高频电子线路课程设计-功率放大器

高频电子线路课程设计前言在通信电路中，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，而且通信距离越远，要求输出功率越大。所以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。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。高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。它主要应用于各种无线电发射机中。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经过多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。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高的转换效率。应当指出，尽管高频功放和低频功放的共同特点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。低频功放的工作频率低，但相对频带很宽。工作频率一般在20-20000Hz，高频端与低频端之差达1000倍。所以，低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻，变压器等非调谐负载。而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫到几百兆赫，甚至几万兆赫，但相对频带一般很窄。例如调幅广播电台的频带宽度为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1%。因此高频功放一般都采用选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一样，其负载采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中。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，高频功放多工作在丙类状态。为了进一步提高高频功放的效率，近年来又出现了D类，E类和S类等开关型高频功率放大器。 1高频LC谐振功率放大器原理1.1高频功率放大器简介高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。 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。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）。1.2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。1.3高频谐振功率放大器的工作原理 图1-1 晶体管高频功率放大器的原理线路图1-1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。除电源和偏置电路外，它是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流，控制了较大的集电极电流，流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在C类状态下工作，为了保证在C类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。就是说，晶体管工作在截止和导通两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是，高频功放选用谐振回路作负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量外，还有谐波分量和其他频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤出；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放以高效输出大功率。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。1.3.1工作原理分析(1)外部电路关系式 (2)晶体管的内部特性 (3)导通角 根据晶体管的转移特性曲线可得：故得（4）集电极输出直流功率：式中为余弦脉冲的直流分量。式中，为余弦脉冲的最大值；为余弦脉冲的直流分解系数。式中，为晶体管的导通电压； 为晶体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。（5）集电极输出基波功率式中，为集电极输出电压振幅；为余弦电流脉冲的基波分量；为谐振电阻。其中 。（6）集电极效率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，为兼顾高的输出功率和高效率，通常取。1.3.2功放的特性曲线图1-2 谐振功率放大器的转移特性曲线必须强调指出：集电极电流虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。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功率 ，使之一部分转变为交流信号功率输出去，另一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。根据能量守衡定理： 直流功率：输出交流功率：为回路两端的基频电压,为基频电流为回路的负载阻抗 图解分析法的步骤：(1)测出晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线，并将这两组曲线折线化处理；(2)作出不同工作状态下的动态特性曲线；(3)根据激励电压Ub的大小在特性曲线上画出对应输出电压Uc和电流脉冲ic的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、效率等指标的。晶体管的特性曲线及其特性方程由图可见，在放大区，有转移特性方程：所以，集电极电流随激励而正向变化。由图可见，在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。因此有临界线方程： 在截止区，有方程：图1-3 晶体管的输入和输出特性曲线谐振功率放大器的动态特性曲线（负载线）高频放大器的工作状态是由负载阻抗、激励电压、供电电压等4个参量决定的。如果, 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的 uce，ube和ic 的关系曲线就叫做动态特性。图1-4 功率及效率随负载变化的波形2高频LC谐振功率放大器电路设计由任务书知测量高频功率放大器的主要技术指标交流电压放大倍数： 输出交流电压峰-峰值：中心频率：15MHz左右 通频带宽：设计原理电路图如下所示：图2-1 高频功放原理设计图为使输出不失真可以将输入信号设置成400mv的余弦信号，负载为2k。此时的放大倍数由输出电压比上输入电压。设定谐振回路为 L=1H 、C=125pF ,从而由计算谐振频率公式：计算谐振频率f0=14.5MHz ,于是将信号源频率设置成14MHz 即可。按设置的参数运行电路之后，观察波特图可读出通频带 B=490KHZ ，满足要求。3高频LC谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1 EWB仿真软件简介EWB软件，全称为ELECTRONICS WORKBENCH 是加拿大Interactive Image Technology 公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作台软件。它可以对模拟、数字或混合电路进行仿真。该软件的特点是采用直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，用屏幕抓取的方式选用元器件，创建电路连接测量仪器。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。 EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。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。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。这里，我们向大家介绍EWB软件的初步知识，基本操作方法，内容仅限于对含有线性RLC元件及通用运算放大器电路的直流、交流稳态和暂态分析。图3-1 EWB软件的窗口界面3.1.1元器件和仪器的放置EWB的电路图就在工作区中绘制，绘制时用户从工具栏的各个按钮中选取出要放置的元器件和仪器仪表，用鼠标拖放到工作区中。EWB中图标所对应的元器件类如图所示：图3-2 图标所表示的元器件类3.1.2元器件参数的编辑与修改及与仪器的连线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。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。3.1.3对绘制好的电路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，如傅里叶分析，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。EWB中的仪器是非常直观的，其仪器面板几乎和我们平时所用的仪器一样，用户会发觉这些仪器比实际使用中的那些仪器还要好用，比如示波器，它不仅无需进行同步调整，而且它还有波形记忆功能，用户可以随时查看仿真过程中任一时该的输出波形。 3.2 EWB软件对LC谐振功放的仿真3.2.1 LC谐振功放设计电路仿真图将设计好的电路用EWB软件进行仿真即可得到LC谐振功放的仿真电路图图3-3 高频谐振功放仿真电路图3.2.2 LC谐振功放的输入输出信号仿真图在EWB软件中使用示波器观察LC谐振功放输入输出信号的仿真图图3-4输入信号的参数设置及波形仿真图图3-5 输出信号的波形仿真图由图3-4与图3-5可知输入电压峰峰值为800.6690V，输出电压峰峰值为20.4016V，所以电压放大倍数为25.5倍。 3.2.3 LC谐振功放仿真波特图在EWB软件中使用仪器观察LC谐振功放输入输出信号仿真波特图图3-6 输出信号的仿真波特图3.3仿真分析3.3.1中心频率及通频带宽通过仿真波特图观察LC谐振功放电路的中心频率及通频带宽图3-7 高频功放的中心频率由上图可知中心频率：f0=14.39MHZ图3-8 高频功放的下边频由上图可知下边频：f1=14.08MHZ图3-9 高频功放的上边频由上图可知上边频：f2=14.57MHZ所以通频带为:B=f2-f1=490KHZ3.3.2 高频功率放大器的负载特性通过示波器显示的输出仿真图观察负载对高频功放的影响。图3-10 R=1K时信号输出波形图当负载电阻R=1K,此时Ic0=2.879mA,Ic1=3.808mA,输出信号电压如上图所示，由图中可知输出电压峰峰值为10.5312V图3-11 R=2K时信号输出波形图当负载电阻R=2K,此时Ic0=2.886mA,Ic1=3.659mA,输出信号电压如上图所示，由图中可知输出电压峰峰值为20.3526V图3-12 R=3K时信号输出波形图当负载电阻R=3K,此时Ic0=2.774mA,Ic1=2.905mA,输出信号电压如下图所示：由图中可知输出电压峰峰值为23.5804V结论：随着负载的增大，其特性由欠压区到临界再到过压区，输出电压在欠压区时随负载增大而增大，在饱和区时基本不变。Ic0,Ic1在欠压区时基本不变，到过压区时随负载增大而减小3.3.3输入信号幅度的变化对功率放大器输出功率、总效率的影响由仿真图观察输入信号幅度变化时对功率放大器输出功率及效率的影响。图3-14 Ic0及Uc的电表读数图3-13输入信号参数 如上图所示：当输入信号电压Ub=300mV时，输出电压Uc=6.282V，集电极直流电流为Ic0=2.535mA。此时直流输入功率 P1=30.42 mW,交流输出功率Po=19.732mW,总效率=64.86%。图3-16 Ic0及Uc的电表读数图3-15输入信号参数如上图所示：当输入信号电压Ub=400mV时，输出电压Uc=7.280V，集电极直流电流为Ic0=2.875mA。此时直流输入功率 P1=34.5 mW ,交流输出功率Po=26.50mW,总效率=76.81%。图3-17 输入信号参数图3-18 Ic0及Uc的电表读数 如上图所示：当输入信号电压为Ub=500mV时，输出电压Uc=8.262V，集电极直流电流为Ic0=3.325mA。此时直流输入功率 P1=39.9 mW,交流输出功率Po=34.13mW,总效率=85.54%。 图3-20 Ic0及Uc的电表读数图3-19输入信号参数 如上图所示：当输入信号电压Ub=600mv时，输出电压Uc=8.344V，集电极直流电流为Ic0=3.565mA。此时直流输入功率 P1=42.78 mw ,交流输出功率Po=34.81mw,总效率=81.37%。结论：随着输入信号幅度的增大谐振功放电路由欠压向临界过渡，放大器的输出功率及总效率增大，到达欠压区时趋于平衡基本不变。3.3.4直流电源电压对高频功率放大器工作状态的影响通过仿真软件中电压表、电流表观察当直流电压源变化时对高频功放工作状态的影响图3-21 Vcc=8V时Ic0,Ic1，Uc的电表读数如上图所示：当Vcc=8V时，集电极电流Ic0=1.617mA,Ic1=2.067mA,输出电压Uc=4.125V 图3-22 Vcc=10V时Ic0,Ic1，Uc的电表读数如上图所示：当Vcc=10V时，集电极电流Ic0=2.216mA,Ic1=2.822mA,输出电压Uc=5.632V 图3-23 Vcc=12V时Ic0,Ic1，Uc的电表读数如上图所示：当Vcc=12V时，集电极电流Ic0=2.877mA,Ic1=3.649mA,输出电压Uc=7.283V图3-24 Vcc=14V时Ic0,Ic1，Uc的电表读数如上图所示：当Vcc=14V时，集电极电流Ic0=3.537mA,Ic1=4.426mA,输出电压Uc=8.835V结论：随着直流电源Vcc的增大Ic0,Ic，Uc亦增大最后基本不变，高频放大器的工作状态由过压区经临界状态到欠压状态。4 总结4.1课程设计简述本次课程设计，是设计一个高频LC谐振功率放大器。通过分析最大输出功率与输出阻抗的关系从而确定匹配网络，进而确定电路中的个参数，从而设计出高频LC谐振功率放大器的电路图。在设计完电路之后，再用EWB去仿真设计完的电路，通过观察输出的电压的波形与幅值进一步求出输出功率，验证是否与理论值相一致。观察不同输出电阻时的输出功率，来了解输出电阻对输出功率的影响，并验证理论当中输出负载对输出功率的影响；观察不同输入电压幅值对高频功放输出电压、总效率的影响；观察不同直流电源对高频功放工作状态的影响。4.2电路设计的优缺点