高频谐振功率放大器设计.doc

. . 课课程程设设计计任任务务书书 学生姓名：学生姓名： 专业专业班班级级： ： 电信 0705 指指导导教教师师： ： 工作工作单单位：位： 信息工程学院 题题 目目 五：五：高频谐振功率放大器设计 初始条件：初始条件： 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型 及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本 调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 要求完成的主要任要求完成的主要任务务： ：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计 2、电源电压 vcc 12v，采用 nxo100 环形铁氧体磁芯， 3、工作频率 f06mhz 4、负载电阻 rl 75 时， 输出功率 p0100mw， 效率 60 5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。 时间时间安排：安排： 二十周一周，其中 3 天硬件设计，4 天软、硬件调试及答辩。 指指导导教教师签师签名：名： 年年 月月 日日 系主任（或系主任（或责责任教任教师师） ）签签名：名： 年年 月月 日日 . . 目目 录录 1 proteus 简介 .1 2 高频谐振功率放大器的设计.3 2.1 高频谐振功率放大器概述.3 2.2 高频谐振功率放大器的工作原理.5 3 电路的仿真.11 4 心得总结.12 5 附件.13 6 参考文献.15 7 本科生课程设计成绩评定表.16 . . 1 proteus 简简介介 proteus 软件是来自英国 labcenter electronics 公司的 eda 工具软件。proteus 软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它 eda 工具一样的原理布图、 pcb 自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的， 针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级 的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟 仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，proteus 为您建立了完备的电子设计开发 环境！尤其重要的是 proteus lite 可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更 好的效果；功能最强的 proteus 专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。 proteus 组合了高级原理布图、混合模式 spice 仿真,pcb 设计以及自动布线来实现一个 完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对 pcb 设计 系统的比较文章中评为最好产品“the route to pcb cad” 。proteus 产品系列也包含 了我们革命性的 vsm 技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起 仿真。用户甚至可以实时采用诸如 led/lcd、键盘、rs232终端等动态外设模型来对设计 进行交互仿真。 proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，真的很不错。可以仿真51 系列、 avr，pic 等常用的 mcu 及其外围电路（如 lcd，ram，rom，键盘，马达，led，ad/da， 部分 spi 器件，部分 iic 器件，.） 其实 proteus 与 multisim 比较类似，只不过它 可以仿真 mcu！当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模 型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是估计初学者有的可能性比较小吧？如果你 在学51 单片机，如果你想自己动手做做 lcd，led，ad/da，直流马达，spi，iic，键盘， .的小实验的话，试一下吧，不会让你失望的！ 用51 不管你是用汇编或是 c 编程当然 要用 keil 啦，uvisoin3 有不少新特性呢！ 使用 keil c51 v7.50 + proteus 6.7 可以 像使用仿真器一样调试程序，一般而言，微机实验中用万利仿真器+电工系自己做的实验 板的实验都可以做得到吧！ 当然，硬件实践还是必不可少的！ 本方案只是在没有硬件的情况下让你能像 pspice 仿真模拟/数字电路那样仿真 mcu 及外围电路。另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也不错的！ proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 cpu 的工作情况，也能 . . 仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试 时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角 度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲， 是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。 (1)proteus 的工作过程 运行 proteus 的 isis 程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置 view 菜单下的捕捉对齐和 system 下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的 p(从库 中选择元件命令)命令，在 pick devices 窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整 其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在 source 菜单的 definecode generation tools 菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项 目；在 source 菜单的 add/removesource files 命令下，加入单片机硬件电路的对应程 序；通过 debug 菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。 (2)proteus 软件所提供的元件资源 proteus 软件所提供了 30 多个元件库，数千 种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。 (3)proteus 软件所提供的仪表资源 对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室 是否合格的一个关键因素。在 proteus 软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。 proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地 显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。 (4)proteus 软件所提供的调试手段 proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号 和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，proteus 提供了两种方法：一种是系 统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。 对于总体执行效果的调试方法，只需要执行 debug 菜单下的 execute 菜单项或 f12 快捷键启动执行，用 debug 菜单下的 pause animation 菜单项或 pause 键暂停系统的 运行；或用 debug 菜单下的 stop animation 菜单项或 shift-break 组合键停止系统的 运行。 . . 2 高高频频谐谐振振功功率率放放大大器器的的设设计计 2.1 高频谐振功率放大器概述高频谐振功率放大器概述 高频电子线路中,放大器按电流导通角的不同,而工作于 a、b、c 状态。a 类放大器 电流的导通角为 180,b 类放大器电流的导通角约 90,c 类放大器电流的导通角则小于 90。a 类工作状态的效率为 50 %,b 类工作状态的最大效率为 78.5 %,而 c 类工作状态 的效率随导通角设置的不同而不同,但在导通角的选择上,提高集电极效率与增大输出功率 之间是存在矛盾的。在具体电子线路设计时,为了兼顾效率与功率,选择最佳导通角的问题 上,本设计给出了最佳导通角的经验值取 70左右,给出了最佳导通角的经验值取 6575, 这是高频电子线路专著的说法。然而,在具体设计中最佳导通角设置在 70左右时,放大器 的工作是否处于最佳状态? 即使放大器已处于最佳状态,也只知其然,而不知其所以然,对不 同的电路条件,又该怎样设置导通角呢? 本文提出了最佳导通角的理论定义,并通过严格的 理论分析,给出了其求解方程及具体解,从而使对高频电子线路中谐振功率放大器的最佳导 通角的认识从感性上升到理性,在最佳导通角的选择上,首次实现了从依靠经验结论到依靠 科学理论 结合实际结果的飞跃,为具体设计中控制导通角提供了理论依据。本课程设计是 进一步理解谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状态的 影响。掌握谐振功率放大器的调谐特性、放大特性和负载特性。 高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功 率放大。窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称谐振功率放大器。宽带高 频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线变压器或其他宽带匹配电路。目的：能够 使电信号能够有效地进行远距离传输。特点：高频、大信号、非线性工作。要求：输出 功率大（pe=po+pc） 、转换效率高。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。 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。 在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、 . . 乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为 360o，适用于小信号低功率放大。乙 类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于 180o。乙类和丙类 都适用于大功率工作。 丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工 作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于 采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压 仍然极近于正弦波形，失真很小。 除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态 的了类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达 100，但 它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率） 的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作 频率可以提高。这就是戊类放大器。 我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频 功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能 量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但 二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功 率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自 20 至 20000 hz，高低频率之 比达 1000 倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工 作频率高（由几百 khz 一直到几百、几千甚至几万 mhz） ，但相对频带很窄。例如，调幅 广播电台（5351605 khz 的频段范围）的频带宽度为 10 khz，如中心频率取为 1000 khz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此， 高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大 器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电 路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类） 。近年来， 宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网 络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内 变换工作频率，而不必重新调谐。 综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大， 效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状 . . 态也不同。 高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制 度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要 求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾， 对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的 问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接关系。放大器的工作状态可分为甲类、 乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作 延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的 非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载， 因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号 的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选 频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线 性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因 工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析 方法折线法来分析其工作原理和工作状态，这种分析方法的物理概念清楚，分析工 作状态方便，但计算准确度较低。讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器： 用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功 能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化 范围大得，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同 fc 的繁琐调谐。通常工作于甲类 状态。 2.2 高频谐振功率放大器的工作原理高频谐振功率放大器的工作原理 2.2.1 基基本本电电路路组组成成 组成：bjt、lc 谐振回路、馈电电源。 特点： 1、npn 高频大功率晶体管，高 ft；改变 ubb 可以改变放大器的工作类型； 2、大信号激励：12v； 3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，ib、ic 均为一系列高频脉冲； 4、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流 ic 中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。 . . 2.2.2 甲甲类类功功率率放放大大器器 利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常见的宽带变压器有用高频磁芯 绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内 获得线性放大。但效率较低，一般只有 20%左右。他通常作为发射极的中间级，以提供 较大的激励功率。 1、静态工作点 晶体管 vt1 组成甲功率放大器，工作在线性放大状态。其中 r1和 r2为基极偏置电阻； r5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点。r4为 交直流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列 关系式确定： ccbqv rr r u 2 1 1 (2-1) 54 rr uu ii beqbq eqcq (2-2) 1/cqbqii (2-3) )(54rrivueqccceq (2-4) 2、动态特性 所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研 究对象。 ，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。以第一级甲类功放为例，它 与第二级甲类功放通过变压器进行耦合，因此其交流输出功率可表示为： bhopp/ (2-5) 式中， hp 为输出负载上的实际功率， b 为变压器的传输效率，一般为 85 . 0 75 . 0 b 。 为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点 q 应选在交流负 载线 ab 的中点，此时集电极的负载电阻 hr 称为最佳匹配负载。集电极的输出功率 cp 的表达式为 h cm cmcmcr u iup/ 2 1 2 1 2 (2-6) 式中， cmu 为集电极输出的交流电压振幅， cmi 为交流电流的振幅，它们的表达式分别为 )(54)(satcecqcccmurrivu (2-7) 式中， )(satceu 称为饱和压降，一般为 1v 左右。 cqcmii (2-8) 如果变压器的初级线圈匝数为 n1，次级线圈匝数为 n2，由式(2-5)、(2-6)可得 . . 2 1 h hb r r n n (2-9) 式中， hr 为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。 3、功率增益 与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图 2-1 所示电路，甲类功 放不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大， 功率增益 pa 的表达式为 icpppa/ (2-10) 式中， ip为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅imu 及输入电阻 ir的关系为 iiimrpu2 (2-11) 式中， ir可表示为 4)1 (rhhrfeiei (2-12) 式中， ieh 为晶体管共射极组态的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基 区体电阻 bbr 。 feh 为晶体管共射极组态的电流放大系数，在高频情况下它是复数，可近似 取值为晶体管直流电流放大系数。 2.2.3 丙丙类类功功率率放放大大器器 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为邪真功放。根据放大器电流导通角的 范围可以分为甲类，乙类，丙类和丁类等功放。电流导通角越小，放大器的效率越高。 丙类功放通常作为发射极的末级，以获得较大的输出功率和较大的效率。 丙类功率放大器的基极偏置电压 beu 是利用发射极电流的直流分量 0ei 在发射极直流负 反馈电阻 10r 上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放大器的输入信号 iu 为正 弦波时，集电极电流 ci 为余弦脉冲波。利用谐振回路 l5c5 的选频作用可输出基波谐振电 压 1cu 、电流 1ci 。 1、直流电源 ccv 提供的直流功率 0cccvivp (2-13) 式中， 0ci 为集电极电流 ci 的直流分量。电流 ci 经傅立叶级数分解，可得峰值 cmi 与分解系 数 )( n 的关系式 icmicnm n /)( (2-14) 故有 )( 0 0 cmcii (2-15) 分解系数 )( n 与的关系如图 2-4 所示。 . . 功放管特性曲线折线化后的输入电压 beu 与集电极脉冲电流 ci 的波形关系， bm bbon u vu cos (2-16) 式中， onu 为晶体管导通电压(硅管约为 0.6v，锗管约为 0.2v)； bmu 为激励电压(输入电压)的振幅。 bbv 为基极直流偏置电压，一般取 00.2v。在自给偏置电路中，其值可由下式确定 ecbbriv0 (2-17) 式中， er 为功放管发射极直流负反馈电阻，在图 2-1 所示电路中， 10rre 。 当 beu 大于晶体管的导通电压 onu 时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集电极脉 冲电流 ci 与基极脉冲电流 bi 成线性关系，满足关系式 bmbmfecmiihi (2-18) 2、集电极输出的基波功率 o mc o mc mcmccr u r i iup/ 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 11 (2-19) 式中， mcu1 为集电极基波电压的振幅， mci1 为集电极基波电流的振幅； or 为集电极负载 电阻，最佳匹配状态下有 horr ，三者间的关系为 omcmcriu11 (2-20) 式中， )( 1 1 cmmcii ，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数 之积。 3、功率增益 icpppa/ (2-21) 式中， ip 为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅 mbi1 、基波输入电压振幅 mbu1 及输入电阻 ir 的关系为 i mb i mb mbmbir i r u iup 1 2 1 2 11 2 1 / 2 1 2 1 (2-22) 实验电流中， ir 可表示为 ieihr 。 由公式(2-19)和(2-22)可得 mbmb mcmc p iu iu a 11 11 (2-23) 4、放大器的效率 )( )( 2 1 )( )( 2 1 2 1 0 1 0 1 1 0 11 cc mc c mc cc mc v c v u i i v u p p (2-24) . . 式中， ccmcvu/1 称为电压利用系数。 功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾 高输出功率和高效率原则，通常取 80 60 00 。 5、偏置电路及耦合回路 (1)偏置电路 丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路。利用基极电流在基区体电阻 bbr 上的降压 作为偏置电压。其电路简单，但偏压小，且易随晶体管 bbr 而变，不能保持稳定的电压， 因此一般用于大功率丙类谐振功放。利用基极电流的直流分量在 br 上的降压得到偏置电 压， bc 为高频旁路电容。其优点是偏置电压随输入信号的大小自动调节。利用发射极电 流的直流分量在 er 上建立偏压， ec 为高频旁路电容。为了避免 er 上产生交流负反馈，需 设置时间常数 0e/ )53(rec 。它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时， 负偏压加大，似的 0ei 相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以是放大器 工作状态变化不大。缺点是由于 er 上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用 率。因此 er 不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时，发射极很 难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。 (2)耦合电路 输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大 器的输出功率能有效地加到负载上。 丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为： 实现阻抗匹配，使负载电阻 lr 能与放大器的最佳负载 hr 匹配，以保证放大器传输 到负载的功率最大。 与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及 频带内频谱分量存在。 耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式，为了减小晶体管输出阻抗对耦合 回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。回路的谐振频率为 lc 2 1 0 或 lc f 1 0 (2-25) 谐振阻抗与变压器线圈匝数比为 012 452 r r u rp n nl cm lo (2-26) . . l l q r l n n0 45 23 (2-27) . . 3 电电路路的的仿仿真真 课程设计要求： 电源电压 vcc= +12v，采用 nxo-100 环形铁氧体磁芯 工作频率 fo = 6mhz； 负载电阻 rl = 75 时，输出功率 po100mw，效