高频课程设计资料.doc

2015 2016学年 第 1 学期高频电子线路课 程 设 计 报 告题 目： 高频谐振功率放大器的设计 专 业： 电子信息工程 班 级： 姓 名： 指导教师： 电气工程学院 2015 年 12月12日任务书课题名称高频谐振功率放大器的设计指导教师（职称） 执行时间20152016学年第1学期 第14周学生姓名学号承担任务系统电路设计及协调电路原理分析电路原理分析硬件电路设计硬件电路设计画电路图及仿真设计目的1、 了解丙类功率放大器的工作原理；2、 掌握丙类功率放大器的分析方法；3、 熟悉丙类功率放大器的三种工作状态；4、 掌握简单的高频谐振功率放大器的设计。设计要求1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计；2、电源电压Vcc12V；3、工作频率f06MHz；4、负载电阻R75时，输出功率P0100Mw，效率60；5、完成课程设计报告摘 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;工作状态目 录高频电子线路1任务书2摘 要3目 录3第一章 高频功率放大器简介41.1 高频功率放大器的分类51.2 高频功率放大器的主要技术指标51.3 功率放大器的三种工作状态61.4高频功率放大器的分析方法7第二章 放大器电路分析82.1 谐振功放基本电路组成82.2集电极电流余弦脉冲分解92.3 谐振功率放大器的动态特性102.3.1 谐振功放的三种工作状态102.3.2 谐振功率放大器的外部特性112.3.2.1 负载特性112.3.2.2 集电极调制特性122.3.2.3 基极调制特性132.3.2.4 放大特性13第三章 单元电路的设计143.1丙类功率放大器的设计143.1.1放大器工作状态的确定143.1.2 谐振回路和耦合回路参数计算153.2甲类功率放大器的设计153.2.1电路性能参数计算153.2.2 静态工作点计算163.3 电路原理图17第四章 课程设计心得体会17参考文献18答辩记录及评分表19第一章 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（5351605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz，如中心频为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）。1.1 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。1.2 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。1.3 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。表1-3-1 不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理性效率负载应用甲类c=18050%电阻低频乙类 c=90785%推挽，回路低频，高频 甲乙类90 c18050%78.5%推挽 低频 丙类c78.5% 选频回路 高频丁类开关状态 90%100%选频回路高频 UiUiUi000ttticicic000ttt=/2=60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70(1（70）=0.436,0（70=0.253),输出电压UL=2.804V，负载RL=75，则输出功率：PO=U2L/RL=157mW集电极基波电流振幅：IC1m=UCM/RP=37.39mA集电极电流最大值为：Icm=Ic1m/1（70）=85.75mA其直流分量为：Ic0=Icm*0（70）=43.578*0.253=21.69mA电源供给的直流功率为：PD=UCC*IC0=260.33mW转换效率为：=Po/PD=157/260.3360.3%当本级增益Ap=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流=10时，有输入功率为：P1=P/A=5mW基极余弦电流最大值为：IBM=ICM/4.36Ma基极基波电流振幅：IB1M=IBM1（70)=4.360.436=1.9mA所以输出电压的振幅为：UBM=2P1/IB1M5.3V3.1.2 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:Z1=Rbb/(1-cos) 1（）=25/(1-cos70)0.436 87.1则输出变压器线圈匝数比为：N3/N1=（RL/R0)1/20.37在这里，我们假设取N3=3和N1=8，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则L=(1/2f0)2/C7.036H采用10mm6mm5mm磁环来绕制输出变压器，因为有:L=4() (A)cm2/(l)cm N2210-3其中 =100H/m，Amm2, l=25mm, L=7.036H所以计算得N=73.2甲类功率放大器的设计 3.2.1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=Z1=87.1设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率b取0.8，则集电极输出功率：PC=PH/b6.25mW若取放大器的静态电流ICC=ICM=5mA，则集电极电压振幅：UCM=2PC/ICM=2.5V最佳负载电阻为：RH=UCM2/2Pc=0.5k则射极直流负反馈电阻:RE1=UCC-UCM-UCES/Icq1780(IcqICM)则输出变压器线圈匝数比为：N1/N2=(RH b/R0)1/22本级功放采用3DG12晶体管，取=30，A=13dB即20倍放大数，则输入功率：Pi=P0/ A=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：Uim=(2RiPi)1/20.46V3.2.2 静态工作点计算 综上可知Ui=0时，晶体管射极电位UEQ =ICQRE1=8.9VUEQ =9.5VIBQ=ICQ/=0.17mA若积极偏置电流I1=5 IBQ，则R2=UBQ/5 IBQ11.2k所以，有R1=Ucc-Ub0R2/Ub02.95k3.3 电路原理图 图3-3-1 功率放大器电路图如图3-3-1 为高频谐振功率放大器的总体电路图。图3-3-2 输出电压图3-3-3 输入信号波形图3-3-4 输出信号波形第四章 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我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要求我在设计过程中必须认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。而参数不对，最终将直接影响到仿真的结果。另外，虽然以前也接触过Multisim软件，在电路图的设计和仿真过程中，还是遇到一些难题，比如器件一时找不到，仿真时得不到想要的效果，但是，通过上网百度，问同学还是解决了，收获很多，对Multisim有了更深入的了解。 课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。我总结出，在每次课设中，遇到问题最好的办法就是和组员探讨，问同学，问老师，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。参考文献1 夏术泉，艾青，南光群编著.通信电子线路.北京理工大学出版社,2010年5月2 谢自美主编. 电子线路设计实验测试. 华中科技大学出版社，2006年8月3 高建新等主编. 电子技术实验与实训. 机械工业出版社，2006年8月4 赵淑范等主编. 电子技术实验与课程设计. 清华大学出版社，2006年8月5 曾兴雯主编. 高频电子线路. 高等教育出版社出版，20