高频谐振功率放大器的设计

1、20122013学年 第一学期高频电子线路课 程 设 计任务书题 目 高频谐振功率放大器的仿真分析 班 级 姓 名 学 号 指导教师 电气工程系2014年12月17日 3高频电子线路任务书课题名称 高频谐振功率放大器的仿真分析 指导教师（职称）王银花（讲师） 执行时间2012 2013 学年第 一 学期 第15周学生姓名学号承担任务集电极调制特性的仿真与分析放大特性的仿真与分析负载特性的仿真与分析丙类谐振功放的工作原理高频谐振功放原理图设计基极调制特性的仿真与分析设计目的1.配养较为扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力。2.加深对电路器件的选型及电路形式的选择的了解。3.提高高频电子电路的

2、基本设计能力及基本调试能力。设计要求 1.了解高频谐振功率放大电路的原理2.了解高频谐振功率放大电路的电压放大作用，创建电路再仿真分析（输入输出、幅频特性、结果分析）3.分析高频谐振功率放大电路的特性（1）负载特性分析（创建电路、仿真分析及说明）（2）调制特性分析（创建电路、仿真分析及说明）目 录目 录1摘 要2第一章 原理分析31.1高频谐振功率放大器电路工作原理31.2谐振功率放大器的特点31.3高频功放的主要技术指标31.3.1 功率关系31.3.2 谐振功率放大器临界状态的计算41.4 功率放大器的负载特性41.4.1集电极电流、集电极电压随负载变化的波形51.4.2 功率及效率随负载

3、（工作状态）变化的波形：51.5谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路51.5.1直流馈电电路51.5.2 输出回路和级间耦合回路6第二章 高频功放电路的设计72.1丙类功率放大器工作状态的确定72.2 丙类高频功率放大器电路设计8第三章 电路仿真93.1 所用软件Multisim简介93.2 仿真测试电路93.2.1放大特性93.2.2负载特性103.2.3调制特性11参考文献14答辩记录及评分表15 摘 要 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，这是无线电发射机中的重要单元电路。高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射

4、机具有较大的功率输出，而且通信距离越远，要求输出功率越大。本次设计采用甲类功放输出的最大不失真信号作为激励源，丙类功放作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，再设计出整体电路图，而后在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析并总结。关键词：甲类功放;丙类功放;谐振回路;工作状态;仿真第一章 原理分析1.1高频谐振功率放大器电路工作原理在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功

5、率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。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

6、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。1.2谐振功率放大器的特点（1） 放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。（2） 输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。（3） 输入余弦波

7、时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。1.3高频功放的主要技术指标1.3.1 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。1.3.2 谐振功率放大器临界状态的计算1.4 功率放大器的负载特性临界状态下，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

8、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.根据：可求得最佳负载电阻： 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。1.4.1集电极电流、集电极电压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1.4.2 功率及效率随负载（工作状态）变化的波形：1. 欠压状

9、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。 2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。3. 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1.5谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路1.5.1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

10、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1.5.2 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

11、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。1)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。2)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

12、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。第二章 高频功放电路的设计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

13、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%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/ IB1M5.3V2.2 丙类高频功率放大器电路设计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2-1 丙类功放原理图第三章 电路仿真3.1 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

14、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。 3.2 仿真测试电路3.2.1放大特性若基极偏置电压、集电极偏置电压、总电阻三个参数固定，输入电压振幅变化，此时输出电压振幅等随之变化的规律被称为放大特性。1.仿真如下，波形如图3-1所示：

15、图3-1 放大特性波形2.结果分析：在输入电压幅值为100mV的时候，输出电压幅值为854mV，输入电压幅值被放大了8.54倍3.2.2负载特性若基极偏置电压、集电极偏置电压和输入电压振幅三个参数固定，电阻总和发生变化时，输出电压振幅等随之变化，这就是谐振功放的负载特性。1.仿真如下：为了模仿负载电路，这里对其经行了简化，采用一个可调电阻经行模拟，通过调节不同的阻值观察其波形。当负载电阻调节到5%时，即5欧姆，如图3-2，其输出波形如图3-3所示：图3-2 负载电阻5欧姆图3-3 5欧姆负载特性当负载电阻调节到100%时，即100欧姆，如图3-4，其输出波形如图3-5所示：图3-4负载电阻10

16、0欧姆图3-5 100欧姆负载特性 2.结果分析： 由仿真波形图可以看出5欧姆负载电压增益小于100欧姆负载电压增益。由此可见，对于纯阻性负载，一定范围内，电阻越大，电压增益越高。3.2.3调制特性a) 基极调制特性若集电极偏置电压、总电阻、输入电压振幅固定，输出电压振幅随基极偏置电压变化的规律被称为基极调制特性。1.仿真如下：根据基极电压的不同，可分为欠压，临界，过压三种状态，针对三种不同状态分别经行仿真并观察了输出波形，欠压，临界，过压三种状态仿真结果如下：（图中电压示数为基极电压）图3-6 欠压状态图3-7 临界状态图3-8 过压状态2.结果分析：在欠压状态下，输出电压幅值随输入电压幅值

17、的增大而增大，但不成线性关系，因为导通角度也随之增大。当处于临界状态之后，随着输入电压幅值的增加，输出电压幅值几乎保持不变。b) 集电极调制特性若基极电压、总电阻、输入电压振幅固定，输出电塔振幅随集电极电压变化的规律被称为集电极调制特性。1. 仿真如下：根据集电极电压的不同，可分为欠压，临界，过压三种状态，针对三种不同状态分别经行仿真并观察了输出波形，欠压，临界，过压三种状态仿真结果如下：（图中电压示数为集电极电压）图3-9 过压状态图3-10 临界状态图3-11 欠压状态2.结果分析：在欠压状态下，当集电极电压改变时，输出电压幅值几乎不变，在过压状态下，输出电压幅值随集电极电压单调变化，所以此时功放应工作在过压状态，才能是集电极电压对输出电压幅值有控制作用，及即振幅调制作用。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.20035 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