高頻LC振動(dòng)電路設(shè)計(jì)說明

1、. . . . 1 高頻LC諧振功率放大器原理1.1原理電路圖1 諧振功率放大器的基本電路圖1是一個(gè)采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，它在較小的激勵(lì)信號(hào)電壓作用下，形成基極電流iB，iB控制了較大的集電極電流iC，iC流過諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類狀態(tài)下工作，為了保證在丙類工作，基極偏置電壓應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，

2、一般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)應(yīng)為大信號(hào)，一般在0.5V以上，可達(dá)1到2V，甚至更大。 晶體管的作用是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。線路特點(diǎn)：(1) LC諧振回路作為晶體管的負(fù)載起到選頻濾波以與阻抗匹配的作用。(2)電路工作在丙類工作狀態(tài)以保證電路效率較高；基極負(fù)偏壓（或零偏壓）。關(guān)系式：(1)外部電路關(guān)系式： (2)晶體管的部特性:(3)（半）導(dǎo)通角： 根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：即集電極的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的。必須強(qiáng)調(diào)指出：集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。1.2高頻功率放大器的特性曲線

3、圖2 諧振功率放大器的轉(zhuǎn)移特性曲線功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來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，另一部分功率以熱能形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。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 圖解分析法的步驟： (1)測(cè)出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線，并將這兩組曲線折線化處理；(2)作出不同工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性曲線；(3)根據(jù)激勵(lì)電壓的大小在特性曲線上畫出對(duì)應(yīng)輸出電壓和電流脈沖的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供電電壓或負(fù)載的變化將如何影響輸出電壓、輸出電流

4、、輸出功率、效率等指標(biāo)的。晶體管的特性曲線與其特性方程：由圖可見，在放大區(qū)，有轉(zhuǎn)移特性方程：所以，集電極電流隨激勵(lì)而正向變化。在飽和區(qū)，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關(guān)。因此有臨界線方程：在截止區(qū)，有方程： (當(dāng) 時(shí))圖3 晶體管的輸入和輸出特性曲線諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線（負(fù)載線）高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗、激勵(lì)電壓、供電電壓等4個(gè)參量決定的。如果, 3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。所謂動(dòng)態(tài)特性是和靜態(tài)特性相對(duì)應(yīng)而言的，在考慮了負(fù)載的反作用后，所獲得的 的關(guān)系曲線就

5、叫做動(dòng)態(tài)特性。圖4 功率與效率隨負(fù)載變化的波形1.3功率放大器的三種工作狀態(tài)在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大器的工作狀態(tài)分為三種情況：(1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方(2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)(3)臨界工作狀態(tài)：欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。1.4高頻功率放大器的外部特性 高頻放大器的負(fù)載阻抗、激勵(lì)電壓、供電電壓、4個(gè)外部變量會(huì)影響放大器的工作狀態(tài)、功率與效率等。對(duì)應(yīng)的影響關(guān)系分別為：RL欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoUc1PoRL欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)PDPc圖5 高頻功率放大器的負(fù)載特性

6、UcmIcmlIcoUbm過壓臨界欠壓O圖6 高頻功率放大器的振幅特性圖7 高頻功率放大器的調(diào)制特性2 高頻LC諧振功率放大器電路設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)計(jì)算 晶體管2N2222A的主要參數(shù)為：主要技術(shù)指標(biāo)： 交流電壓放大倍數(shù)： 輸出交流電壓峰-峰值：中心頻率：15MHz 通頻帶寬：2.2高頻LC諧振功率放大器設(shè)計(jì)電路圖8功率放大器設(shè)計(jì)電路3 高頻諧振功率放大器電路的仿真與分析3.1EWB軟件簡(jiǎn)介隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計(jì)算機(jī)緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，使得電子線路的設(shè)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上完

7、成電路的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試直至印刷電路板的自動(dòng)設(shè)計(jì)。EDA是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。與早期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動(dòng)化程度更高、功能更完善、運(yùn)行速度更快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性。電子工作平臺(tái)Electronics Workbench (EWB)軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺(tái)軟件，它具有這樣一些特點(diǎn)： (1)采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)， 繪制電路圖需要的元器件、電

8、路仿真需要的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上選??； (2)軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。 (3)EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。 (4)作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。 (5)EWB還是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。(6)用EWB進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程非常接近實(shí)際操作的效果。各元器件選擇圍廣，參數(shù)修改方便，不會(huì)象實(shí)際操作那樣多次地把元件焊下而損壞器件和印刷電路板。使電路調(diào)試變得快捷方便。(7)不但

9、提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件, 還提供了各種豐富的調(diào)試測(cè)量工具：各種電壓表、電流表、示波器、指示器、分析儀等。是一個(gè)全開放性的仿真實(shí)驗(yàn)和課件制作平臺(tái),給我們提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。(8)EWB（電子學(xué)工作平臺(tái)）為我們提供了一個(gè)很好的實(shí)用工具，使我們能夠在教學(xué)過程中隨時(shí)提供實(shí)驗(yàn)、演示和電路分析。因此非常適合電子類課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。這次課程設(shè)計(jì)，我們將了解EWB軟件的初步知識(shí)和基本操作方法。3.2軟件界面介紹圖9 主窗口圖10 元件庫圖11 基本器件庫圖12 信號(hào)源庫圖13 指示器件庫圖14 儀器庫圖15 二極管庫3.3 EWB軟件對(duì)丙類功放的仿真3.3.1電路

10、仿真圖圖34 電路仿真圖3.3.2負(fù)載特性當(dāng)負(fù)載電阻為1K時(shí)，電路處于欠壓狀態(tài)：圖9 輸入電壓與直流電流圖10 輸出電壓當(dāng)負(fù)載電阻為2K時(shí)，電路處于臨界狀態(tài)：圖11 輸入電壓與直流電流圖12 輸出電壓當(dāng)負(fù)載電阻為3K時(shí)，電路處于過壓狀態(tài)：圖13 輸入電壓與直流電流圖14 輸出電壓3.3.3輸入電壓改變時(shí)對(duì)電路的影響當(dāng)輸入電壓為100mV時(shí)電路處于欠壓狀態(tài)：圖15 集電極直流電流圖16 輸出電壓當(dāng)輸入電壓為750mV時(shí)電路處于臨界狀態(tài)：圖17 集電極直流電流圖18 輸出電壓當(dāng)輸入電壓為900mV時(shí)電路處于過壓狀態(tài)：圖19 集電極直流電流圖20 輸出電壓3.3.4當(dāng)電源電壓改變時(shí)對(duì)電路的影響當(dāng)電源

11、電壓為25V時(shí)，電路處于欠壓狀態(tài)：圖21 輸入電壓與集電極電流圖22 輸出電壓當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，電路處于臨界狀態(tài)：圖23 輸入電壓與集電極直流電流圖24 輸出電壓當(dāng)電源電壓為4V時(shí)，電路處于過壓狀態(tài)：圖25 輸入電壓與直流電流圖26 輸出電壓3.3.5輸入仿真和輸出仿真圖35 輸入仿真圖36 LC諧振功放的輸出波形3.4 中心頻率、通頻帶、放大倍數(shù)的計(jì)算1.中心頻率圖37 LC諧振功放的輸出波特圖圖38 LC諧振功放的輸出波特參數(shù)所以：中心頻率為13.3448MHz2.放大倍數(shù)圖39 LC諧振功放的輸入輸出電壓輸入電壓為350mv，輸出電壓為10.2214v放大倍數(shù)Au=10.2214v/

12、350mv=29.213.通頻帶圖40 LC諧振功放的輸出波特圖圖41 LC諧振功放的輸出波特參數(shù)通頻帶B=X1-X2=15.6792M-12.5917M=2.08M4 心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)高頻電路中放大器這部分知識(shí)的應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)高頻放大器，進(jìn)一步將理論轉(zhuǎn)化成實(shí)踐，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論。本次課程設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)一個(gè)丙類諧振功率放大器。通過分析最大輸出功率與輸出阻抗的關(guān)系從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而確定電路中的個(gè)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出丙類諧振放大器的電路圖。在設(shè)計(jì)完電路之后，再用EWB去仿真設(shè)計(jì)完的電路，通過觀察輸出的電壓的波形與幅值進(jìn)一步求出輸出功率，驗(yàn)證是否與理論值相一致。通過觀察不同輸出電阻時(shí)的輸

13、出功率，來了解輸出電阻對(duì)輸出功率的影響，并驗(yàn)證理論當(dāng)中輸出負(fù)載對(duì)輸出功率的影響。大三上半學(xué)期的生活隨著最后一周的高頻電子實(shí)習(xí)即將結(jié)束，我知道，通過這短短一周的學(xué)習(xí)，可能學(xué)到的僅僅是皮毛而已。如果說，以前做高頻實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了我的動(dòng)手能力，那么，這次的電路設(shè)計(jì)更加增強(qiáng)了對(duì)高頻LC諧振功率放大器性能的了解。更加明白了為什么電路的放大倍數(shù)和通頻帶互相制約和影響，為什么集電極輸出電流為余弦脈沖而真正的輸出信號(hào)卻和輸入信號(hào)頻率一樣。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題、鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。這次的高頻課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)電子電路理論知

14、識(shí)的理解，并鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力和基本調(diào)試能力 。 回顧起此次高頻課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正學(xué)到屬于自己的知識(shí)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到的問題，可以說得是多如牛毛，因?yàn)榛A(chǔ)不牢固，再加上缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)與動(dòng)手的經(jīng)驗(yàn)，所以難免會(huì)遇到過各種各樣的問題。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多的不足之處，比如說發(fā)現(xiàn)自己 對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。不過，這次實(shí)驗(yàn)的最大收獲就是鍛煉了我獨(dú)立思考的能力，由于參數(shù)