高頻諧振功率放大器設(shè)計(jì)武漢理工大學(xué)

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目 五：高頻諧振功率放大器設(shè)計(jì)初始條件：具較扎實(shí)的電子電路的理論知識及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用晶體管完成一個高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)2、電源電壓Vcc 12V，采用NXO100環(huán)形鐵氧體磁芯，3、工作頻率f06MHz 4、負(fù)載電阻RL 75時， 輸出功率P0100Mw， 效率>60

2、5、完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時間安排： 二十周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，4天軟、硬件調(diào)試及答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1高頻功率放大器的介紹11.1高頻功率放大器的主要特點(diǎn)11.2高頻功率放大器的工作狀態(tài)11.3高頻功率放大器的基本電路結(jié)構(gòu)21.4 高頻功率放大器的主要外部特性21.5 高頻諧振功放電路工作原理42高頻功率放大器電路及分析62.1丙類功率放大器的理論分析62.1.1確定放大器的工作狀態(tài)72.1.2 基極偏置電路計(jì)算72.1.3 諧振回路與耦合線圈的參數(shù)計(jì)算72.1.4 電源去耦濾波元件選擇82.2甲類

3、功率放大器的理論分析83高頻功率放大器的仿真調(diào)試103.1原理圖103.2丙類功放原理圖103.3 仿真結(jié)果與說明114實(shí)物的制作與調(diào)試124.1高頻功率放大器裝配圖124.2高頻功率放大器背面圖124.3調(diào)試結(jié)果與分析135心得體會14參考文獻(xiàn)15附錄1161 高頻功率放大器的介紹在無線電廣播和通信發(fā)射機(jī)中，為了彌補(bǔ)信號在無線傳輸過程中的衰耗，要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出，而且通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。所以為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器的實(shí)質(zhì)是將直流電源供給的直流功率轉(zhuǎn)換為交流輸出功率，在轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地存在著能量的損耗，這部分損耗的功率通常

4、變成了熱能。若損耗功率過大就會使功率放大器因過熱而損壞。因此，功率放大器研究的主要問題就是如何提高效率，減小損耗及獲得大的輸出功率。1.1高頻功率放大器的主要特點(diǎn)(1)工作頻率高，相對頻帶窄；(2)采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路；(3)放大器一般工作在丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路；(4)工作于大信號的非線性狀態(tài)，用解析法分析較困難，故工程上普遍采用近似的分析方法折線法來分析其原理和工作狀態(tài)。1.2高頻功率放大器的工作狀態(tài)高頻功率放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等。本次高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)前一級為甲類，后一級為丙類。表1-1為高頻功率放大器在不同工作狀態(tài)時的特點(diǎn)。表1-1 不同工作狀態(tài)時放大

5、器的特點(diǎn)工作狀態(tài)半導(dǎo)通角理想效率負(fù)載應(yīng)用甲類80°50%電阻低頻乙類90°78.5%推挽，回路低頻，高頻甲乙類90°-180°50%-78.5%推挽低頻丙類90°大于78.5%選頻回路高頻丁類開關(guān)狀態(tài)90%-100%選頻回路高頻提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態(tài)，但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)很大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類狀態(tài)，通過諧振回路的選

6、頻作用，可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。1.3高頻功率放大器的基本電路結(jié)構(gòu)如圖1-1所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作。在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB 使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于NPN型管來說，只有在激勵信號為正值的一段時間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振回路中LC是晶體管的負(fù)載，電路

7、工作在丙類工作狀態(tài)。 圖1-1 高頻功率放大器基本電路1.4 高頻功率放大器的主要外部特性 當(dāng)激勵源（Uim)、負(fù)載(RL)或直流電源(UBB、UCC)發(fā)生變化時，都會影響到功放的工作狀態(tài)，改變輸出功率與效率；將外部參量變化時對功率放大器工作狀態(tài)及性能指標(biāo)的影響稱為外部特性，包括負(fù)載特性RL的影響，放大特性Uim 的影響，調(diào)制特性UBB、UCC的影響。(1) 負(fù)載特性：、不變， 改變，。當(dāng)負(fù)載電阻由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。圖1-2 諧振放大器的負(fù)載特性(2) 集電極調(diào)制特性：、不變，改變。當(dāng)集電極供電電壓由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過

8、壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。在過壓區(qū)中輸出電壓隨改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的。圖1-3 諧振放大器的集電極調(diào)制特性（3） 基極調(diào)制特性： 、不變，變化。當(dāng)自負(fù)值向正值增大時，管子的導(dǎo)通時間加長， 使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。圖1-4 諧振放大器的基極調(diào)制特性(4)放大特性： 、不變，變化。當(dāng)自0向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入

9、過壓狀態(tài)。圖1-5 諧振放大器的放大特性1.5 高頻諧振功放電路工作原理 放大器工作時，設(shè)輸入信號電壓：，則加到晶體管基極，發(fā)射級的有效電壓為: 由晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可知，如圖所示：圖1-6諧振功率放大器晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線 當(dāng)時，管子截止，當(dāng)時，管子導(dǎo)通，式中：為折線的斜率，所以有：。即功放輸出的為一連串不連續(xù)的余弦脈沖。高功放為什么能不失真地放大信號呢？因?yàn)榧忭斢嘞颐}沖的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,若對傅里葉級數(shù)分解，即：由此可知，任何一個余弦脈沖，都是由許多不同頻率的諧波（基波、二次諧波，直至n次諧波）分量所構(gòu)成，利用功放負(fù)載LC回路的選頻功能，適當(dāng)選擇LC的參數(shù)使之諧振與基波頻率, 盡管在集電極

10、電流脈沖中含有豐富的高次諧波分量，但由于并聯(lián)諧振回路的選頻濾波作用，故功率放大器的輸出仍為不失真的正弦波。此時，諧振回路兩端的電壓可近似認(rèn)為只有基波電壓，即：式中，Ucm為uc的振幅；Ro為LC回路的諧振電阻,為集電極基波電流振幅。在集電極電路中，LC諧振回路得到的高頻功率為: 集電極電源EC供給的直流輸入功率為： ，其中 ICO為集電極電流脈沖ic的直流分量。集電極效率C為輸出高頻功率Po與直流輸入功率PI之比，即：2高頻功率放大器電路及分析 本次高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)前一級為甲類高頻諧振功率放大器，后一級為丙類高頻諧振功率放大器。此次分析以逆向分析的思路對參數(shù)進(jìn)行選擇，以性能指標(biāo)為基礎(chǔ)設(shè)

11、計(jì)單元電路。圖2-1 高頻功率諧振放大器參考電路2.1丙類功率放大器的理論分析對高頻功率放大器的基本要求是,盡可能輸出大功率、高效率，為兼顧兩者，通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài)，其電流流通角在600900范圍。現(xiàn)設(shè)=700，查表得：集電極電流余弦脈沖直流ICO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈沖基波ICM1分解系數(shù)，。設(shè)功放的輸出功率為200mW 圖2-2 高頻功率放大器后一級電路2.1.1確定放大器的工作狀態(tài) 功率放大器集電極的等效電阻為：集電極基波電流振幅為： 集電極電流脈沖的最大振幅為：集電極電流脈沖的直流分量為：電源提供的直流功率為： 集電極的耗散功率為： 集電極的效率為： 已知 即，則輸入功

12、率:基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)3DA1的=10）： 基極基波電流的振幅為： 得基極輸入的電壓振幅為： 2.1.2 基極偏置電路計(jì)算 由 ，則 由，則射極電阻： 高頻旁路電容取:2.1.3 諧振回路與耦合線圈的參數(shù)計(jì)算丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25,則輸入阻抗：87.1則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為： 1這里，我們假設(shè)取N3=8和N1=8若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則7.5H用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，其中：=100H/m , A=, =25mm, L =7.5H 有， 23圖2-3 變壓器部分

13、2.1.4 電源去耦濾波元件選擇 高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用型LC低通濾波器，濾波電感。濾波電容可按經(jīng)驗(yàn)取100F，濾波電感取220H。2.2甲類功率放大器的理論分析本次高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)前一級為甲類高頻諧振功率放大器。甲類高頻諧振功率放大器作為緩沖級，作用是為后一級的丙類高頻諧振功率放大器提供匹配、有效的輸入。 圖2-2 高頻諧振功率放大器前一級電路圖 因?yàn)榧最惞β史糯笃鬏敵龉β实扰c丙類功放的輸入功率，即：PH=P1=10mW 輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即RH=87.1，設(shè)變壓器效率取0.8：則集電極輸出功率：甲類功率放大器的輸出功率：PH = P1 =10mW若

14、取放大器的靜態(tài)電流：ICC=ICM=7mA,則集電極電壓振幅：UCM=2PC/ ICM=1.79V最佳負(fù)載電阻為：則射極直流負(fù)反饋電阻：100 (ICM)則輸出變壓器線圈匝數(shù)比：0.34，取N1=8，N2=23設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時，Rb1=1.5K,Rb2為10K的可調(diào)電阻。3高頻功率放大器的仿真調(diào)試3.1原理圖 圖3-1 原理圖 說明：因?yàn)殡姼胁糠质亲儔浩?，故無法仿真，于是我畫出了丙類放大器的電路圖并仿真，最后直接制作實(shí)物并進(jìn)行調(diào)試。3.2丙類功放原理圖圖3-2 丙類工作狀態(tài)圖3.3 仿真結(jié)果與說明 圖3-3 丙類工作狀態(tài)的仿真圖 結(jié)果說明：設(shè)電容為100PF，功率放大器諧振在6MHZ，則電感算

15、得為7.04uH。示波器中，上面的正弦波表示的是輸出信號，下面的正弦波表示的是輸入信號。通過示波器可以觀察到，輸入信號的峰峰值為3Vpp，輸出信號的峰峰值為24Vpp，放大倍數(shù)為8倍，實(shí)現(xiàn)了功率放大的作用。4實(shí)物的制作與調(diào)試4.1高頻功率放大器裝配圖圖4-1 高頻功率放大器裝配圖4.2高頻功率放大器背面圖圖4-2 高頻功率放大器背面圖4.3調(diào)試結(jié)果與分析圖4-3 高頻功率放大器輸出波形圖 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，用信號發(fā)生器輸入6MHZ，峰-峰值為1V的正弦信號，示波器接到高頻功率放大器的輸出端。調(diào)節(jié)可變電容和滑動變阻器，觀察示波器上的波形，當(dāng)幅值最大時，表示電路諧振。如圖所示，從示波器觀察到穩(wěn)定輸

16、出的正弦波信號，峰-峰值為9.04V，放大倍數(shù)為9倍，諧振頻率為6.024MHZ，基本達(dá)到了本次課程設(shè)計(jì)的要求。5心得體會 這一次我設(shè)計(jì)和制作的是高頻諧振功率放大器，因?yàn)橛辛松蠈W(xué)期模電課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所以這一次會感覺比上一次有所進(jìn)步。不過在一周內(nèi)做完兩個課程設(shè)計(jì)，還是感覺時間緊、任務(wù)重。雖然距離高頻考試已經(jīng)過了一段時間，通過這次課程設(shè)計(jì)，我對高頻諧振功率放大器的認(rèn)識又進(jìn)了一步。其實(shí)，我覺得學(xué)習(xí)到的任何知識都不應(yīng)該只以考試作為最終的目的，關(guān)鍵是能學(xué)以致用，培養(yǎng)動手能力，我感覺自己的動手能力還有待加強(qiáng)，所以我認(rèn)真對待每一次的課程設(shè)計(jì)，希望能將書本上死的知識，靈活地運(yùn)用出來。 雖然去年用過multi

17、sim軟件，但是由于選取的一些元件參數(shù)的不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致仿真結(jié)果不夠理想。后來，我和選到相同題目的人進(jìn)行了討論，在大家的共同努力下，將這個問題解決了。后來，我們到電子市場去買元件，本來以為對照圖去買元件挺簡單的，可是還是遇到了一些麻煩。最近大家都忙著課程設(shè)計(jì)，買東西的人也特別多，還是花了很長時間的。接下來，就是焊板子了，這幾天都是在實(shí)驗(yàn)室焊的板子，焊完了之后就進(jìn)行了調(diào)試，測試過程比預(yù)期的要順利。之前，一直對自己焊接這方面沒什么信心，不過這一次算是增長了不少自信吧。總的來說，這一次課程設(shè)計(jì)還是收獲頗豐的。首先在對線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，鞏固了有關(guān)模擬電路和高頻電子線路的理論知識，夯實(shí)了理論基礎(chǔ)；其次

18、，在電路設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)了自己獨(dú)立思考，尋找解決方案的能力，與此同時，加強(qiáng)了自己思維的鍛煉，我想這對今后的學(xué)習(xí)與工作都大有裨益的；再次，增強(qiáng)了自己查找資料，通過對大量文獻(xiàn)的查找，解決自己的問題。此外，還進(jìn)一步增強(qiáng)了自己撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力；最后，加強(qiáng)了對團(tuán)隊(duì)精神的理解，通過分組實(shí)踐，了解到合作精神在工程設(shè)計(jì)中的重要性。 希望這次的經(jīng)驗(yàn)?zāi)転閷⒑髞淼膶W(xué)習(xí)生活帶來一些幫助。參考文獻(xiàn)1 劉泉. 通信電子線路. 武漢理工大學(xué)出版社，2005.12 曾興雯. 高頻電子線路. 高等教育出版社出版，2009.113 陳永泰. 通信電子線路. 武漢理工大學(xué)出版社，2011.104 張新喜.Multisim10電路仿真及應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社出版，2010.25 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試. 華