丙类功率放大器设计.doc

唐山学院课程设计前言 高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在接受设备中，从天线上感应的信号是非常微弱的，要靠高频小信号放大器来完成；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地发射功率，这就要用高频谐振功率放大器将信号放大到所需地发射功率。高频功率放大器的主要功用使发射高频信号，并且一高效输出大功率为目的。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经过多级高频放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。已知能量是不能放大的，高频信号的功率放大，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，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能的转换效率。低频功率放大器可以工作在甲类状态，也可以工作在乙类状态，或甲乙类状态乙类状态要比甲类状态效率高。为了提高效率，高频功率放大器多工作在丙类状态。为了进一步提高高频功率放大器的效率，近年来又出现了D类、E类、S类高频功率放大器；还有利用特殊电路技术来提高效率的F类、G类、H类高频功率放大器。本次课程设计主要是针对一些已知数据设计一个丙类高频功率放大器。1.丙类功率放大器的原理利用选频网络作为负载回路的功率放大器为谐振功率放大器。如图1所示。它是无线电发射机中的重要组成不见。根据放大器的导通角的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的放大器。导通角越小放大器的效率越高。如甲类功放的=，效率最高也只能达到50%，而丙类功放的，效率可达到80%。甲类功率放大器适合作为中间级多输出功率较小的初级功率放大器。丙类功率放大器常作为墨迹功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本实验所使用的电路为谐振功率放大器，实验所研究的是丙类功率放大器的工作原理机基本特征，具体原理图如图1所示：图1 谐振功率放大器的基本电路1.1 丙类谐振功率放大器的功率与效率1.1.1 功率关系：功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流电源所供给的直流功率P0，实质一部分转换为交流信号功率P1输出去，一部分功率以热能的形式损耗在集电极上，成为集电极耗散功率Pc。根据能量守恒定律：P0 = P1+ Pc直流功率：P0=Ic0Ucc输出交流功率：P1=UCIc1=Uc回路两端基频电压 Ic1基频电流 RL回路的负载阻抗1.1.2 放大器的集电极效率 其中集电极电压利用系数：波形系数： 为导通角的函数；越小越大。1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算 临界状态下，若已知电源电压Ucc，UBB三极管的参数gc，设电压利用系数为，集电极的导通角为。求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效率等。1) 首先要求求得集电极电流脉冲的两个主要参量i和导通角：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，为兼顾高效率的输出功率和高效率，通常集电极电流脉冲幅值2）由值，查表的电流余弦脉冲的各谐波分量、，并求得各个分量的实际值Ic0、Ic1。3）根据P1= 可求得最佳负载电阻：1.2 功率放大器的负载特性 只在其他条件不变（UCC、UBB、Ub为一定），只变化放大器的负载电阻RL而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。1.2.1 uc、ic随负载变化的波形当负载电阻RL由小至大变化时，1. 负载线的斜率由小至大，如图中123。2. 放大器的工作状态由欠压临界过压3. 输出电压uc逐渐增大4. 输出电流ic的波形由尖顶脉冲凹顶脉冲具体变化过程如图2所示：图2 高频动特性1.2.2 功率及效率随负载变化的波形：1. 欠压状态 在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压UC随负载电阻RL的增大而增大，而电流iCmax、IC1、IC0基本不变,根据 则电源功率P0不变、输出功率P1将增加，管耗将减少，如图3所示：2. 临界状态 负载线和Ub相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。3. 过压状态 放大器的负载较大，在过压区，随着负载RL的加大，、IC1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。负载特性如图3所示：1.3 丙类谐振功率放大器的偏置电路1.3.1 直流馈电电路1.集电极馈电电路根据直流电源连接方式不同，集电极电路又分为串联馈电和并联馈电两种，如图4所示：（1）串馈电路 指直流电源VCC、负载回路、功率管三者首位相接的一种直流馈电电路。C1、LC为低通滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源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。（2）并馈电路 指直流电源VCC、负载回路、功率管三者为并联关系的一种馈电电路。如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，C2为高频输出耦合电容，1.3.2 极馈电电路基极馈电电路也有串馈和并馈两种形式，图五给出了几种基极馈电形式，基极的负偏压既可以是外加的，也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。前者称为固定偏压，后者称为自给偏压。图中a是发射极自给偏压，CB为旁路电容；b为基极组合偏压；c为零偏压。自给偏压的优点是偏压能随激励大小变化，使晶体管的各极电流受激励变化的影响减小，电路工作较稳定。abc 2谐振功率放大器的电路设计2.1实验电路参数已知条件：Vcc=+10V，三极管为N2222A，管子的饱和压降，、Uces=30，fT=150MHZ，AP =6dB。主要技术指标：输出功率P0=100mW，工作频率15MHZ，效率50%，负载RL=2。确定放大器的工作状态：为了获得较高的效率和最大的输出功率，选丙类放大器的临界状态，假设P0 =120mW。2.2计算谐振回路与耦合回路的参数根据负载电阻和最佳负载可以得到抽头系数p=0.25.,同时根据工作频率为15MHZ，可以得出L=1H，C1 =150pF，C2 =448pF。具体实验电路如图6所示：图6 实验电路原理图具体计算过程如下：求最佳负载：求得最佳负载Rp=542基频电流振幅：解得：IC1=21mA集电极电流脉冲最大值：解得ICMAX=50.83mA直流分量：解得IC0=12mA直流输出功率：其中UCC=12V解得： P1=144mW功率放大的总效率：=83.4%2.谐振回路及抽头回路的电容比：由抽头电路得知：总电容：则由：抽头系数：根据负载电阻和最佳负载可以得出抽头系数P=0.253谐振放大电路的仿真与分析 3.1仿真软件的介绍电子工作平台Electronics Workbench（EWB）软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作平台软件，它具有这样的一些特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模拟仿真实验室的工作平台，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实物图相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB团建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，它可以同其他流行的电路分析、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，熟悉常用电子仪器的测量方法。EWB的优点1、 各元器件的选择范围广，参数修改方便，不会像实际操作那样多次地吧原件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得方便快捷。对不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能用于多级组合电路。2、 元件库提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件，是一个全开放的仿真实验室和课件制作平台，各我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。可以在任意组合的实验环境中，搭建实验。通过原件复制或单级电路的复制来完成整合电路的组装。因此也适用于较大型的设计性试验。3、 EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性，讲解各种参数改变对电路的影响。学生结合学习内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于加深对理论的理解。通过这样的计算机模拟仿真实验，把子技术的理论教学和实验教学有机地结合了起来。3.2谐振放大电路的分析3.2.1测量高频功率放大器的主要技术指标高频功率放大器的波特图如图7所示：图7 高频功率放大器的幅频特性根据波特图观察：放大电路的中心频率f0=15MHZ交流放大倍数约为32dB,约合40倍通频带900KHZ以上指标均符合要求3.2.2观察高频功率放大器的负载特性输入电压如图8所示：图8 仿真输入当负载RL变化时，输出波形如图9-12所示：图9 RL=2k时的输出波形图10 RL=10k时的输出波形图11 RL=50k时的输出波形图12 RL=200k时的输出波形3.2.3观察高频功放的振幅特性 固定负载电阻为2k，输入电压幅度逐渐升高输入输出关系如图13-图13输入为50mV时的输入输出关系图9 RL=10k时的波形图9 RL=10k时的波形图9 RL=10k时的波形图14 输入为300mV时的输入输出关系图15 输入为1V时的输入输出关系3.2.4直流电源电压对高频功率放大器工作状态的影响图16 直流电压为2V时的输出波形图17 直流电压为10V时的输出波形图18 直流电压为15V时的输出波形总结 在这次高频电子线路课程设计实习中，我们充分的应用了所学的知识，通过去图书馆查阅相关资料和上网搜索相关知识，我们颇有收获，粗略设计出该电路，总体来说还是比较成功的。 优点：电路简单，电路参数范围宽泛，设计时权衡了功率和效率，能达到比较好的效果。 缺点：输出波形有些误差，电路不太稳定，有些参数误差较大 由于学的不够扎实，在课程设计中遇到很多困难。尤其是在调节输出及确定参量的过程中，耗费了很多的时间与精力。同时，在各个功能的设计过程中好多的问题考虑还不够全面。 通过这次课程设计，我充分感受到了EWB的强大功能，并且通过课设，巩固了我们上课所学的知识，并把它们运用到实际中来。这次课设也暴露出我平时学习的不足，在今后的学习中要更加努力地学习，更加丰富自己的理论知识，同时增加自己亲身实践的机会，这样理论指导实践，实践反过来加深理论的理解，这样才能真正学懂一门科学。在这一周里，我总结出善于交流意见也是学习能力的一种体现，每次完成一个任务，我都会和同学们交流一