高频谐振功率放大器

课程名称 高频电子线路课程名称 高频电子线路 设计课题 高频谐振功率放大器 系 别 机电工程学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 指导教师 设计时间 2009 12 7 2009 12 12 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器 设计者 指导教师 摘要 本电路主要由谐振回路 耦合回路 基极偏置电路三部分组成 本电路主要应用于 发射机的末级功率放大 突出特点为有较高的输出功率和效率 关键词 高频 甲类功放 丙类功放 谐振 引言 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器 这是无线电发射机 中的重要单元电路 根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管电流导通角 的范围 可分为甲类 乙类 丙类及丁类等不同类型的功率放大器 电流导通角越小 放大器的效 率越高 丙类放大器的导通角 90 效率 可达到 80 高频功率放大器一般选择在 丙类工作状态 本设计采用甲类功放输出的最大不失真信号作为激励源 丙类功放作为末 级功放以获得较大的输出功率和较高的效率 1设计任务与要求 设计一个高频谐振功率放大器 技术要求 输出功率P0 3W 工作中心频率f0 6 5MHz 效率 50 负 载RL 50 电源电压VCC 9V 2 f0 7 3 25MHz 2方案设计与论证 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器 根据放大 器电流导通角 的范围可以分为甲类 乙类 丙类及丁类等不同类型的功率放 大器 电流导通角 愈小 放大器的效率 愈高 如甲类功放的 180 效 率最高也只能达到 50 而丙类功放的 90 效率 可达到 80 甲类放 大器电流的流通角为 180 适用于小信号低功率放大 乙类放大器导通角等 于 180 丙类放大器导通角则小于 180 乙类和丙类都适用于大功率工作 丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者 高频功率放大器大 多工作于丙类 但丙类放大器的电流波形失真太大 因而不能用于低频功率放 大 只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大 由于调谐回路具有滤波 能力 回路电流与电压仍然极近于正弦波形 失真很小 综上考虑本设计采用 甲类功率放大器作为激励级 丙类功率放大器作为末级功放以获得较大的输出 功率和较高的效率 基本电路如图 1 所示 图 1 高频功率放大器基本电路 本设计要求输入 6 5MHz 信号经功率放大器放大输出一个信号 再经过阻抗变换 网络产生高频输出交流电压 其基本框图如下所示 图 2 高频功放原理框图 3单元电路设计与参数计算 3 1 确定功率放大器最佳负载 R0 图 3 设晶体管饱和电压降为1 V VCC 9 V R0 VCC VCE SAT 2P0 9 1 2 3 10 7 3 2 静态工作点 VEQ 9 1 V 8V 图3 Q2集电极调谐回路CCCEVV 输出输出 功率功率 放大器放大器 谐振谐振 电路电路 匹配匹配 网络网络 6 5MHZ CR0 L 9V ICQIEQ VEQ Re 8 1 6A 5A VCQ VEQ VCE 8 1 V 9V 3 3 晶体管Q2的选择 集电极基波电流振幅 Icm1 VCM R0 VCC VCE SAT R0 9 1 10 7A 0 74A 为了获得较高的效率及最大的输出功率 选取 c 70 a0 70 0 253 a1 70 0 436 集电极电流脉冲的最大值 ICM Icm1 a1 70 0 74 0 436A 1 75A 直流分量 Ic0 ICM a0 70 1 75 0 253A 0 43A 电源供给的直流功率 P VCCIc0 9 0 43W 3 9W 集电极的耗散功率 PC P P0 3 9 3 W 0 9W 放大器的转换效率 P0 P 3 3 9 77 最大管耗 PCM 0 2P0 集电极与发射极击穿电压 URCEO 2 VCC 即 URCEO 18V 晶体管 C1970 的主要参数 特征频率 f 175MHZ 额定输出功率 P0 5W 集电极与发射极击穿电压 URCEO 40V 集电极额定电流 Ic0 600mA 所以选用晶体管 C1970 3 4 谐振回路及耦合回路的参数 并联到 LC 回路上的总损耗电导为 1 QLW0L QL 2 1P G 0 0 7 f 2 f 6 6 6 5 10 3 25 10 go1 1 RO gi2 1 RL 初级抽头比为 P1 N2 N4 1p 12o G g 初次级匝数比 P2 N3 N4 1p i22 G g 由 得 N3 N2 0 3 L O R R 取 N3 2 N2 6 若取集电极并联谐振回路的电容C 60pF 回路电容C CC3 C3 CC3 2 5pF C3 57pF 得回路电感为 L 1 2 f0 C 1 2 6 5 60 H 10 H 6 10 12 10 得出N4 N3 02L L Q W L R N4 11 Ap P0 Pi Ap随 Pi变化而变化 Pi为输入功率 4总原理图及元器件清单 总原理图如图 4 所示 由图可知 Q2 中由 LC 单回路构成集电极负载 它 调谐与放大器的中心频率 LC 回路与本级集电极电路的连接采用自耦变压器形 式 抽头电路 与下级负载的连接采用变压器耦合 采用这种自耦变压器 变 压器耦合形式 可以减弱本级输出导纳与下级晶体管输入导纳对 LC 回路的影 响 同时适当选择初级线圈抽头位置与初次级线圈的匝数比 可以使负载导纳 与晶体管的输出导纳相匹配 以获得最大的功率增益 为了避免寄生耦合 对 集电极电源进行滤波 丙类功放所需元器件清单如下表所示 元件清单表 元件序号型号主要参数数量备注 Re1 6K 1 0 15 元 RL50 1 0 15 元 Q2C1970 f MHZ 175 P0 W 5 URCEO V 40 Ic0 mA 600 1 单价 0 2 元 厂家 MTT 封装形式 TO 202 C10 01 F1 0 09 元 C2 2 5pF 1 0 12 元 C357pF1 0 15 元 C40 01 F1 0 09 元 C50 01 F1 0 09 元 ZL147 H1 0 19 元 L12 2 H1 0 11 元 Ce0 01 F1 0 09 元 总计 1 44 元 RB2 RB1 Re2 RL Re Re1 C1 C2 Ce1 C3 Ce C4 CC3 ZL1 L1 Ui T1 Q1 Q2 T2C5 VCC Ui 图 4 高频功率放大器电路原理图 5 末级丙类放大器的仿真 5 1 构造实验电路 直接用信号源代替甲类激励模拟 利用 EWB 软件绘制如图 5 所示的高频谐振功率放大器实验电路 图 5 高频谐振功率放大仿真电路 图中 各元件的名称及标称值如下表所示 序号元件名称及标号标称值 1信号源 Ui270mV 2MHz 2负载 RL 10k 3基极直流偏置电压 VBB0 2V 4 集电极直流偏置电压 VCC 9V 5谐振回路电容 C13pF 6基极旁路电容 Cb0 1uF 7集电极旁路电容 Cc0 1uF 8高频变压器 T1N 1 LE 1e 05H LM 0 0005H RP RS 0 9晶体管 Q1 C1970 5 2 动态性能测试 1 输入输出电压波形 当接上信号源 Ui 时 开启仿真器实验电源开关 双击示波器 调整适当的 时基及 A B 通道的灵敏度 即可看到如图 6 所示的输入 输出波形 图 6 高频谐振功率放大器输入 输出波形图 2 调整工作状态 1 分别调整负载阻值为 5 k 100 k 可观测出输入输出信号波形的差异 2 分别调整信号源输出信号频率为 1MHz 6 5MHz 可观测出谐振回路对 不同频率信号的响应情况 3 分别调整信号源输出信号幅度为 100mV 400mV 可观测出高频功率放 大器对不同幅值信号的响应情况 图 7 高频谐振功率放大器工作于欠压状态输入 输出波形图 图 8 高频谐振功率放大器工作于过压状态输入 输出波形图 由图 8 可知 工作与过压状态时 功率放大器的输出电压为失真的凹顶脉 冲 通过调整谐振回路电容或电感值 可观测出谐振回路的选频特性 6 结论与心得 为期一周的高频课程设计已经结束了 回顾设计的点点滴滴 我们有太多 的收获 过程是痛苦的 结果是收获的 这就是我们这一周来最大的感受 我 们是在发现问题和解决问题中不断进步的 在此次设计时我们也遇到了不少的 困难和问题 但在同伴们的共同努力下 辛苦的去钻研 去学习 最终都克服 了这些困难 使问题得到了解决 通过这一个星期的学习 我们都发现了自己 的很多不足 自己知识的很多漏洞 看到了自己的实践经验还是比较缺乏 理 论联系实际的能力还急需提高 经过这次课程设计 我们对前面的路有了更多 的信心 因为在这个过程中 我们学到了不少实用的东西 对于一些专业基础 课有了更深层次的掌握 并且提高了动手能力和独立解决问题的能力 本周课 程设计不但锻炼了我们最基本的高频电子线路的设计能力 更重要的是让我们 更深刻的