高频丙类功率放大器的设计

1、目录1引言12丙类功率放大器原理22.1谐振功率放大器22.1.1谐振功率放大器的基本电路22.1.2线路特点22.1.3关系式22.2谐振功率放大器的功率和效率22.2.1放大器的功率22.2.2放大器的集电极效率32.3功率放大器的负载特性32.3.1欠压状态42.3.2临界状态42.3.3过压状态42.4丙类谐振功率放大器的偏置电路43丙类功率放大器电路设计53.1确定放大器的工作状态53.2丙类功率放大器的偏置电路：53.3选频网络53.4各参量的确定54丙类功率放大器电路的仿真与分析74.1EWB软件简介74.2仿真结果与分析94.2.1仿真电路与测试94.2.2 丙类功率放大器的负

2、载特性124.2.3 输入信号幅度的变化对功率放大器的影响134.2.4 直流电压源电压对功率放大器的影响145总结16参考文献171引言高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。主要应用于各种无线电发射机中。高频信号的功率放大，实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路丙类功率放大器半导通角q90°，理想效率

3、h78.5%，负载为选频回路。电子实习，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。鉴于无线通信技术的高速发展，本次课设对于通信专业的学生意义重大。本次课设研究内容包括：在理解丙类放大器工作原理的基础上，设计丙类功率放大器并利用电路仿真软件EWB对功放的主要性能指标进行相关测试，同时观察高频丙类功率放大器的负载特性及研究输入信号幅度的变化对功率放大器的输入功率、输出功率、总效率的影响并且研究直流电源电压对高频

4、丙类功率放大器工作状态的影响。2丙类功率放大器原理2.1谐振功率放大器2.1.1谐振功率放大器的基本电路图1 基本电路晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。2.1.2线路特点1谐振回路LC是晶体管的负载2电路工作在丙类工作状态；基极负偏压（或零偏压）2.1.3关系式1外部电路关系式：2晶体管的内部特性：3（半）导通角根据晶体管的转移特性曲线可得：故得：即集电极电流的导通角是由输入回路决定的2.2谐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，

5、另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Pc。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 2.2.2放大器的集电极效率 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2.3功率放大器的负载特性负载特性：只在其他条件不变（、 为一定），只变化放大器的负载电阻RL而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。 图2 负载特性2.3.1欠压状态 在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压随负载电阻的增大而增大，而电流，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，效率将增加。2.3.2临界状态

6、 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。2.3.3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。2.4丙类谐振功率放大器的偏置电路基极馈电电路分串馈和并馈两种。1基极偏置常采用自给偏置电路；-串馈2由负电源分压供给基极偏置电压；-串馈 3零偏压；-并馈串馈 串馈 并馈图3 基极偏置电路3丙类功率放大器电路设计题目：设计一高频功率放大器。主要技术指标： =12V，输出功率100mW，工作中心频率6.5MHz，效率50%，负载=51。3.1确定放大器的工作状态为获得较高的效率及最大输

7、出功率，放大器的工作状态选为临界状态。3.2丙类功率放大器的偏置电路： 图4 偏置电路此电路利用基极电流的直流分量在R上的降压得到偏置电压，另加高频旁路电容。它的优点是偏置电压随输入信号电压大小起自动调节作用。3.3选频网络选频网络采用LC并联谐振电路，输出电路为负载与电容部分连接的抽头并联振荡回路如图图5抽头电路3.4各参量的确定取q=70°，=400mV，隔直电容均为0.01uF，高频扼流圈电感值均为47uF 得70.2mV = / q（70°）=160.95mA = ·q（70°）=40.7mA 得电源供给的直流功率为 488.65mW得放大器的转

8、换效率为= / =81.86%得C1=150pF，得C2=118pF取因为又已知所以得图6 电路连接图4丙类功率放大器电路的仿真与分析4.1EWB软件简介加拿大Interactive Image Technologies公司推出的EWB(Electronics Workbench)是一个非常优秀的专门用于电子电路设计与仿真的软件，与其他电路仿真软件(Protel99)相比，具有界面直观、操作方便等优点。他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含于轻点鼠标之间，不仅为电子电路设

9、计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。 图7 EWB主窗口图8 元件库和信号栏库EWB的元件库不仅提供了数千种电路元件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值，因此，仿真的结果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理，开发、设计新电路极为方便。下图为EWB软件应用实例（低通滤波器电路设计）图9 EWB软件应用实例 EWB提供了6种基本分析方法和7种高级分析方法，即直流工作点(DC Operating Point)分析、交流频率(AC Frequency)分析、瞬态(Transient)分析、傅里叶(Fourier)分析、失真(Distortion)分析、噪声(Noise)分

10、析、传递函数(Transfer Function)分析、零一极点(Pole-Zero)分析、灵敏度(Sensitivity)分析、温度扫描(Temperature Sweep)分析、参数扫描(Parameter Sweep)分析、蒙特卡罗(Monte Carlo)分析、最坏情况(Worst Case)分析。图10低通滤波器实例输出图11 低通滤波器波特图分析由以上两图可见EWB软件提供的基本分析方法实用，直观，形象。4.2仿真结果与分析4.2.1仿真电路与测试图12电路图图13信号源图14 输入波形图15 输出波形4.2.2 丙类功率放大器的负载特性图13-1、13-2、13-3描述了负载由大

11、到小的变化过程，即丙类功率放大器由过压经临界再到饱和的过程变化。由观察输出波形及直流毫伏表、直流毫安表读数变化可以知道：在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压随负载电阻的增大而增大电源功率不变、输出功率将增加，管耗将减少，效率将增加。放大器的负载较大时，在过压区，随着负载的 加大，下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。图16-1 丙类功放电路输出波形（=65） 图162 丙类功放电路输出波形（=51）图163 丙类功放电路输出波形（=20）4.2.3 输入信号幅度的变化对功率放大器的影响图14-1、14-2、14-3描述了输入信号幅度由大到小的变化过程，即丙类功率放大器由过压经临界再到

12、饱和的过程变化。由观察输出波形及直流毫伏表、直流毫安表读数变化可以知道：在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压随输入信号幅度的增大而增大，电源功率增加、输出功率将增加，效率将增加。在过压区，电源功率基本不变、输出功率基本不变，效率将增加，效率基本不变。图171 丙类功放电路输出波形（=5V）图172 丙类功放电路输出波形（=3V）图173 丙类功放电路输出波形（=1.0V）4.2.4 直流电压源电压对功率放大器的影响图15-1、15-2、15-3描述了直流电压源电压由小到大的变化过程，即丙类功率放大器由过压经临界再到饱和的过程变化。由观察输出波形及直流毫伏表、直流毫安表读数变化可以知道：在

13、欠压到临界输出电压的振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电压的振幅将随的减小而下降，故输出功率也随之下降。图181 丙类功放电路输出波形（=3V）图182 丙类功放电路输出波形（=12V）图183丙类功放电路输出波形（=20V）5总结通过本次课程设计，利用电路仿真软件EWB对功放的主要性能指标进行了相关测试，结论如下： 在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压随负载电阻的增大而增大电源功率不变、输出功率将增加，管耗将减少，效率将增加。放大器的负载较大时，在过压区，随着负载的 加大，下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压随输入信号幅度的增大而增大，电源功率增加、输出功率将增加，效率将增加。在过压区，电源功率基本不变、输出功率基本不变，效率将增加，效率基本不变。在欠压到临界输出电压的振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电压的振幅将随的减小而下降，故输出功率也随之下降。 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）