高频LC谐振功率放大器的设计.doc

高频电子线路课程设计 高频电子线路 课 程 设 计 题 目 高频LC谐振功率放大器的设计 系 (部) 信息工程系 班 级 09通信（2）班 姓 名 学 号 指导教师 200 年7 月 4 日至 7 月 0 日 共 1 周 目 录前言11 高频LC谐振功率放大器原理21.1 原理电路21.2 高频功率放大器的特性曲线.31.3 功率放大器的三种工作状态51.4 高频功率放大器的外部特性52 高频LC谐振功率放大器电路设计72.1 实验电路参数计算72.2高频LC谐振功率放大器设计电路73高频谐振功率放大器电路的仿真与分析83.1 EWB软件简介83.2软件界面介绍83.3EWB软件对丙类功放的仿真113.3.1电路仿真图113.3.2负载特性113.3.3输入电压改变时对电路的影响143.3.4当电源电压改变时对电路的影响173.3.5输入仿真和输出仿真203.4中心频率、通频带、放大倍数的计算224 心得体会255 参考文献26前言随着无线通信技术的发展，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。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的发射功率，这就要用高频谐振放大器将信号放大到所需的发射功率；在接受设备中，从天线上感应到的信号是非常微弱的，一般在级，要将传送的信号恢复出来，需要将信号放大，这就需要用高频小信号谐振放大器来完成。高频功率放大器的主要功能是放大高频信号，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，需要经过多级功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。已知能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在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，因此除要求高频功放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，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。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。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。为了提高效率，高频功放多工作在丙类状态。高频功率放大器主要用于放大高频信号或高频已调波信号，由于采用谐振回路做负载，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，电路中的功率信号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放大，另一方面可以是电压增益随输入信号大小变化，即实现不失真放大。本次课设用EWB软件对谐振功率放大器进行了研究，并要求我们掌握LC谐振功率放大器的仿真设计方法。1 高频LC谐振功率放大器原理1.1原理电路图1 谐振功率放大器的基本电路图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ib，ib控制了较大的集电极电流iC，iC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，常选在丙类状态下工作，为了保证在丙类工作，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。晶体管的作用是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。线路特点：(1) LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。(2)电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压（或零偏压）。关系式：(1)外部电路关系式： (2)晶体管的内部特性: (3)（半）导通角： 根据晶体管的转移特性曲线可得： 即集电极的导通角是由输入回路决定的。必须强调指出：集电极电流ic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。1.2高频功率放大器的特性曲线图2 谐振功率放大器的转移特性曲线 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： m-回路两端的基频电压 -基频电流 -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)根据激励电压的大小在特性曲线上画出对应输出电压和电流脉冲的波形；(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。图3 晶体管的输入和输出特性曲线 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。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： (当 时) 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 的关系曲线就叫做动态特性。图4 功率及效率随负载变化的波形1.3功率放大器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，将放大器的工作状态分为三种情况：(1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方(2)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(3)临界工作状态：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。1.4高频功率放大器的外部特性 高频放大器的负载阻抗、激励电压、供电电压、4个外部变量会影响放大器的工作状态、功率及效率等。对应的影响关系分别为：RL欠压区过压区临界区Ic1IcoUc1 PoRL欠压区过压区临界区PDPc图5 高频功率放大器的负载特性UcmIcmlIcoUbm过压临界欠压O图6 高频功率放大器的振幅特性图7 高频功率放大器的调制特性2 高频LC谐振功率放大器电路设计2.1实验电路参数计算 晶体管2N2222A的主要参数为：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 通频带宽：2.2高频LC谐振功率放大器设计电路80022K图8功率放大器设计电路3 高频谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1EWB软件简介随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。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台软件，它具有这样一些特点： (1)采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台， 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操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 (3)EWB软件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，它可以同其它流行的电路分析、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，熟悉常用电子仪器测量方法。(6)用EWB进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。(7)不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件, 还提供了各种丰富的调试测量工具：各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。(8)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。因此非常适合电子类课程的教学和实验。这次课程设计，我们将了解EWB软件的初步知识和基本操作方法。3.2 软件界面介绍图9 主窗口图10 元件库图11 基本器件库图12 信号源库图13 指示器件库图14 仪器库图15 二极管库3.3 EWB软件对丙类功放的仿真3.3.1电路仿真图图34 电路仿真图3.3.2负载特性当负载电阻为1K时，电路处于欠压状态 图9 输入电压及直流电流 图10 输出电压当负载电阻为2K时，电路处于临界状态： 图11 输入电压及直流电流 图12 输出电压当负载电阻为3K时，电路处于过压状态： 图13 输入电压及直流电流图14 输出电压3.3.3输入电压改变时对电路的影响当输入电压为100mV时电路处于欠压状态：图15 集电极直流电流 图16 输出电压当输入电压为350mV时电路处于临界状态：图17 集电极直流电流 图18 输出电压当输入电压为500mV时电路处于过压状态：图19 集电极直流电流 图20 输出电压3.3.4当电源电压改变时对电路的影响 当电源电压为25V时，电路处于欠压状态： 图21 输入电压及集电极电流 图22 输出电压当电源电压为12V时，电路处于临界状态： 图23 输入电压及集电极直流电流图24 输出电压当电源电压为4V时，电路处于过压状态： 图25 输入电压及直流电流 图26 输出电压3.3.5输入仿真和输出仿真3.4 中心频率、通频带、放大倍数的计算1.中心频率图37 LC谐振功放的输出波特图图38 LC谐振功放的输出波特参数所以：中心频率为13.3448MHz2.放大倍数图39 LC谐振功放的输入输出电压输入电压为350mv，输出电压为10.2214v放大倍数Au=10.2214v/350mv=29.213.通频带图40 LC谐振功放的输出波特图图41 LC谐振功放的输出波特参数通频带B=X1-X2=15.6792M-12.5917M=2.08M4 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。这次课程设计主要是对高频电路中放大器这部分知识的应用。通过设计高频功率放大器，进一步将理论转化成实践，并在实践中检验理论。本次课程设计要求我们掌握LC谐振功率放大器1原理分析及电路图设计2用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试(1)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 通频带宽：(2)观察高频功率放大器的负载特性(3)研究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(4)研究直流电源电压对高频功率放大器工作状态的影响，这次的电路设计更加增强我对高频LC谐振功率放大器性能的了解。让我更加明白了为什么电路的放大倍数和通频带互相制约和影响，为什么集电极输出电流为余弦脉冲而真正的输出信号却和输入信号频率相同。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 。 其中最大收获就是锻炼了我独立思考的能力，锻炼了我的计算机应用能力，由于参数的计算有点复杂，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。 我现在已经初步学会了如何设计符合要求的高频谐振功率放大器，但是离真正能够利用已学的知识自由设计使用电路的还有一段的距离。这是我的第一次课设，从这次课程设计中我发现了自己很多不足之处，自己的专业只是还有很大的漏洞，这就要求我在以后的学习生活中，就一步弥补自己的不足，使自己的能力得到深层提高。此次高频课程设计，将是我人生中一笔宝贵的财富。5.参考文献1 曾兴文，刘乃安，陈健.高频电子线路M.北京：高等教育出版社，20072 张肃文等.高频电子线路M(第四版).北京：高等教育出版社，20043 路而红等.虚拟电子实验室M.北京：人民