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综合课程设计-高功率放大器的设计.doc

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综合课程设计-高功率放大器的设计.doc

东北大学秦皇岛分校电子信息系综合课程设计高功率放大器的设计专业名称电子信息工程班级学号学生姓名指导教师设计时间2011.06.202011.07.012课程设计任务书专业电子信息工程学号5081109学生姓名(签名)设计题目高频功率放大器的设计及仿真一、设计实验条件Multisim软件二、设计任务及要求1.设计一高频功率放大器,要求的技术指标为输出功率Po≥125mW,工作中心频率fo6MHz,η652.已知电源供电为12V,负载电阻,RL51Ω,晶体管用2N2219,其主要参数Pcm1W,Icm750mA,VCES1.5V,fT70MHz,hfe≥10,功率增益Ap≥13dB(20倍)。三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务(设计任务书)2.前言(绪论)设计的目的、意义等3.设计主体(各部分设计内容、分析、结论等)4.结束语(设计的收获、体会等)5.参考资料四、设计时间与安排1、设计时间2周2、设计时间安排熟悉实验设备、收集资料12天设计图纸、实验、计算、程序编写调试34天编写课程设计报告23天答辩1天3摘要高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一,通信电路中,为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出,通信距离越远,要求输出功率越大。在高频范围内,为了获得足够大的高频输出功率,就要采用高频功率放大器。由于高频功率放大器的工作频率高,相对频带窄,所以一般采用选频网络作为负载回路。本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作介绍,在性能指标分析基础上进行单元电路设计最后设计出整体电路图,在软件中仿真验证是否达到技术要求,对仿真结果进行分析,最后总结课设体会。4目录一、高频功率放大器知识简介...........................51.1电路工作原理...................................................................................................61.2高功放性能分析...............................................................................................81.2.1谐振功率放大器的动态特性...............................................................91.2.2功率放大器的负载特性.......................................................................91.2.3放大器工作状态的调整......................................................................10二、方案论证......................................13三、电路设计与参数计算..............................143.1设计任务要求.................................................................................................143.2单元电路设计.................................................................................................143.2.1甲类谐振放大器.................................................................................143.2.2丙类高功放.........................................................................................163.3总体电路图设计.............................................................................................17四、电路仿真与结果分析..............................194.1multisim软件简介........................................................................................194.2仿真波形.........................................................................................................204.2.1输入信号波形.....................................................................................204.2.2一级甲类放大波形.............................................................................204.2.3两级甲类放大波形.............................................................................214.2.4最终输出波形.....................................................................................214.2.5结果分析.............................................................................................22五、元件清单......................................23六、心得体会......................................24七、参考文献.....................................255一、高频功率放大器知识简介在通信电路中,为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出,通信距离越远,要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率,必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中,发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小,因此在它后面要经过一系列的放大,如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等,获得足够的高频功率后,才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。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。例如,自20至20000Hz,高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载,如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高(由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz),但相对频带很窄。例如,调幅广播电台(535-1605kHz的频段范围)的频带宽度为10kHz,如中心频率取为1000kHz,则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高,则相对频宽越小。因此,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。61.1电路工作原理利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路,可在很宽的频率范围内获得线性放大,但效率很低,一般只有20左右,一般作为发射机的中间级,以提供较大的激励功率。利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小放大器的效率越高。如丙类功放的小于900,丙类功放通常作为发射机的末级,以获得较大的输出功率和较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图11所示。图11谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的特点(1)放大管是高频大功率晶体管,能承受高电压和大电流。(2)输出端负载回路为调谐回路,既能完成调谐选频功能,又能实现放大器输出端负载的匹配。(3)基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压,使电路工作在丙类状态。(4)输入余弦波时,经过放大,集电极输出电压是余弦脉冲波形。晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用,谐振回路LC是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图12所示。7图12功率放大器各分压与电流关系由于晶体管工作在丙类状态,晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲。由傅立叶级数可知,一个周期性函数可以分解为许多余弦波(或正弦波)的叠加。可以将电流分解为0122CccmcmcnmitIIICostICosnt(54)012ccmcmcnmIIII分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅图13iCt各次谐波的波形示意图在对谐振功率放大器进行分析与计算时,关键在于直流分量和基波分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式,可以求出式(54)直流分量及各次谐波分量下面仅列出前面几项的表达式10maxmax01SinCoscccCosIii

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