影响；由图中的参数可以观察出放大器的电压的变化，从而推出放大器的输出功率、效率的变化及工作状态的变化。图18 输入电压为0.2V时的输出波形图19 输入电压为0.5V时的输出波形图20 输入电压为0.8V时的输出波形3.2.5 直流电源电压对功率放大器工作状态的影响当集电极供电电压Ucc由小到大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。图21 Vcc为5V时的输出波形图22 Vcc为12V时的输出波形图23 Vcc为15V时的输出波形集电极的调制特性是指只改变Ucc，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性，当电路的其他参数不变时，当Ucc由大到小变化时，功放的工作状态由欠压状态到临界，在进入到过压状态，集电极的电流从一完整的余弦脉冲变化到凹顶脉冲。观察以上三个图的输出电压变化情况可得到集电极电流的变化，从而推出高频功放的输出功率，效率的变化情况，经分析可知高频功率放大器的工作状态的变化情况与预期的情况基本接近，说明电路的设计符合要求。4 总结课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次的高频课设，使我加深了对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力。本课程设计是高频LC谐振功率放大器的设计，给出了具体的要求，设计的电路如上所述。该电路采用的是基极馈电电路，并且是并联馈电电路。其选频网络采用的是LC并联谐振回路，该放大器的有稳定静态工作点的功能和保护直流电源不受高频分量影响的功能，满足所有的设计要求。该放大器的优点是容易搭建，尤其是其选频网络，能满足设计要求；该放大器有稳定静态工作点的功能和保护直流电源不受高频分量影响的功能。其缺点是因没有选用抽头选频网络而造成的阻抗匹配能力较差，带负载能力不强。为期一周的高频课设让我感想很多，从理论计算到实际电路的确立和仿真，其中遇到了很多的困难，但是通过解决这些问题，不仅使我巩固了以前学过的知识，我还学到了很多新的知识，通过这次课程设计使我体会到了理论与实践相结合的重要性，平时我们所做的高频都是在理想条件下且做了一定的近似，但仿真设计却是在实际情况下的操作，若是器件的参数选的不恰当，就会使最后的仿真结果不理想。所以只有理论与实践相结合起来，理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1 曾兴文、刘乃安、陈健. 高频电子线路. 北京: 高等教育出版社, 20072 张肃文等. 高频电子线路（第四版）. 北京: 高等教育出版社, 20043 路而红等. 虚拟电子实验室. 北京: 人民邮电出版社, 20064 钟苏,刘守义,马晓明. 高频电子技术. 西安：西安电子科技大学出版社, 20075 阳昌汗. 高频电子线路. 北京: 高等教育出版社, 20066 高吉祥. 高频电子线路. 北京: 电子工业出版社, 2007