高频LC谐振功率放大器的设计

1、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功放的特性曲线32 高频LC谐振功率放大器电路设计52.1电路要求的技术指标52.2设计电路的组成及原理电路图53 高频LC谐振放大器电路的仿真与分析63.1 EWB软件简介63.2软件界面介绍73.2.1 EWB主窗口73.2.2各元件库窗口73.3 EWB软件对LC谐振放大器的仿真93.3.1仿真电路93.3.2设置函数信号发生器的输入93.3.3电路仿真后的输出波形93.3.4高频LC谐振功率放大器的放大倍数103.3.5功率放大器输出功率、效率113.4 高频功率放大器的负载特性123.4.1负载电阻不同时的输入输出波形

2、12不同负载情况下工作状态及输出功率分析123.5高频功率放大器的振幅特性143.5.1 输入电压不同时的输出电压143.5.2输入电压不同时放大器的工作状态及输出功率分析15 3.6高频功率放大器的集电极调制特性15集电极电压Vcc不同时的输出电压154.6.2集电极电压Vcc不同时放大器的工作状态及输出功率分析164 总结174.1电路设计的优缺点174.2心得体会17参考文献18前言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

3、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。高频功放的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦以下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。已知能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，

4、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，尽管高频功放和低频功放的共同特点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。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。近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一样，其负

5、载采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中。放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。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。高频功率放大器的主要技术指标有：输出

6、功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）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。1高频LC谐振功率放大器原理图1 高频LC谐振功率放大器的基本电路1.1原理电路图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，控制了较大的集电极电流，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

7、功率的任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在C类状态下工作，为了保证在C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。线路特点：(1)谐振回路LC是晶体管的负载(2)电路工作在丙类工作状态；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： 故得1.2功放的特性曲线图2 谐振功率放大器的转移特性曲线必须强调指出：集电极电流虽然是脉冲状，

8、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。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P0，使之一部分转变为交流信号功率P1输出去，另一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率Pc。根据能量守衡定理： 直流功率：输出交流功率： -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b的大小在特性曲线上画出对应输出电压Uc和电流脉冲ic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

9、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。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。由图可见，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：图3 晶体管的输入和输出特性曲线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

10、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2高频LC谐振功率放大器电路设计2.1电路要求的技术指标晶体管2N2222A的主要参数为，管子的饱和管压降。主要技术指标：交流电压放大倍数： 中心频率：15MHz 输出交流电压峰-峰值： 通频带宽： 2.2设计电路的组成及原理电路图 基本部分组成，即晶体管、谐振回路和电源。电子管在放大器中起着把直流能量转换为交流能量的作用；谐振回路是电子管的负载；电源供给电子管各电极电压，它们共同保证电子管的正常工作。 图5原理电路 。3 丙类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

11、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)(现称为MultiSim) 软件是加拿大Interactive Image Technologies

12、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）

13、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

14、操作方法。3.2软件界面介绍图6 主窗口3.2.1EWB主窗口3.2.2元件库图7 元件库图8 基本器件库图9 信号源库图10 指示器件库图11 仪器库图12 二极管库3.3EWB软件对高频LC谐振功率放大器的仿真3.3.1仿真电路图13 高频LC谐振功率放大器的仿真电路图14 输入电压3.3.2设置函数信号发生器的输入 图15 高频LC谐振功率放大器的输出波形3.3.3电路仿真后的输出波形3.3.4高频LC谐振功率放大器的放大倍数图16 谐振功率放大器的输入输出波形观察可得：3.3.4高频LC谐振功率放大器的带宽图17 谐振功率放大器的的波特图由波特图观察可得： 中心频率为：3.4高频功率放

15、大器的负载特性 负载特性是只在其他条件不变（为一定），只改变放大器的负载电阻RL而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。3.4.1 负载电阻不同时的输入输出波形图18 负载为时的输入输出波形及图19 负载为时的输入输出波形及图20 负载为时的输入输出波形及3.4.2不同负载情况下工作状态及输出功率分析当负载电阻小于最佳电阻时，放大器工作在欠压状态，增大电阻，输出电压增大，输出电流基本不变，故输出功率增大。当负载电阻等于最佳电阻时，放大器正好工作在临界状态，此时，输出电压和电流基本达到最大，故输出功率最大，效率也比较高。当负载电阻大于最佳电阻时，放大器工作在过压状态，继续增大电阻，

16、输出电压基本不变，而输出电流变小，所以输出功率减小。综上，当负载电阻是最佳电阻时，输出功率最大，当负载电阻大于或小于最佳电阻时，输出功率都将减小。（如图所示）图21 功率放大器的负载特性3.5高频功率放大器的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅时, 放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。3.5.1 输入电压不同时的输出电压当输入为40mV时的输出电压为829.3mV，当输入为80mV时的输出电压为1.1520V，当输入为120mV时的输出电压为1.2812V，3.5.2输入电压不同时放大器的工作状态及输出功率分析图22 输出特性随输入电压的变化由测得的情况可知，随着输入电压的增

17、加，放大器由欠压区进入到过压区，在欠压区UOIC0IC1都随着输入电压的增加而增加，效率也随之增加，欠压区保持基本不变。放大器工作在临界状态时输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。3.6高频功率放大器的集电极调制特性 高频功放的集电极调制特性是指只改变集电极电压时, 放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。3.6.1集电极电压不同时的输出电压图24 集电极电压为12V时的输出电压图23 集电极电压为6V时的输出电压图25 集电极电压为12V时的输出电压图26 集电极电压为12V时的输出电压3.6.2输入电压不同时放大器的工作状态及输出功率分析图27 高频功率放大器的集电极调制特性集电极

18、电压由小变大构成中功放工作状态由过压经临界到欠压状态，在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随的减小而下降，故输出功率也随之下降。总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,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。通过这次的高频课设，加深了我对高频论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，掌握了高频电子电路的基本的设计方法和调试方法，能够正确的使用实验仪器。回顾起此次高频课程设计，的确设计起来很难，调试也需要很大的耐心，但是学到很多很多的东西，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