全国电子设计大赛LC谐振放大器

1、LC谐振放大器摘 要高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一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设计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，最后焊接并调试电路。关键词：一、方案比较与论证1基本方案根据要求，需要设计并制作一个低压、低功耗的LC谐振放大器；为了便于测试，在放大器的输入端插入一个40dB的固定衰减器。电路框图如下：

2、图1-1电路基本框图2各模块方案的确定2.1衰减器衰减器一般采用电阻元件，有两种主要电路形式：型和T型。如图1-2所示： 图1-2 射频功率衰减器电路类型当衰减的分贝数较大时，在T型衰减器中R1将很小，由于受引线和焊点的影响，阻值过小很难保证其精度，从而影响衰减的准确度。如题中，输入输出阻抗为50，衰减为40dB时，T型衰减器中R49.01，R11.00，而型衰减器中R51.01，R12.5k，所以，当要求衰减较大时用型衰减器较合适，因此，本电路设计采用型衰减器。2.2 LC谐振放大器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组成部分。根据放大器的流通角的

3、范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同功率类型的放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。为了达到题目要求的增益不小于60dB，须采用两级功率放大器，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本设计有以下两种方案：方案一：采用甲类功率放大器，但是甲类功放的流通角=180o，效率最高也只能达到50%。丙类功放的<90o，效率可达到80%，同时又达到题目所要求的增益。综上所述，我们采用了方案二。二、主要电路设计与计算1衰减器的设计1.1电路形式 衰减器一般采用电阻元件，对该设计要求的衰减器而言，一般不需要进行阻

4、抗变换，即：输入阻抗和输出阻抗相等，电路呈对称形式，所以R2和R3取相同的阻值。电路如图所示： 图2-1 衰减器 1.2 电路分析计算 设信号源的输出阻抗和负载阻抗均为R0，电压衰减倍数为AT=Vin/Vout，Vin和Vout分别为衰减器的输入电压和输出电压，R2=R3=R，如图2-2所示：图2-2 型衰减器的计算 虚线框内是为了计算方便虚加的。这样已知R0和AT，要确定R1和R的值。根据阻抗匹配条件，从Vin往右看对地阻抗等于信号源的输出阻抗R0，即： R（R1+RR0)=R0 得: 即： 根据电压衰减倍数的要求： AT= Vin /Vout 因为: 即： 则：由以上各式得：即：所以型电路

5、的计算公式为：根据题中给出的特性阻抗为50，衰减量为40dB，可以计算出 AT=100 R51.01 R12499.752 LC谐振放大器的设计2.1谐振功放基本电路组成如图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

6、的负载，电路工作在丙类工作状态。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。ic = gc (ebVBZ)eb = VBB + Vbmcoswtec = VCC Vcmcoswtic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+其中q / °a1/a0=1 g1a0a1a2a3a0 , a1 , a2 , a32.01.01.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.50.40.30.20.10-0.05图2-5 尖顶脉冲的分解系数由图可见，当qc120°时，Icm1/I

7、cmax达到最大值。在Icmax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。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集电极最大点电流在临界线的右方临界线之左的饱和区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。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

8、，其输出功率、效率的变化也将如此。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 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2-8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。 基极调制特性基

9、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2-9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。VC1m 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

10、陷加深。2.4丙类功率放大器的设计(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：=900集电极基波电流振幅为：3.33mA集电极电流最大值为：=3.33/0.436=7.638mA其直流分量为：=*=7.638*0.253=1.932mA电源供给的直流功率为：PD=Ucc*Ico=6.956mW集电极损耗功率为：P= PD PC =1.956mW转换效率为：= PC / PD =5/6.956=71.88%当本级增益=40dB，晶体管的直流=50时，有：丙类的输出功率为：P1=P0/AP=0.0005m

11、W基极余弦电流最大值为：IBM = ICM / 0.1528mA基极基波电流振幅为：=0.15280.436=0.0666mA所以输出电压的振幅为：UBM =2 P1/ IB1M0.119V(2) 谐振回路和耦合回路参数计算（1）计算丙类类谐振回路参数由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般选取0.8-2mA为宜，现取IE=1.5mA 取=50 rbb=25 Cbe=25pF L=1.8H 由以上参数得:由于 因 所以 因为通频带 解得QL=50 所以 C3取60pF确定耦合电容及高频滤波电容C2=0.01F C4=0.1F C5=0.1F通频带则QL=50一级的增益为：或以

12、功率增益为：以分贝表示，则(2) 耦合回路参数丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb<25,则输入阻抗：87.1则输出变压器线圈匝数比为：0.47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=60pF，则：1.82H采用10mm×6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有其中 =100H/m , A=, =25mm, L =1.82H所以计算得N2=72.5甲类功率放大器的设计（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：R

13、H =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0.9，则集电极输出功率为：PC =6.295×10-4mw若取放大器的静态电流ICC = ICM=1.5mA，则集电极电压振幅为：UCM =2 PC / ICM =8.39×10-4mV最佳负载电阻为：=1.515则射极直流负反馈电阻为：1780 (ICM)则输出变压器线圈匝数比为：0.152本级功放采用9018晶体管，取=50 =40则输入功率为：Pi = P0 /=2.35×10-5mw甲类功率放大器输出功率等于丙类类功率放大器的输入功率，即：PH = P1 =6.295×10-4W设甲

14、类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率取0.9，则集电极输出功率为：PC =6.994×10-5mW若取放大器的静态电流ICC = ICM=1.5mA，则集电极电压振幅为：UCM =2 PC / ICM =9.325×10-5mV本级功放采用9018晶体管，取=50 =40则输入功率为：Pi = P0 /=4.95×10-8mw放大器输入阻抗为：Ri= Rbb+*R3=25+30R3若取交流负反馈电阻Ri= Rbb，则Ri=25所以本级输入电压为：49.75v（2）确定静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般选取0.8-2mA为宜，

15、现取 IE=1.5mA ,UEQ=0.9V, UCEQ=2.7VRE=UEQ/IE=0.6K取流过R3的电流为基极电流的7倍，则有： R3=UBQ/(7IBQ)=9.52K 取10K则： （3）计算甲类谐振回路参数谐振频率f0=15MHz，谐振电压放大倍数大于60dB，通频带BW=300KHz。选取三极管9018，,取=50，工作电压3.6V，查手册得rbb=70，Cbe=25pF，取L=1.8H 。由于 所以得： 因 则有： 计算回路总电容C，得：因为通频带：解得回路的有载品质因数QL=50由此得到并联到LC回路上的总损耗电导为：又已知,。可求得在匹配时的初级抽头比为：三、电路原理图如图3-

16、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、 电路仿真图五、电路的焊接与调试 根据上述设计的元件参数，按图3-1所示电路进行焊接。先焊接第一级放大器，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9018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

17、安全工作，调谐时可以先将电源电压+VCC降低到规定值的1/2-1/3，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。6、 总结在本次设计竞赛过程中，我们组的队员紧密团结，精诚合作，最终完成了设计任务。通过本次比赛，我们不仅增强了动手能力、加深了理论知识的理解和认识，还学到了许多大学课堂学不到的知识，并深刻体会到共同协作和团队精神的重要性。另外，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的设计，在下一阶段的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。参考文献：1. 张肃文编，高频电子线路，北京：高等教育出版社，2009.