高頻丙類功率放大器的設(shè)計(jì)

1、目錄1引言12丙類功率放大器原理22.1諧振功率放大器22.1.1諧振功率放大器的基本電路22.1.2線路特點(diǎn)22.1.3關(guān)系式22.2諧振功率放大器的功率和效率22.2.1放大器的功率22.2.2放大器的集電極效率32.3功率放大器的負(fù)載特性32.3.1欠壓狀態(tài)42.3.2臨界狀態(tài)42.3.3過(guò)壓狀態(tài)42.4丙類諧振功率放大器的偏置電路43丙類功率放大器電路設(shè)計(jì)53.1確定放大器的工作狀態(tài)53.2丙類功率放大器的偏置電路：53.3選頻網(wǎng)絡(luò)53.4各參量的確定54丙類功率放大器電路的仿真與分析74.1EWB軟件簡(jiǎn)介74.2仿真結(jié)果與分析94.2.1仿真電路與測(cè)試94.2.2 丙類功率放大器的負(fù)

2、載特性124.2.3 輸入信號(hào)幅度的變化對(duì)功率放大器的影響134.2.4 直流電壓源電壓對(duì)功率放大器的影響145總結(jié)16參考文獻(xiàn)171引言高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號(hào)，并且以高效輸出大功率為目的。主要應(yīng)用于各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)中。高頻信號(hào)的功率放大，實(shí)質(zhì)是在輸入高頻信號(hào)的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功率放大器產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路丙類功率放大器半導(dǎo)通角q90°，理想效率

3、h78.5%，負(fù)載為選頻回路。電子實(shí)習(xí)，是以學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦，并親手設(shè)計(jì)、制作、組裝與調(diào)試為特色的。它將基本技能訓(xùn)練，基本工藝知識(shí)和創(chuàng)新啟蒙有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)我們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。作為信息時(shí)代的大學(xué)生，僅會(huì)書本理論是不夠的，基本的動(dòng)手能力是一切工作和創(chuàng)造的基礎(chǔ)和必要條件。鑒于無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，本次課設(shè)對(duì)于通信專業(yè)的學(xué)生意義重大。本次課設(shè)研究?jī)?nèi)容包括：在理解丙類放大器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)丙類功率放大器并利用電路仿真軟件EWB對(duì)功放的主要性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，同時(shí)觀察高頻丙類功率放大器的負(fù)載特性及研究輸入信號(hào)幅度的變化對(duì)功率放大器的輸入功率、輸出功率、總效率的影響并且研究直流電源電壓對(duì)高頻

4、丙類功率放大器工作狀態(tài)的影響。2丙類功率放大器原理2.1諧振功率放大器2.1.1諧振功率放大器的基本電路圖1 基本電路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^(guò)程中起開關(guān)控制作用。2.1.2線路特點(diǎn)1諧振回路LC是晶體管的負(fù)載2電路工作在丙類工作狀態(tài)；基極負(fù)偏壓（或零偏壓）2.1.3關(guān)系式1外部電路關(guān)系式：2晶體管的內(nèi)部特性：3（半）導(dǎo)通角根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：故得：即集電極電流的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的2.2諧振功率放大器的功率和效率2.2.1放大器的功率功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來(lái)控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率輸出去，

5、另一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率Pc。根據(jù)能量守衡定理：直流功率：輸出交流功率： - 回路兩端的基頻電壓 - 基頻電流- 回路的負(fù)載阻抗 2.2.2放大器的集電極效率 集電極電壓利用系數(shù)波形系數(shù)，為通角 q 的函數(shù)；q 越小越大2.3功率放大器的負(fù)載特性負(fù)載特性：只在其他條件不變（、 為一定），只變化放大器的負(fù)載電阻RL而引起的放大器的電流、輸出電壓、功率、效率的變化特性。 圖2 負(fù)載特性2.3.1欠壓狀態(tài) 在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大，而電流，基本不變，根據(jù)則電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。2.3.2臨界狀態(tài)

6、 負(fù)載線和正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。2.3.3過(guò)壓狀態(tài) 放大器的負(fù)載較大，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)載的加大，要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。2.4丙類諧振功率放大器的偏置電路基極饋電電路分串饋和并饋兩種。1基極偏置常采用自給偏置電路；-串饋2由負(fù)電源分壓供給基極偏置電壓；-串饋 3零偏壓；-并饋串饋 串饋 并饋圖3 基極偏置電路3丙類功率放大器電路設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一高頻功率放大器。主要技術(shù)指標(biāo)： =12V，輸出功率100mW，工作中心頻率6.5MHz，效率50%，負(fù)載=51。3.1確定放大器的工作狀態(tài)為獲得較高的效率及最大輸

7、出功率，放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)。3.2丙類功率放大器的偏置電路： 圖4 偏置電路此電路利用基極電流的直流分量在R上的降壓得到偏置電壓，另加高頻旁路電容。它的優(yōu)點(diǎn)是偏置電壓隨輸入信號(hào)電壓大小起自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。3.3選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振電路，輸出電路為負(fù)載與電容部分連接的抽頭并聯(lián)振蕩回路如圖圖5抽頭電路3.4各參量的確定取q=70°，=400mV，隔直電容均為0.01uF，高頻扼流圈電感值均為47uF 得70.2mV = / q（70°）=160.95mA = ·q（70°）=40.7mA 得電源供給的直流功率為 488.65mW得放大器的轉(zhuǎn)

8、換效率為= / =81.86%得C1=150pF，得C2=118pF取因?yàn)橛忠阎缘脠D6 電路連接圖4丙類功率放大器電路的仿真與分析4.1EWB軟件簡(jiǎn)介加拿大Interactive Image Technologies公司推出的EWB(Electronics Workbench)是一個(gè)非常優(yōu)秀的專門用于電子電路設(shè)計(jì)與仿真的軟件，與其他電路仿真軟件(Protel99)相比，具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。他改變了一般電路仿真軟件輸入電路必須采用文本方式的不便，創(chuàng)建電路選用元器件和測(cè)試儀器等均可直接從屏幕上器件庫(kù)和儀器庫(kù)中直接選取。電子電路的分析、設(shè)計(jì)與仿真工作蘊(yùn)含于輕點(diǎn)鼠標(biāo)之間，不僅為電子電路設(shè)

9、計(jì)者帶來(lái)了無(wú)盡的樂(lè)趣，而且大大提高了電子設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率。 圖7 EWB主窗口圖8 元件庫(kù)和信號(hào)欄庫(kù)EWB的元件庫(kù)不僅提供了數(shù)千種電路元件供選用，而且還提供了各種元器件的理想值，因此，仿真的結(jié)果就是該電路的理論值，這對(duì)于驗(yàn)證電路原理，開發(fā)、設(shè)計(jì)新電路極為方便。下圖為EWB軟件應(yīng)用實(shí)例（低通濾波器電路設(shè)計(jì)）圖9 EWB軟件應(yīng)用實(shí)例 EWB提供了6種基本分析方法和7種高級(jí)分析方法，即直流工作點(diǎn)(DC Operating Point)分析、交流頻率(AC Frequency)分析、瞬態(tài)(Transient)分析、傅里葉(Fourier)分析、失真(Distortion)分析、噪聲(Noise)分

10、析、傳遞函數(shù)(Transfer Function)分析、零一極點(diǎn)(Pole-Zero)分析、靈敏度(Sensitivity)分析、溫度掃描(Temperature Sweep)分析、參數(shù)掃描(Parameter Sweep)分析、蒙特卡羅(Monte Carlo)分析、最壞情況(Worst Case)分析。圖10低通濾波器實(shí)例輸出圖11 低通濾波器波特圖分析由以上兩圖可見EWB軟件提供的基本分析方法實(shí)用，直觀，形象。4.2仿真結(jié)果與分析4.2.1仿真電路與測(cè)試圖12電路圖圖13信號(hào)源圖14 輸入波形圖15 輸出波形4.2.2 丙類功率放大器的負(fù)載特性圖13-1、13-2、13-3描述了負(fù)載由大

11、到小的變化過(guò)程，即丙類功率放大器由過(guò)壓經(jīng)臨界再到飽和的過(guò)程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負(fù)載較大時(shí)，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)載的 加大，下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。圖16-1 丙類功放電路輸出波形（=65） 圖162 丙類功放電路輸出波形（=51）圖163 丙類功放電路輸出波形（=20）4.2.3 輸入信號(hào)幅度的變化對(duì)功率放大器的影響圖14-1、14-2、14-3描述了輸入信號(hào)幅度由大到小的變化過(guò)程，即丙類功率放大器由過(guò)壓經(jīng)臨界再到

12、飽和的過(guò)程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨輸入信號(hào)幅度的增大而增大，電源功率增加、輸出功率將增加，效率將增加。在過(guò)壓區(qū)，電源功率基本不變、輸出功率基本不變，效率將增加，效率基本不變。圖171 丙類功放電路輸出波形（=5V）圖172 丙類功放電路輸出波形（=3V）圖173 丙類功放電路輸出波形（=1.0V）4.2.4 直流電壓源電壓對(duì)功率放大器的影響圖15-1、15-2、15-3描述了直流電壓源電壓由小到大的變化過(guò)程，即丙類功率放大器由過(guò)壓經(jīng)臨界再到飽和的過(guò)程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在

13、欠壓到臨界輸出電壓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(guò)壓區(qū)，輸出電壓的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。圖181 丙類功放電路輸出波形（=3V）圖182 丙類功放電路輸出波形（=12V）圖183丙類功放電路輸出波形（=20V）5總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，利用電路仿真軟件EWB對(duì)功放的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，結(jié)論如下： 在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負(fù)載較大時(shí)，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)載的 加大，下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓隨輸入信號(hào)幅度的增大而增大，電源功率增加、輸出功率將增加，效率將增加。在過(guò)壓區(qū)，電源功率基本不變、輸出功率基本不變，效率將增加，效率基本不變。在欠壓到臨界輸出電壓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(guò)壓區(qū)，輸出電壓的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。 參考文獻(xiàn)1 曾興文、劉乃安、陳健高頻電子線路北京：高等教育出版社，20072 張肅文等高頻電子線路（第四版）