高頻功率放大器課程設(shè)計報告書

1、目錄1 .概述及基本原理12.方案及各部分設(shè)計原理分析22.1整體介紹22.2原理分析22.3具體分析33.參數(shù)的計算和選擇43.1功率放大器輸出功率的計算分析43.2諧振回路的計算分析53.3放大管柵極和板極的電流電壓關(guān)系63.4高頻功率放大器的能量關(guān)系83.5發(fā)射管的工作狀態(tài)94.仿真結(jié)果及分析總結(jié)105.心得體會136.參考文獻141 .概述及基本原理高頻功率放大器是對載波信號或高頻信號進行功率放大的電路。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展高頻放大應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。在某些場合高頻放大技術(shù)的高低成為制約本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。比如射頻手

2、機和高頻信號收發(fā)機等，都需要用到高頻功率放大器，并且作為一項非常重要的技術(shù)攻關(guān)項目。特別是移動電話機中高頻功率放大器品質(zhì)的高低直接影響其產(chǎn)品的技術(shù)指標。所以本次課程設(shè)計我選擇高頻功諧振率放大器。如圖1-1所示為高頻功放基本原理圖，圖中，高頻扼流圈提供直流通路，c1為隔直流電容，諧振回路分別為輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。其中天線等效阻抗，作為輸出負載。與非諧振功放比較，它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別。圖1-1高頻功放基本原理圖諧振式高頻功率放大器的特點是：為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為反向偏置，由eb（vbb）來保證，流過晶體管的電流為余弦脈沖波形；負

3、載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外，還能實現(xiàn)放大器的阻抗匹配。2.方案及各部分設(shè)計原理分析2.1整體介紹基本部分組成，即電子管、諧振回路和電源。電子管在放大器中起著把直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的作用；諧振回路是電子管的負載；電源供給電子管各電極電壓，它們共同保證電子管的正常工作。 放大器有兩個主要電路：板極電路和柵極電路。板極電路包括并聯(lián)振蕩回路和直流板極電壓ea的饋電電路。振蕩回路由電感l(wèi)1、電容c1和電阻r組成。電路中c1為高頻旁路電容，l1為高頻阻流圈。在柵極電路中加入直流偏壓eg，一般ea為負值。電路中c2和l2分別是柵極回路的高頻旁路電容和高頻阻流圈。2

4、.2原理分析 知道前級送來的高頻激勵電壓為 ug=ugcost它加在柵極與陰極之間。其中，ug是激勵電壓的瞬時值，ug是激勵電壓的振幅值，2f是激勵電壓的角頻率，f是激勵電壓的頻率。 當電路接好并將各電極電壓加上時，則在板極電路中就會出現(xiàn)受到柵極電壓控制的板流脈沖，脈沖波形如圖3-1所示。ia是周期性函數(shù)，由數(shù)學知識可知，它可用傅氏級數(shù)來表示，即 ia=ia0+ia1cost+ia2cos2t+iancosnt （2.1）可見，板極電流等于直流分量ia0、一次諧波(基波)、二次諧波和其他高次諧波之和圖3-1脈沖波形板極并聯(lián)諧振回路要調(diào)諧到激勵信號電壓的頻率，并且在實際情況下，振蕩回路的q值遠大

5、于1(考慮到下級負載引入的電阻)，即回路的諧振性很強。這樣，諧振回路對基波的阻抗很大，而且是純電阻性的，這就是我們熟知的諧振阻抗，一般用roe來表示。板極回路的直流電阻，可以看成是短路的。同時，因為回路是調(diào)諧到基波，對于高次諧波回路失諧很大，所以回路對于高次諧波也近似于短路。這樣，板極電流通過回路時，在回路上所引起的只有基波電壓。輸出電壓不是脈沖形狀，而是和輸入激勵電壓一樣的波形。2.3具體分析串聯(lián)偏置是說電子器件，負載電路和直流電源三部分串聯(lián)起來的。在上面所提到的電路中l(wèi)c是 負載賄回路；l是高頻厄流圈，它對直流是短路的，但對高頻則呈現(xiàn)很大的阻抗，可以認為是開路的，以阻止高頻電流通過功用電源

6、內(nèi)阻產(chǎn)生高頻能量損耗，特別是避免在個級之間由此而產(chǎn)生的寄生偶合；c是高頻旁路電容，他們對高頻應(yīng)呈現(xiàn)很小的阻抗，相當于短路。加入這些附屬元件l，c等的目的就是為了使電路能滿足上述組成電路的原則。偏置電路中都存在著自給偏置效應(yīng)，即當由小增大時，基極電流脈沖中的平均分量相應(yīng)增大，它在偏置電阻上的壓降增大，結(jié)果使基極偏置電壓向負值方向增大。由此表明在輸入信號激勵下，由于自給偏置效應(yīng)，基極偏置電壓將不等于靜態(tài)偏置電壓，且其值隨著輸入激勵幅度增大而向負值方向增大。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是阻抗匹配和選3.1功率放大器輸出功率的計算分析令ua=ia1roecost=uacost (2.2)其中uaia1roe是回

7、路電壓的幅度。由于ua的正方向與ea相反，所以板極的瞬時電壓為 ea=ea-ua=ea-uacost (2.3)由lc諧振回路的基本知識可知，當板極回路諧振于激勵信號頻率時，板極回路對基波電流呈現(xiàn)一個純電阻的諧振阻抗為 式中， -回路特性阻抗； -回路有載品質(zhì)因數(shù)； r-回路有載總損耗電阻由于高次諧波不在回路上產(chǎn)生壓降，所以回路兩端的高頻電壓為 ua= ia1roe (2.5) 其中ia1為振幅值。 在負載上產(chǎn)生的高頻功率為 由上分析可知，只要在放大器的柵極電路中輸入激勵電壓，便可以在板極負載上獲得高頻輸出功率。同時也可以看出，板流ia雖是脈沖形狀，但由這一電流在回路兩端產(chǎn)生的電壓降卻是正弦形

8、式。其關(guān)鍵是放大器的板極接有一個lc并聯(lián)諧振回路。3.2諧振回路的計算分析采用諧振回路作負載是高頻放大器區(qū)別于低頻放大器的特點，它有兩個作用：第一是阻抗變換的作用；第二是濾波作用。以前邊系統(tǒng)為例，設(shè)板極回路與負載回路之間的互感為m，再設(shè)負載回路已調(diào)至諧振，天線回路的串聯(lián)電阻為ra，則在有載的情況下板極回路的等效阻抗應(yīng)為 對于給定的ra，我們可以調(diào)整m、l、c三個量來滿足下面兩個條件：(1)使等效的并聯(lián)回路諧振于工作頻率；(2)使roe之值等于電子管所要求的最佳數(shù)值。這樣就實現(xiàn)了阻抗匹配。回路的濾波作用，就是把我們所需要的放大后的基波信號選出來，把不需要的諧波抑制掉。我們知道，工作于乙類或丙類的

9、放大器，其板流為一脈沖，其中除含直流分量、基波分量外，還有諧波分量。如果負載是個電阻，它決不能把其中的基波分量選出來。但在lc的并聯(lián)諧振回路中，由于線圈的電阻很小，可以認為對直流是短路的。對基波來說，當諧振時，回路的等效阻抗是一個數(shù)值較大的純電阻，其值為l/cr。對于n次諧波，回路嚴重失諧，故回路對n次諧波呈現(xiàn)的阻抗與基波相比可以忽略不計。因此，盡管ia中含有很多的諧波分量，但在回路兩端只產(chǎn)生很小的諧波電壓，只有基波分量ia1才能在回路兩端產(chǎn)生足夠大的電壓降。根據(jù)歐姆定律得 式中 ua=uacost 既然ua是正弦電壓，故通過lc回路的電流必然也是正弦電流。由此得出結(jié)論：由于并聯(lián)lc回路的諧振

10、特性起著濾波作用，盡管板流是脈沖形式的，但回路電流和回路兩端的電壓仍然是正弦形式的。 這一現(xiàn)象也可以從能量的觀點來解釋，即回路是由lc組成的，而l和c都是貯能元件。在板流流通的時間內(nèi)，回路貯存能量，在板流截止的時間內(nèi)，回路又放出能量，這樣就維持了振蕩回路中振蕩電流的連續(xù)性。3.3放大管柵極和板極的電流電壓關(guān)系在討論能量關(guān)系之前，有必要了解放大管柵極和板極的電壓、電流工作波形及其相位關(guān)系。圖2-8表示高頻功率放大器在工作時的柵壓、柵流和板壓、板流等的變化曲線以及它們之間的相位關(guān)系。在n1-2(a)中，eg為電子管的截止偏壓，eg為工作偏壓。設(shè)電子管柵極上所加的高頻電壓為ug=ugcost，則柵極

11、的瞬時eg為 eg=eg+ugcos 圖4-1丙類放大器工作波形為了獲得得高的效率，放大器一般工作在丙類狀態(tài)，則偏壓|eg|大于板流的截止偏壓|eg|。當eg超過eg時，即n1-2(a)中的t1t4期間，電子管的板流流通，ia的波形是余弦脈沖的一部分。其流通時間為2，稱為板流流通角，如n1-2(b)所示。當eg大于零時，即n1-2(a)中的t2t3間，電子管出現(xiàn)柵流，其波形也近似于余弦脈沖波，其流通時間為2g，稱g為柵流流通角，如n1-2(c)所示。 因板流是個余弦脈沖，可用富氏級數(shù)將其分解，于是就得到ia中的直流分量ia0和基波分量ia1，分別如圖(d)、(e)所示。由于板極回路諧振于基波，

12、所以ia1在回路兩端產(chǎn)生電壓降ua的波形和變化規(guī)律與ia1相同，如圖(g)所示。由圖(f)可見，瞬時板壓ea的最小值為eamin=ea-ua，而最大值為eamax=ea+ua。eamin有時也稱為剩余電壓，意思是回路剩給板極的電壓?；芈冯妷旱姆逯祏a對直流板壓ea之比，稱為板壓利用系數(shù)，以符號表示，即 意思是直流饋電電壓ea中有百分之多少可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l輸出電壓。我們還可以用下式來表示，即 由n1-2(a)、(b)、(c)可見，板流通角取決于eg曲線與截止偏壓eg兩個交點的位置，而柵流通角g則取決于eg曲線與時間軸的兩個交點的位置，顯而易見g。 在大多數(shù)情況下板流脈沖可以近似地用一個余弦脈沖來表

13、示，這是因為板流的動態(tài)特性曲線近似一條直線，如n1-2所示，所以eg作余弦變化時，板流脈沖也跟著作余弦變化。但柵流動態(tài)特性曲線就不能當作一條直線，所以柵流脈沖的形狀也不能當作余弦脈沖，而是近似于余弦平方脈沖或三角形脈沖，如n1-3所示。圖中虛線為理想化動態(tài)特性曲線和柵流脈沖，實線為實際動態(tài)特性曲線和柵流脈沖波形 圖4-2柵流脈沖從圖4-2還可以看出在任何情況下eg與ia1是同相變化的，而ua則作反相變化。由此得出結(jié)論：當eg=egmax時，ea=eamin；反之，當eg=egmin時，則ea=eamax，而eamax的極限值是2e。3.4高頻功率放大器的能量關(guān)系能量關(guān)系指的是功率放大器能量的來

14、源和分配問題，它對放大器的安全工作、節(jié)約能源、輸出大的功率都非常重要。 在板極電路中主要有三部分能量：直流電源供給的能量，電子管輸送到振蕩回路的能量和電子轟擊板極在板極產(chǎn)生的熱能。顯然后兩種能量是由前一能量轉(zhuǎn)換得來的。根據(jù)能量守恒定律，三者應(yīng)該平衡。諧振時回路呈現(xiàn)一純電阻，流經(jīng)它的基波電流振幅為ia1，它在回路上引起的基波電壓振幅為ua，因此，回路從電子管得到的高頻功率為 供給電子管板極電路的唯-能源是直流電壓ea，所以直流輸入功率為 p0=eaia0 (2.13)直流輸入功率p0中的大部分經(jīng)電子管的轉(zhuǎn)換變成輸出功率p，剩余部分則使電子管的板極發(fā)熱變?yōu)榘鍢O損耗功率pa，所以 pa=p0+p (

15、2.14)于是我們就可以得到功率放大器的效率為 式中, 稱為波形系數(shù)，它是板極流通角的函數(shù)。由上述公式可以看出，放大器實質(zhì)上是把直流功率p0轉(zhuǎn)化為高頻功率p的能量轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換效率為。顯然，提高效率是我們所希望的。為此我們應(yīng)提高板壓利用系數(shù)和減小通角為的是提高()，但過分減小，將導(dǎo)致ia1減小，因而輸出功率p也會減小，所以有一最佳值。 從電子管內(nèi)部的物理過程來進行分析。當電子從陰極向板極運動時，如果受到電場的加速，電子便從電場中吸收能量。如果受到電場的減速，則電子把能量交給電場。電子在向板極的運動過程中，受到直流電場的加速(其大小決定于直流電壓ea)，增加動能，也就是電子由直流電場取得能量，這

16、部分能量是由直流電源供給的。但是在板極上還疊加有高頻電壓ua它的相位正好與激勵電壓ug相反，因此電子受到高頻電場的排斥而減小了動能，所減小的動能等于電子交給高頻電場的能量，這部分能量就是回路上高頻功率p的來源。電子以剩余的動能轟擊板極，從而產(chǎn)生板耗。3.5發(fā)射管的工作狀態(tài)根據(jù)放大器有無柵流及柵流大小(即動態(tài)工作范圍)分類，可分為緩沖狀態(tài)、欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài)、弱過壓狀態(tài)和強過壓狀態(tài)。緩沖狀態(tài)是指無柵流工作，此時電子管的板柵動特性只限于負柵壓區(qū)中。如圖4-1（a）所示。欠壓狀態(tài)是指雖然也有柵流，但和板流相比卻十分微小，因而不至于使板流尖頂脈沖波形嚴重失真。此時板柵動特性延伸到正柵壓區(qū)，但延伸范圍很

17、小。圖4-1(b)所示。 過壓狀態(tài)是指柵流很大，板流脈沖波形有很大凹陷。此時板柵動特性在正柵壓延伸范圍較大，稱為過壓狀態(tài)。過壓狀態(tài)又有弱過壓和強過壓之分。板流脈沖有凹陷，但并不下降到零，稱為弱過壓狀態(tài)臨界狀態(tài)是指板柵動特性延伸到正柵區(qū)使板流脈沖出現(xiàn)平頂而尚未產(chǎn)生凹陷時的工作狀態(tài)，此時柵流大于欠壓狀態(tài)的柵流。4.仿真結(jié)果及分析總結(jié)圖5-1 總電路圖將電路用muitisim進行仿真運行，分別記錄負載及激勵電壓ug對功率放器的影響。 當功率放大器的電源電壓+ucc，基極偏壓ub，輸入電壓c確定后，如果電容導(dǎo)通角確定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻rp。諧振功率放大器的交流負載特性

18、如圖所示。圖 5-1 諧振功率放大器的負載特性 激勵電壓ugugcost是隨時間而變化的。當eg、ea、roe保持不變時，激勵電壓振幅ug的變化對工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響：當ug0時，丙類高頻功率放大器將處于截止狀態(tài)。 當ug由零開始增加，且egeg十ugeg時，板ia開始導(dǎo)通，在eg0時，柵流為零，顯然此時為欠壓狀態(tài)。 ug繼續(xù)增加，且egeg十ug0時，柵流ig開始出現(xiàn)，并隨ug增加而增大。所以工作狀態(tài)便由欠壓進入臨界進而轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。由此可見，改變ug大小，就可以改變工作狀態(tài)。 圖5-2 ug變化對工作狀態(tài)影響的三組曲線在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊

19、類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴重失真的脈沖序列波形或周期性的開關(guān)波形。為實現(xiàn)不失真放大，必須限定輸入信號為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號）或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號。在這種信號作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級數(shù)將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)取出基本波分量，濾除其它無用分量，就能在負載上獲得不失真的輸出信號。同理，在功率管輸入端，基極電流也是失真脈沖序列，通過輸入匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，加到功率管輸入端的為不失真的信號電壓。與非諧振功放一樣，在特定的偏置條件下，對應(yīng)于特定大小的輸入信號，功率管有一最佳負載，這時，諧

20、振功放的輸出功率最大，效率也較高。因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用，即將輸出負載（往往是非電阻性負載）變換為功率管所需的最佳負載?？傊C振功放是在限定輸入信號波形的情況下，通過濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，使輸出負載上得到所需的不失真功率。5.心得體會 課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。通過這次的高頻課設(shè)，加深了對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計能力和基本調(diào)試能力 ，能夠正確的使用實驗儀器?；仡櫰鸫舜胃哳l課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩星期的日子里