丙类功率放大器-课程设计说明书.doc

唐山学院课程设计唐山学院课程设计 1 1 前言前言 随着无线通信技术的高速发展，市场对射频电路的需求越来越大，同时对射 频电路的性能要求也越来越高。丙类谐振功率放大器是位于无线发射机末端的重 要部件，它通常被用作末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效 率。本次课设用 ewb 软件对丙类放大器进行了研究，并掌握丙类谐振功率放大 器的仿真设计方法。 高频功率放大器（简称高频功放）主要用于放大高频信号或高频已调波（即 窄带）信号。由于采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻 抗匹配等问题，因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。就放大过程而 言，电路中的功率管是在截止、放大至饱和等区域中工作的，表现出了明显的非 线性特性。但其效果:一方面可以对窄带信号实现不失真放大;另一方面又可以使 电压增益随输入信号大小变化，即实现非线性放大。根据功放电流导通角可以分 为甲类、乙类、丙类等不同类型的放大器。丙类谐振功率放大器是位于无线发射 机末端的重要部件，其效率可达到 90%，因此它通常被用作末级功放，以使发 射信号获得较大的输出功率和较高的效率。本设计对 ewb 软件进行了系统的研 究，从而掌握了丙类谐振式功率放大器的仿真设计方法。 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 2 2 2 丙类功率放大器原理丙类功率放大器原理 2.12.1 设计题目、内容及要求设计题目、内容及要求 设计题目：丙类功率放大器的设计 内容及要求： 1.高频丙类功率放大器的设计 2.用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试 3.测量高频功率放大器的主要技术指标 4.观察高频丙类功率放大器的负载特性 5.研究输入信号幅度的变化对功率放大器的输入功率、输出功率、总效率的 影响 6.研究直流电源电压对高频丙类功率放大器工作状态的影响 2.22.2 设计原始资料设计原始资料 模拟电路、高频电路理论基础、ewb 软件、计算机一台 2.32.3 实验原理实验原理 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振放大器。如:图 1 谐振 高频功率放大器原理图所示。它是无线发射机中的重要组成部件。根据放大器电 流导通角的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流 c 导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的导通角，效率最高也 0 =180c 只能达到，而丙类功放的导通角,效率可达到。甲类功率放50%c 0 9080% 大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作 为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本课设使用的是丙类功率放大 器，研究的是是丙类功率放大器的功率及效率。 图 1 谐振高频功率放大器原理图 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 3 2.3.12.3.1 丙类谐振功率放大器的效率与功率丙类谐振功率放大器的效率与功率 功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制，起到把集电极电源直流 功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下，转换的 功率越高，输出的交流功率越大。 集电极电源提供的直流功率： 0 v 式中为余弦脉冲的直流分解系数。 c0 i c0cmc ii() 式中，为余弦脉冲的最大值；为余弦脉冲的直流分解系数。 cm i 0c （） 式中，为晶体管的导通电压；为晶体管的基极偏置；为功率放 bb u bb v bm v 大器的激励电压振幅。 集电极输出基波功率： 式中为回路两端的基频电压，为余弦电流脉冲基频电流，为回路 c u c1 i l r 的谐振阻抗。 集电极效率： 式中，为集电极电压利用系数；为余弦脉冲的基波分解系数。 1( ) c 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。在实际运用中， 为兼顾高的输出效率和高效率，通常。 oo c=60 80 2.3.22.3.2 丙类放大器的负载特性丙类放大器的负载特性 欠压状态：在欠压区至临界点 的范围内，放大器的输出电压随负载电 c u 阻的增大而增大，而电流、基本不变，输出电流的振幅基本上不 l r cmax c1 i c0 i 随变化而变化，故输出功率基本不变。 cc u 临界状态：负载线和正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态 b u 时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。其对应的最佳负载电阻 值，用表示， p r即： 当变小时，放大器处于欠压工作状态，如 c 点所示。集电极输出电流较 p r 0c0cc p =i u bbbb bm uu cos u c arc c c1 1 00 1 u i p1 2 pu2 ccc cc1l cccc ui r uu 2 ccces p 0 (vu) r 2p 2 2 c 1c c1c1l l u11 p =u i =i r 22r2 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 4 大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。变大时，放大器处于过 p r 压工作状态，如 b 点所示。集电极电压虽然较大，但集电极电流凹陷，因此输 出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通 常选择在临界工作状态。 设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是： 。 cccmces v-u=u 式中，为集电极输出电压幅度；为电源电压；为晶体管饱和压降。 cm u cc v ces u 过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载的加大，要下降， l r 1c i 因此放大器的输出功率和效率也要减小。输出电流的振幅将随的减小而下降， cc v 故输出功率也随之下降。 其负载特性如图 2 谐振功率放大器的负载特性。 2.3.32.3.3 丙类高频功放的振幅特性丙类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、 b u 功率及效率的变化特性。由图 3 高频功放的振幅特性可以看出，在欠压区， 、随的增加而增加，但并不一定是线性关系。在过压区，基本 c0 i c1 i c u b u c u 不随变化，可以认为是恒压区，放大等幅信号时，应选择在此状态。 b u 2.3.42.3.4 欠压、临界、过压工作状态的调整欠压、临界、过压工作状态的调整 调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负 载；改变供电电压；改变偏压；改变激励。 l r cc u bb u b u 方法 1:改变，但、不变：当负载电阻由小至大变化时， l r b u cc u bb u l r ic ic c b a icmax 0 180 90 半导通角 t b a c d 3 2 1 负载增大 ube=ub ucc q uces uc 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 rl uc uc 欠压 过压 0 临界 ic1 ic0 uc rl 0 po p1 pc 欠压 过压 临界 rl 图 2 谐振功率放大器的负载特性 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 5 放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。 方法 2:改变，但、不变：当集电极供电电压由小至大 cc u l r b u bb u cc u 变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。 方法 3: 变化，但、不变或变化，但、不 b u cc u bb u l r bb u cc u b u l r 变：这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是还是 b u 的变化，其结果都是引起的变化。当或由小到大变化时，放大器 bb u be u bb u b u 的工作状态由欠压经临界转入过压。 图 3 高频功放的振幅特性 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 6 3 3 丙类功率放大器电路设计丙类功率放大器电路设计 3.13.1 实验电路图 图 4 为此次课设的电路图。 3.23.2 放大器电路设计要求 本次课设要求用 ewb 仿真软件做出一个符合要求的电路图，以及对电路的 分析和调试。 已知条件：, , ，晶体管为 2n4401， b v =5vf=6.5mhz cc v=5v l r =51 主要参数为，管子饱和压降，, 。30 ces u0.6v p a 6db 主要技术指标：输出功率：，取,工作频率， 0 p100mw 0 p =150mwf=6.5mhz 效率，负载。50% l r =51 3.33.3 丙丙类放大器电路分析 根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电 两种，如图 5。 l c c1 lc +vcc a lc c c1 +vcc l c2 (a) 串馈 (b) 并馈 图 5 集电极馈电电路 图 4 高频功率放大器电路图 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 7 串馈电路指直流电源、负载回路(匹配网络)、功 率管三者首尾相接的 cc v 一种直流馈电电路。、为低通滤波电路，a 点为高频地电位，既阻止电源 1 clc 中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。并馈电路 cc v 指直流电源、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路 cc v 如图 5 为高频扼流圈，为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源， c l 1 c 为高频输出耦合电容。 2 c 基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极偏置常采用自给偏置电路-串馈； 由负电源-u 分压供给基极偏置电压-串馈；零偏压-串馈。 图 6 基极馈电电路 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 8 4 4 丙类功率放大器电路的仿真与分析丙类功率放大器电路的仿真与分析 4.14.1 ewb 软件软件介绍介绍 4.1.14.1.1 ewb操作介绍操作介绍 ewb 是 electronic workbeach 的缩写，称为电子工作平台，是一种在电子技 术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室“。 其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用 ewb 可 实现大部分硬件电路实验的功能。 ewb 可以完成电子工作平台的设计试验, 在上面可建立各种电路进行仿真 实验。电子工作平台的器件库可为用户提供 350 多种常用模拟和数字器件，设计 和试验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式，有的虚拟 器件还可直观显示，如发光二极管可以发出红绿蓝光，逻辑探头像逻辑笔那样可 直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以 烧断，灯泡可以烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比 例移动改变阻值。电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、 数字万用表、双通道 1000mhz 数字存储示波器、999mihz 数字函数发生器、可 直接显示电路频率响应的波特图仪、16 路数字信号逻辑分析仪、16 位数字信号 发生器等，这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有 关数据或波形。电子工作平台还具有强大的分析功能， 可进行直流工作点分析， 暂态和稳态分析，高版本的 ewb 还可以进行傅立叶变换分析、噪声及失真度 分析、零极点和蒙特卡罗等多项分析。 使用 ewb 对电路进行设计和实验仿真的基本步骤是： 1. 用虚拟器件在工 作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号；连接信号源等虚拟仪器；4 .选 择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。 元器件与仪器的连线：当元器件和仪器放置好后，就可对元器件和仪器开始 连线。先移动鼠标到要连接的元器件的端点，此时鼠标会变成一个小黑圆点，按 下鼠标并拖动它，当拖动到另一元器件端点时鼠标又变成小黑圆点形状，此时松 开鼠标按键，则两个元器件间就建立了一根连线。当从一个元器件端点往一根连 线上连线时，拖动鼠标靠近该线时线上会出现一个小黑圆点，此时松掉鼠标则该 元器件会连接到该连线上，并自动产生一个节点。同样，当往一个节点上连线时 也是作同样的操作。只是线与节点上可以产生不止一个的小黑圆点，分别对应不 同的方向，连线时应注意小黑圆点的朝向。 元器件参数的编辑与修改：用鼠标双击要编辑的元器件就会弹出该元器件的 参数对话框，用户可在该对话框中对它的各种参数进行修改。 仿真环境的设定：用户在对电路进行仿真之前，要先对仿真分析环境进行设 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 9 定。在菜单栏上依次选取 analysis、analysisoption，则弹出 analysisoption 对话框，用户可对其中的仿真环境参数进行设定，如环境 温度，绝对电流误差等。 对绘制好的电路进行仿真：在上述步骤完成后，按下启动按钮即可进行电路 仿真。此时用户可以对电路的工作进行各种分析，如付里叶分析，噪声分析等等， 用鼠标双击电路中的仪器可以打开仪器面板，通过改变面板上的参数来改变电路 输入状态或查看电路仿真结果，如改变信号发生器的输出波形、幅度和频率等来 改变电路的输入状态，用户也可以查看它的仿真结果，如查看万用表上的指示值， 查看示波器上的波形等。 4.1.24.1.2 ewb 软件中各界面介绍软件中各界面介绍 图 7 函数信号发生器和示波器 函数信号发生器：可以根据需要产生各种频率及振幅的正弦波、三角波、方 波。双击其在工作区的图标，可以显示设置函数信号发生器所要产生信号的各种 参数的界面。示波器：是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果 的重要仪器。双击示其在工作区的图形可以将其接入点电路的波形显示出来，并 可以调节各种显示参数大小。 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 10 4.2 实验电路分析 4.2.14.2.1 放大器的工作状态放大器的工作状态及电路各参数计算及电路各参数计算 实验中电路示波器中的波形输出如图 9 所示： 图 8 ewb 软件基本元器件 图 9 仿真电路高频功放输出与输入波形 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 11 （图 9 中上方曲线为输出电压波形，下方曲线为输入电压波形） 1.效率 为了获得较高的效率 和较大的输出功率,选丙类放得起的工作状态为临 1 p 界状态，可由求最佳负载的公式： o =70 c 得最佳负载为：。rp= 294 基波电流振幅为： 解得： c1m i=31.94ma 集电极电流脉冲的最大值： 解得： 直流分量： c0cm ii() c 0 解得： c0 i=18. 53ma 直流输出功率： =cc c0 p = v i 其中： cc v=10v 解得： = p =18.53mw 功率放大的总效率： 2.谐振回路及抽头回路的电容比 2 ccces p 0 (vu) r 2p 0 c1m p 2p i r c1m cm i i () c 1 0 1 p150 =80.9% p183.5 图 10 测试电路 cm i=73.26ma 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 12 由抽头电路知： 总电容： 则由： 抽头系数： 若取： 则求的： 3.偏置电路 由偏置电路可知:加入后，。 bb u bbc0ece v =-(i r )(i i ) 0 取， e r =10 则： bb v =-0.1v 则： 已知，则 bz u =0.6v bm u=2.046v 4.2.2 主要技术指标的测试 1.输出功率 高频功放的输出功率是指在放大器负载 rl 上得到的最大不失真功率。对于 图 4 所示电路，集电极的输出功率为高频功率放大器的输出功率，即 放大器的输入功率为： 为电流计 m1 测得的电流。 c0 i 2.效率 （为高频毫伏表测量的负载电压值，为直流毫安表测量值） l u co i 2 2 c 1c c1c1l l u11 pu ii r 22r2 0c0cc p =i v 12 12 (c c ) c= (c +c ) 2 0 1 w = lc 00 w =2f 1 c p= c l p r p=0.4 r 2 03 1 c= 2fl（） bzbb bm (u -u ) cos= u c 2 0ll 1c0cc pur = pi v 3 l50 h 1 c =83.3 f 2 c =416 f 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 13 4.34.3丙类功率放大器的负载特性 放大器的输出电压随负载电阻的增大而增大,当，uc l r l r40 ， ，图像分别如下图 11、图 12、图 13 所示： l r51 l r75 图 11 当时，输出的波形 l r40 图 12 当时，输出的波形 l r51 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 14 图 11、图 12、图 13 描述了负 载由小到大的变化过程，即丙类功率放大器由欠压经临界再到过压的过程变 l r 化。通过观察输出波形的变化可得：在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出 电压随负载电阻的增大而增大电源功率不变、输出功率将增加，管耗 c u l r 0 p 1 p 将减少，效率将增加。放大器的负载较大时，在过压区，随着负载的加大， l r 下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。 1c 4.44.4输入信号幅度的变化对功率放大器的影响 图 13 描述了输入信号幅度由小到大的变化过程，即丙类功率放大器由 bm 欠压经临界再到饱和的过程变化。通过观察输出波形的变化可得：在欠压区至临 图 13 当时，输出的波形 l r75 图 14 输入信号变化时对丙类功放的影响 (a)2.5 bm =(b)3.1 bm =( )4.5 bm c= 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 15 界点的范围内，放大器的输出电压随输入信号幅度的增大而增大，电源 c bm 功率增加、输出功率将增加，效率将增加。在过压区，电源功率基本不 o 1 o 变、输出功率基本不变，效率将增加，效率基本不变。 1 4.54.5高频功放的集电极调制特性 改变，但、不变，当集电极供电电压由小至大变化时， cc l c bb cc 放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。由小变大。当, c 8 cc v ，,图像分别如下图 15、图 16、图 17 所示：12 cc v16 cc v 图 15 当时，输出的波形8 cc 图 16 当时，输出的波形12 cc 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 16 直流电压源电压由大到小的变化过程，即丙类功率放大器由欠压经临界 cc 再到饱和的过程变化。通过观察输出波形的变化可得：在欠压到临界输出电压的 振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电压 cc 的振幅将随的减小而下降，故输出功率也随之下降。 cc 总结 图 17 当时，输出的波形 cc u16v 唐山学院课程设计唐山学院课程设计 17 ewb 软件使用简单易学，我们可以在具体的实践过程中很容易掌握它的功 能，使它成为电子设计时一个得心应手的工具。在此次短短一周的课程设计，我 充分应用了所学知识，完成了老师所要求的内容，成功的应用 ewb 仿真软件做 出了丙类功率放大器的模型。 通过课程设计，是自己更好的掌握课本知识，并更加深入理解所学东西，达 到了手脑结合的目的。在学习中不断发现问题，并及时与老师、同学沟通，互相 探讨，并解决问题，并在一定程度上培养了自己查阅资料，动手解决实际问题的 能力。 ewb 软件在一定程度上方便了电路的设计，是理想状态下的实验，可以做 到无扰计算和测量。与其它电路仿真软件相比较，ewb 具有界面直观、操作方 便、采用图形方式创建电路等优点，构造电路、调用元器件和测试仪器等都可以 直接从窗口图形中调出，可以对电子元器件进行一定程度的非线性仿真，不仅测 试仪器的图形与实物相似，而且测试结果与实际调试基本相似。使用虚拟测试仪 器对电路进行仿真实验如同置身于实验室使用真实仪器测试电路，既解决了购买 大量元器件和高档仪器的难处，又避免了仪器损坏等不利因素。软件直观的电路 图和仿真分析结果的显示形式非常适合于电子类课程课堂和实验教学环节，是一 种非常好的电子技术实训工具。可以弥补实验