《高频电子线路》课程设计说明书-高频功率放大器.doc

武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书1.原理说明利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。它是无线电发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小放大器的效率愈高。如甲类功放的=180o，效率最高也只能达50%，而丙类功放的<90o,效率可达到80%。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。1.1高频功放的主要技术指标1.1.1 功率关系：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，使之一部分转变为交流信号功率输出去,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。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。1.1.2 放大器的集电极效率其中集电极电压利用系数：波形系数： 为通角 q 的函数；q 越小越大。1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算临界状态下，若已知电源电压，三极管的参数，设电压利用系数为，集电极的导通角为。求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效率等。1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量和导通角q：功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高效率的输出功率和高效率，通常导通角为6080度。集电极电流脉冲幅值icmax：2）由q 值，查表求得电流余弦脉冲的各谐波分量系数、，并求得各个分量的实际值、 。3)根据：可求得最佳负载电阻：1.2 功率放大器的负载特性只在其他条件不变（、 为一定），只变化放大器的负载电阻而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。1.2.1 、 随负载变化的波形当负载电阻由小至大变化时，1.负载线的斜率由小变大。2. 放大器的工作状态由欠压®过压®临界；3. 输出电压逐渐增大。4.输出电流的波形由尖顶脉冲®凹顶脉冲1.2.2 功率及效率随负载（工作状态）变化的波形： 欠压状态 在欠压区至临界点 的范围内，放大器的输出电压Uc随负载电阻RL的增大而增大，而电流、 其基本不变，根据 则电源功率不变、输出功率将增加，管耗将减少。 临界状态 负载线和正好相交于临界线的拐点。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。 过压状态 放大器的负载较大，在过压区，随着负载的加大，要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小1.3谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路1.3.1直流馈电电路1. 集电极馈电电路根据直流电源连接方式不同，集电极电路又分为串联馈电和并联馈电两种， (1) 串馈电路 指直流电源、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。、为低通滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。(2) 并馈电路 指直流电源、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图为高频扼流圈，为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，为高频输出耦合电容。 2. 基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种 1）基极偏置常采用自给偏置电路；-串馈2）由负电源-U分压供给基极偏置电压；-串馈3）零偏压；-串馈图1-3-1 基极馈电形式 1.3.2 输出回路和级间耦合回路 1. 级间耦合网络对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。2. 输出匹配网络输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络。这种匹配网络有L型、p型、T型网络及耦合回路。输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波、和高效率。需要匹配的原因：当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载（如天线等）相匹配。匹配的原理：通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗转换成放大管所要求的最佳负载阻抗，使管子送出的功率能尽可能多的馈至负载。 L型匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低（通常Q<10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中常常用T型或型网络作匹配之用。2.高频功率放大器设计电路中参数简单计算依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。2.1丙类功率放大器的设计2.1.1放大器工作状态的确定因为要求获得的效率>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70°,所以谐振回路的最佳电阻为=551.25集电极基波电流振幅0.019A集电极电流最大值为=0.019/0.436=43.578mA其直流分量为=*=43.578*0.253=11.025mA电源供给的直流功率为PD=Ucc*Ico=132.3mW集电极损耗功率为P= PD PC =32.3mW转换效率为= PC / PD =100/132.3=75.6%当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流=10时，有：输入功率为P1=P0/AP=5mW基极余弦电流最大值为IBM = ICM / 4.36Ma基极基波电流振幅=4.360.436=1.9mA所以输出电压的振幅为UBM =2 P1/ IB1M5.3V2.1.2谐振回路和耦合回路参数计算丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb<25,则输入阻抗87.1则输出变压器线圈匝数比为6.4在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则7.036H采用10mm×6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有其中 =100H/m , A=, =25mm, L =7.036H所以计算得N2=72.2甲类功率放大器的设计2.2.1电路性能参数计算甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：PH = P1 =5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH =87.1设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率取0.8，则集电极输出功率PC =6.25mW若取放大器的静态电流ICC = ICM=5mA，则集电极电压振幅UCM =2 PC / ICM =2.5V最佳负载电阻为=0.5k则射极直流负反馈电阻1780 (ICM)则输出变压器线圈匝数比2本级功放采用3DG12晶体管，取=30 =13dB即20倍放大倍数则输入功率Pi = P0 /=0.3125mW放大器输入阻抗Ri= Rbb+*R3=25+30R3若取交流负反馈电阻R3=10，则Ri=335所以本级输入电压0.46V2.2.2静态工作点计算综上可知Ui=0时，晶体管射极电位UEQ= ICQ×RE1 = 8.9VUBQ =9.5VIBQ = ICQ /=0.17mA若基极偏置电流I1 =5 IBQ，则R2 = UBQ /5 IBQ 11.2k所以，有2.95K（1）设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般0.82mA之间选取为宜。设计电路中取： Ic=1.5mA ； Re=1K可得重要参数： VBQ=VEQ+VBEQ=1.5V+0.7V=2.2V VCEQ=VCC-VEQ=12V-1.5V=10.5V Rb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3mA=7.3 K（2）谐振回路参数计算回路总电容： CZ=1/(2f0) 2L=150.35pf回路电容： C=CZ-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf（3）确定其它电容参数 耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.011uf3. 高频功率放大器电路设计3.1 甲类谐振放大器 根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图3-1-1所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L1、L2、C3、C4、R5构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带。 图 3-1-1 一级甲类放大电路设计为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图3-1-2所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。图3-1-2 两级甲类放大电路设计3.2 丙类高功放由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如下图所示。 图3-2 丙类功放原理图3.3 总体电路图设计设计的总体电路图如图3-3所示图 3-3 高频功率放大器设计总图4.电路仿真4.1 所用软件Multisim简介随着计算机技术飞速发展，许多电路设计都可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻了工作量。其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim 是一个完整的集成化设计环境。 Multisim的特点：（1）直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。（2）丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。（3）丰富的测试仪器： 除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是，所有仪器均可多台同时调用。（4）完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。网络分析仪和频谱分析仪。（5）强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。 本次课程设计电路就是利用Multisim软件进行绘图并仿真的。4.2 仿真测试电路仿真测试电路如图4-2所示，其中示波器1通道测输入信号源波形，2通道测一级甲类放大电路输出波形，3通道测二级甲类放大电路输出波形，4通道测丙类功放的最终输出波形。当可变电容C3调到70%，C6调到45%时，输出波形较为稳定，放大效果较好。此时可发现LED发光，表示功率放大器正常工作，即电压合适。图4-2 仿真测试电路4.3 仿真波形4.3.1 输入信号仿真波形输入波形信号如图4-3-1所示，由仿真示波器可以看到输入信号是一个频率为5.85MHz，峰峰值为99.8mv的正弦波信号。图4-3-1 输入信号4.3.2 一级甲类放大波形经过第一级甲类放大器后输出波形如图6-3所示，其峰峰值增大到527mv，将输入信号电压放大了。图4-3-2 一级放大后波形4.3.3 两级甲类放大波形经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为1.61v，如图4-3-3所示。图4-3-3 两级放大后波形4.3.4 最终输出波形信号最终经过丙类放大器放大，峰峰值变为11.4V，提高其功率与效率，仿真波形如图4-3-4所示。图4-3-4 丙类放大器输出波5. 结果分析由于高频放大器由甲类，丙类混合组成。实验需要将仿真测试电路主机调试，直到出现稳定，理想的正弦波为止。 在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析；另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。 由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。6. 心得体会回顾起此次高频课程设计，我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两星期的日子里，我们遇到过很多麻烦。如：调试电路时发现波形不稳，放大倍数不够高等问题。但我们都通过讨论解决了。我们从中学到了很多东西，不仅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的知识。通过这次课程设计，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识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中，也发现了自己许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次设计的实验参数计算比较复杂，不仅要参考一定资料，还要自己对各参数的意义有一定的理解。若计算参数不对，将会直接影响到实验的结果。短短的一周这么快就过去了，我感觉到收获确实不小，感觉还是自己动手去做、自己去深入地想才能真正的发现问题、解决问题，平常上课听是可以听懂，但是真正的应用还是感觉到知识的匮乏，因为感觉所学的东西在一时之间根本穿不到一块去，所以感觉很多问题都比较棘手。真正意识到自己仍需努力！7. 参考文献1 曾兴文、刘乃安、陈健高频电子线路北京：高等教育出版社，20072 张肃文等高频电子线路（第四版）北京：高等教育出版社，2004 3 路而红等虚拟电子实验室北京：人民邮电出版社，20064 蒋敦斌高频电子线路上海：上海交通大学出版社.2003.15 杜武林、李纪澄、曾兴雯编高频电路原理与分析（第二版）西安：西安电子科技大学出版社，19946 武秀玲、沈伟慈编高频电子线路西安：西安电子科技大学出版社，19957 清华大学通信教研组高频电路上册北京：人民邮电出版社，19798 胡建堂等电子线路（第二版）西安：西安电子科技大学出版社，19949 阳昌汉高频电子线路学习与解题指导哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社2002 10栾华东高频电子线路典型题解析及自测试题西安：西安工业大学出版社2003附录：元件清单表1. 元件清单组件名称型号及参数数量三极管Q2N22193电感500nH，3.9uH，1uH7变容二极管DIODE VERACTOR2固定电阻（Resistor）1022011k22k16.8k210k315k120k122k1电容（Capacitor）1.5nf2100nf2470nf2发光二极管LED1直流电源（DC Power）+12V1目 录1.原理说明11.1高频功放的主要技术指标11.2 功率放大器的负载特性21.3谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路32.高频功率放大器设计电路中参数简单计算52.1丙类功率放大器的设计52.2甲类功率放大器的设计73. 高频功率放大器电路设计103.1 甲类谐振放大器103.2 丙类高功放113.3 总体电路图设计114.电路仿真124.1 所用软件Multisim简介124.2 仿真测试电路134.3 仿真波形135. 结果分析166. 心得体会177. 参考文献18附录：元件清单 表1. 元件清单1921