丙类功率放大器的设计分析报告汇报

1、目录1引言12丙类谐振功率放大器原理22.1原理电路22.2电流与电压波形22.3功率与效率42.4功放的工作状态42.5功放的负载特性53丙类功率放大器的设计63.1丙类功率放大器设计图63.2设计原理63.2.1放大器的工作状态的确定63.2.2直流馈电线路设计73.2.3选频网络设计83.2.4输出匹配网络设计84电路仿真与分析114.1仿真软件的介绍114.2电路仿真与分析144.2.1仿真电路144.2.2仿真波形分析155总结19参考文献201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。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

2、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，这就要用高频谐振功率放大器将信号放大到所需的功率；在接收设备中，从天线上感应的信号是很微弱的，要将传输的信号恢复出来，需将信号放大，这就需要高频小信号功率放大器来完成。高频谐振放大器根据电流导通角的范围可以分为甲类、甲乙类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角越小，放大器效率越高。使用高频谐振放大器的目的是放大高频信号使发射机末级获得足够大的发射功率，使信号由天线发射出去。对高频谐振放大器的要求有：高功率输出、高效率输出。为了兼顾功率和效率就需要用到丙类和丁类高频谐振放大器，本设计就是丙类高频谐振放大器的设计。2丙

3、类谐振功率放大器原理.原理电路如图2-1所示，在高频功率放大器中，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。为了保证在类工作，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.以上，可达，甚至更大。也就是说，晶体管工作在截止的导通（线性放大）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，高频功放选用的是谐振回路作负载，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（基波分量）外，还有谐波分量和其他频率成分，用谐振回路选出有

4、用分量，将其他无用分量滤除；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。图2-1谐振高频功率放大器原理图.电流与电压波形从图2-1可得以下电路关系式：（）外部电路关系式：（）晶体管的内部特性：（）（半）导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得：即（）由于晶体管周期性的导通，故集电极电流为周期性的脉冲电流，如图2-2所示，而周期性的尖顶脉冲可以进行傅里叶频谱分解：集电极电流虽然是脉冲状，但由于谐振回路的滤波和选频作用，仍然能得到正弦波形的输出。图2-2集电极电流的波形由傅里叶级数的求系数法得：其中：也可查余弦脉冲的分解系数表得到（）谐

5、振功率放大器中各部分电压与电流波形如图2-3所示：图2-3丙类功率放大器的电流和电压波形.功率与效率（）集电极电源提供的直流功率：（）集电极输出基波功率：（）集电极效率：集电极电压利用系数波形系数2.4功放的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： 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： 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图2-4丙类功放的三种工作状态.功放的负载特性功放的负载特性即在其他条件不变（为一定），只变化放大器的负载电阻而引起的

6、放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。负载电阻由小到大变化时，工作状态由欠压变化到过压，波形如图2-5所示。图2-5功放的负载特性3丙类功率放大器的设计.丙类功率放大器设计图设计要求：输出功率，工作频率，效率，负载。根据前述丙类功率放大器的工作原理及设计要求，本人设计的丙类功率放大器原理图如图3-1所示。该设计图除晶体管外包括基极馈电线路、集电极馈电线路、选频网络、输出网络及负载电阻等部分。（手绘）图3-1丙类功率放大器设计电路图（1） 该丙类功率放大器电路，利用在电阻上的压降得到偏置电压（2） 集极处接滤波电路，防止交流信号流经电源。（3） 输出回路，先经电容滤波，之后经选频网络，得

7、以选出所需频率信号。.设计原理.放大器的工作状态的确定为获得较高的效率和输出功率，选丙类放大器的工作状态为临界状态，谐振回路的最佳负载电阻为：其中取.。集电极基波电流振幅为集电极电流脉冲的最大值为直流分量为直流功率为功率放大器的总效率为.直流馈电线路设计1集电极馈电线路图3-2是集电极馈电的两种形式：串联馈电线路和并联馈电线路。本设计采用并联馈电线路，即晶体管、谐振回路和电源三者是并联联接的。在图3-1设计图中为滤波电容，为扼流圈，为耦合电容。通常取，。的作用是阻止高频电流流过电源，的作用是提供交流通路，通过使用扼流圈和耦合电容，使功放中交流有交流通路、直流有直流通路、并且交流不流过直流电源。

8、图3-2集电极馈电线路的两种形式2基极馈电线路基极馈电线路也有并馈和串馈两种形式。图3-3为常用几种基极馈电形式，图3-3-（）为发射极自给偏压；图3-3-（）为基极组合偏压；图3-3-（）为零偏压。本设计采用射极自给偏压，由和组成，为旁路电容，取，通常取.。自给偏压的优点是偏压能随激励大小变化，使晶体管的各极电流受激励变化的影响减小，电路工作较稳定。图3-3基极馈电线路的几种形式.选频网络设计由前面丙类功率放大器原理知道集电极电流为周期性脉冲电流，该电流可以分解为直流、基波（信号频率分量）和各次谐波分量，选频网络主要作用是从这些分量中选出有用分量，将其他无用分量滤除。本设计中选频网络由并联组

9、成，若取集电极并联谐振回路的电容，则回路电感为为可调电容，最大值为，通过调节它可以微调输出的频率。.输出匹配网络设计输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络。这种匹配网络有L型、p型、T型网络及耦合回路，分别如图3-4、图3-5、图3-6所示。图3-4型匹配网络图3-5型和型匹配网络图3-6输出耦合回路输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波、和高效率。需要匹配的原因是：当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。匹配的原理为：通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗ZL转换成放大管所要求的最佳负载阻抗RLCR，使管子送出的功率P1能尽可能多的馈至负载。在

10、实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载（如天线等）相匹配。型网络虽然简单，但由于只有两个元件可选择，因此在满足阻抗匹配关系时，回路的值就确定了，但阻抗变化比不大时，回路值低，对滤波不利，因此本设计采用型网络，有效地避免了以上的缺点，另外也可以采用型网络或输出耦合回路。参数计算如图3-7，其中，取，经计算得出：。图3-7型输出匹配网络计算图由于负载电阻阻值较小，用型网络将负载进行阻抗变换，变换为最佳负载阻抗使功放工作于临界状态，以获得较高的输出功率和效率。4电路仿真与分析.仿真软件的介绍ELECTRONICS WORKBENCH EDA（以下简称EWB）：EWB软件是交互图

11、像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在九十年代初推出的EDA软件，但在国内开始使用却是近几年的事，现在普遍使用的是在WIN95环境下工作的EWB5.0。相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部

12、模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式，该软件只有英文版，在中文版的WINDOWS98下它的一些图标会偏移两个位置（在WINDOWS95下正常），但不影响它的使用，由于EWB的容量小，而且直接拷贝到别的机子上就可以使用。EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为El

13、ectronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（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

14、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。图4-1运行界面EWB软件带有丰富的电路元件库（如图4-2所示），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。信号源库基本器件库数字集成电路库逻辑门电路库数字器件库控制器件库指示器件库其它器件库仪器库二极管库晶体管库模拟集成

15、电路库混合集成电路库图4-2电路元件库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，熟悉常用电子仪器的测量方法。本设计中用到的数字多用表、函数信号发生器和示波器的图标和面板分别如图4-3、图4-4、图4-5所示。负端正端参数设置图4-3数字多用表图标和面板负端正端偏值幅度占空比频率信号波形选择按钮图4-4函数信号发生器图标和面板A通道B通道接地触发时基控制面板展开触发控制X轴偏置Y轴偏置外触发输入自动触发Y轴输入方式图4-5 示波器图标和面板.电路仿真与分析.EWB仿真电路图4-6设计电路仿真图设置输入信号的频率为

16、.，参数设置如图4-7所示，按下仿真启动开关进行仿真测试，这时输入信号波形如图4-8所示。图4-7输入参数设置图图4-8输入波形图调节示波器，导通角=，()=0.391，()=0.218当Vcc=5V时，可从示波器上读出=3.6V输出功率=0.5*/=127电压利用系数=/=72%集电极效率=0.5*()/(）=64.57%4.仿真波形分析（1）输出频率图4-9 测频率从示波器读出，周期为153.8462nS，则可计算出输出信号频率f=1/T，为6.499MHz。基本符合实验要求。（2） 改变负载电RL图4-10 改变负载电当增大负载电阻时，输出信号幅值增大。（3） 改变激励电压图4-11 改

17、变激励电压当增大激励电压时，输出信号幅值增大。激励电压过大时，波形会出现尖顶凹陷。（4） 改变集电极电源电压Ucc图4-12 改变集电极电源电压Ucc当增大集电极电源Ucc时，输出信号幅值增大。5总结在这一周的高频电子线路课程设计中，同学们对丙类功率放大器有了更加深刻的认识。经过查阅搜索相关资料，设计出了基本满足要求的电路。该电路利用基极电流的直流分量在电阻上的压降得到偏置电压，并且并联旁路电容，起到通交隔直的作用。它的优点是偏置电压随输入信号电压的大小起自动调节作用。但也有不足之处，选频网络不能很好地实现电阻匹配，电压利用系数较低。通过这一周的课程设计，同学们不仅丰富了理论知识，而且增强了动手实践能力。在此过程中我也发现自己好多不足之处，首先是自己对做学的基础知识掌握不深，还有对理论知识的运用还有欠缺，通过这次课程设计实践，使我在这几个方面都有所提高。由于时间原因，这次课程设计最大的遗憾是没能够博取众长，将放大器设计的完美，但是在接下来的时间里还要多向别人请教以充实自己。学会了EWB软件的使用，提高了实验操作能力。这次课程设计对今后同学们深入学习打下了良好的基础。在实习的过程中，同学们也遇到了不少困难。 在老师的耐心指导下，同学们将问题一一解决，实现了师生之间良好的默契关系。同学们能顺利地设计电路，老师的指导非常关键，非常感谢老师孜孜不倦的指