《高频电子线路》课程设计说明书-高频谐振功率放大器设计.doc

武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书学号： 201 - 201 学年 第 学期 课 程 设 计 报 告题 目： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师： 成 绩： 电气工程系201 年 月 日目 录摘要11设计目的及意义.12 高频功率放大器简介11.1 高频功率放大器的分类11.2 高频功率放大器的主要技术指标.21.3 功率放大器的三种工作状态21.4 高频功率放大器的分析方法33 放大器电路分析42.1 谐振功放基本电路组成42.2 集电极电流余弦脉冲分解52.3 谐振功率放大器的动态特性72.3.1 谐振功放的三种工作状态72.3.2 谐振功率放大器的外部特性84 单元电路的设计113.1 丙类功率放大器的设计113.1.1 放大器工作状态的确定113.1.2谐振回路和耦合回路参数计算123.2 甲类功率放大器的设计123.2.1电路性能参数计算123.2.2静态工作点计算143.3 电路原理图143.4 电路仿真图155 电路的安装与调试166 课程设计心得体会18参考文献19附录12021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，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。 本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后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。关键词：高频谐振功率放大器 谐振回路 耦合回路 工作状态1.设计目的及意义由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射机的功率要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。本次课程设计使通过已学的电路基础知识，模拟高频振动功率放大器，使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输，这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗匹2.高频功率放大器简介在通信电路中，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20000 Hz，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Hz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（5351605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，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）。2.1 高频功率放大器的分类高频功率放大器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。谐振功率放大器的特点： 放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 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。 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。 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。2.2 高频功率放大器的主要技术指标高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。2.3 功率放大器的三种工作状态高频功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，图1-1为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。表1-1为甲、乙、丙三种工作状态的特点。提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高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，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。 甲类 乙类 丙类图1-1 放大器的三种工作状态表1-1 不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理想效率负 载应 用甲类qc=18050%电阻低频乙类qc=9078.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90qc18050%h78.5%推挽低频丙类qc90h78.5%选频回路高频丁类开关状态90%100%选频回路高频2.4 高频功率放大器的分析方法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。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量IC0和基频分量Icm1。根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。如图为晶体管实际特性和理想折线。理想化折线（虚线）icgceb0VBZIcgcr欠压区临界线过压区0Ec图1-2 晶体管实际特性和理想折线3.放大器电路分析3.1 谐振功放基本电路组成如图2-1所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。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，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。图2-1 高频功率放大器基本电路 图2-2为谐振功率放大器各级电压和电流波形。图2-2 谐振功率放大器各级电压和电流波形3.2 集电极电流余弦脉冲分解当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。晶体管的内部特性为： ic = gc (ebVBZ)它的外部电路关系式： eb = VBB + Vbmcoswtec = VCC Vcmcoswt当wt=0时， ic = ic max因此， ic max = gcVbm(1cos qc)若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得 ic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+由傅里叶级数的求系数法得其中q / a1 /a0 = g1a0a1a2a3a0 , a1 , a2 , a32.01.01.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.50.40.30.20.10-0.05图2-3 尖顶脉冲的分解系数由图可见，当qc120时，Icm1/Ic max达到最大值。在Ic max与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取qc=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。为了兼顾效率和功率，常常取导通角70度左右。3.3 谐振功率放大器的动态特性3.3.1 谐振功放的三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。 ic ic 3 2 1 Im 0 180 90 半导通角 wt B A C D 3 2 1 负载增大 eb=ebmax max VCC Q ec min Vc 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 Rp Vc Vc图2-4 电压、电流随负载变化波形高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压Vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。3.3.2 谐振功率放大器的外部特性(1)负载特性如果VCC、VBB、Vb 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。欠压状态：B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。临界状态：负载线和Eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小RRecrIC1mVC1mIC0欠压过压RLRecr欠压过压P1P0PCh图2-5 谐振放大器的负载特性(2)集电极调制特性集电极调制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能随VCC变化的特性。如图2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脉冲宽度一定，因而对应于VCEmin的动态点必定在VBEVBEmax的那条特性曲线上移动；当VCC由大减小时，相应的VCEmin也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，IC波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。VC1mIc1mIc0过压 临界 欠压过压 临界 欠压VCCVCChP1P0图2-6 谐振放大器的集电极调制特性(3)基极调制特性基极调制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能随VBB变化的特性。如图2-7所示。当Vbm一定， VBB自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相应的Vcm）增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。VC1mIC1mIC0欠压 0 临界 过压VBBhP0P1欠压 0 临界 过压VBB图2-7 谐振放大器的基极调制特性(4)放大特性放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着Vbm的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。VC1MIC1MIC0hP0P1欠压 临界 过压欠压 临界 过压VbmVbm图2-8 谐振放大器的放大特性4.单元电路的设计4.1丙类功率放大器的设计4.1.1放大器工作状态的确定因为要求获得的效率60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70,所以谐振回路的最佳电阻为=551.25集电极基波电流振幅0.019A集电极电流最大值为=0.019/0.436=43.578mA其直流分量为=*=43.578*0.253=11.025mA电源供给的直流功率为PD=Ucc*Ico=132.3mW集电极损耗功率为P= PD PC =32.3mW转换效率为= PC / PD =100/132.3=75.6%当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流=10时，有：输入功率为P1=P0/AP=5mW基极余弦电流最大值为IBM = ICM / 4.36Ma基极基波电流振幅=4.360.436=1.9mA所以输出电压的振幅为UBM =2 P1/ IB1M5.3V4.1.2谐振回路和耦合回路参数计算丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb25,则输入阻抗87.1则输出变压器线圈匝数比为6.4在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则7.036H采用10mm6mm5mm磁环来绕制输出变压器，因为有其中 =100H/m , A=, =25mm, L =7.036H所以计算得N2=74.2甲类功率放大器的设计4.2.1电路性能参数计算甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：PH = P1 =5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH =87.1设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率取0.8，则集电极输出功率PC =6.25mW若取放大器的静态电流ICC = ICM=5mA，则集电极电压振幅UCM =2 PC / ICM =2.5V最佳负载电阻为=0.5k则射极直流负反馈电阻1780 (ICM)则输出变压器线圈匝数比2本级功放采用3DG12晶体管，取=30 =13dB即20倍放大倍数则输入功率Pi = P0 /=0.3125mW放大器输入阻抗Ri= Rbb+*R3=25+30R3若取交流负反馈电阻R3=10，则Ri=335所以本级输入电压0.46V4.2.2静态工作点计算综上可知Ui=0时，晶体管射极电位UEQ= ICQRE1 = 8.9VUBQ =9.5VIBQ = ICQ /=0.17mA若基极偏置电流I1 =5 IBQ，则R2 = UBQ /5 IBQ 11.2k所以，有2.95K4.3 电路原理图如图3-1 为高频谐振功率放大器的总体电路图。图3-1 高频谐振功率放大器电路图4.4 电路仿真图图3-2 电路仿真图5.电路的安装与调试 根据上述设计的元件参数，按图3-1所示电路进行安装(上述未标出的器件参数，以图上标注为准)。先安装第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值，再安装第二级放大器。测得晶体管2N5551静态时，基极偏置电压Ube=0，静态工作点调整后再进行动态调试。先假设谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载电阻为纯阻抗。但是回路的初始状态或者在调谐过程中，回出现失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时可能损毁晶体管。为保证元器件安全工作，调谐时可以先将电源电压+VCC降低到规定值的，待找到谐振点后，再将+VCC升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测的波形为不失真基波。图4-1 调试波形图图4-2 效果波形图图4-3 实物图6.课程设计心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。这次的高频课程设计，加深了我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 。 回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学到属于自己的知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏实际设计及动手的经验，所以难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处，比如说发现自己 对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。不过，这次实验的最大收获就是锻炼了