高频谐振功率放大器设计

1、 201 - 201 学年第学期 ××××××××课程设计报告题目:专业:班级:姓名:指导教师:成绩:电气工程系201 年月日目录摘要 (11设计目的及意义 (12 高频功率放大器简介 (11.1 高频功率放大器的分类 (11.2 高频功率放大器的主要技术指标. (21.3 功率放大器的三种工作状态 (21.4 高频功率放大器的分析方法 (33 放大器电路分析 (42.1 谐振功放基本电路组成 (42.2 集电极电流余弦脉冲分解 (52.3 谐振功率放大器的动态特性 (74 单元电路的设计 (113.1 丙类功率放

2、大器的设计 (113.2 甲类功率放大器的设计 (123.3 电路原理图 (143.4 电路仿真图 (155 电路的安装与调试 (166 课程设计心得体会 (18参考文献 (19附录1 (20摘要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。所以为了获得足够大的高频输出功率,必须采用高频功率放大器。由于高频功率放大器的工作频率高,相对频带窄,所以一般采用选频网络作为负载回路。本次课设报告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,最后设

3、计出整体电路图,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,最后总结课设体会。关键词:高频谐振功率放大器谐振回路耦合回路工作状态1.设计目的及意义由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小,不能满足发射机天线对发射机的功率要求,所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。本次课程设计使通过已学的电路基础知识,模拟高频振动功率放大器,使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输,这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配,放大器输出端阻抗和负载阻抗匹2.高频功率放大器简介在通信电路中,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

4、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。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中,而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。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

5、,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Hz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(535-1605 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(

6、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。2.1 高频功率放大器的分类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。谐振功率放大器的特点:放大管是高频大功率晶体管,能承受高电压和大电流。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

7、负载的匹配。基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压,使电路工作在丙类状态。输入余弦波时,经过放大,集电极输出电压是余弦脉冲波形。2.2 高频功率放大器的主要技术指标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,对于发射机的输出级,其特点是希望输出功率最高,对应的效率不一定会最高;对于单边带发射机,则要求功率放大器非线性失真尽可能小,也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然,在这类功率放大器中,效率是不很高的。2.3 功率放大器的三种工作状态高频功率放大器的效率是一个突出的

8、问题,其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等,图1-1为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。表1-1为甲、乙、丙三种工作状态的特点。提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态,但这些工作状态下放大器的输出电流与输入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很大,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状态;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,故通常工作在丙类状态,通过谐振回路的选频作用,可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分,选出基波

9、从而消除非线性失真。因此,高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。 甲类乙类丙类图1-1 放大器的三种工作状态表1-1 不同工作状态时放大器的特点 2.4 高频功率放大器的分析方法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。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电流的直流分量I C0和基频分量I cm1。根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用

10、交横轴于V BZ的一条直线来表示(V BZ为截止偏压。如图为晶体管实际特性和理想折线。图1-2 晶体管实际特性和理想折线bV BZEc3.放大器电路分析3.1 谐振功放基本电路组成如图2-1所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率,常常选择工作在丙类状态下工作。我们知道,在一元件(呈电阻性的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压V BB 使基极处于反向偏压的状态,对于NPN 型管来说,只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生,所以耗散功率很小。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,谐振

11、回路中LC 是晶体管的负载,电路工作在丙类工作状态。 v BB CCi图2-1 高频功率放大器基本电路图2-2为谐振功率放大器各级电压和电流波形。图2-2 谐振功率放大器各级电压和电流波形3.2 集电极电流余弦脉冲分解当晶体管特性曲线理想化后,丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。 晶体管的内部特性为:i c = g c (e b V BZ 它的外部电路关系式:e b = V BB + V bm cos t e c = V CC V cm cos t当t=0时,i c = i c max因此,i c max = g c V bm (1cos c 若将尖顶脉冲分解为

12、傅里叶级数,得(a (b (c (d ti CU o n转移特性i C t t t t tU b m-u BEu b-i CmaxU o n U BBu BEi Bi Cu CE U CC U CEmin-U b mU BB(e i c =I c0+I cm1cos t+I cm2cos2t+I cmn cosn t+由傅里叶级数的求系数法得 其中 图2-3 尖顶脉冲的分解系数由图可见,当c120时,Icm1/Ic max 达到最大值。在Ic max 与负载阻抗Rp 为某定值的情况下,输出功率将达到最大值。这样看来,取c=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。为了兼顾效

13、率和功率,常常取导通角70度左右。0.50.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05(max max 10max 0C n C cmn C C cm C C C i I i I i I =(=1cos 1(1(sin cos cos sin 2(cos 1(sin cos (cos 1(cos sin (210c cc c c c n c c c c c c cc c c n n n n n -=-=-=3.3 谐振功率放大器的动态特性在非线性谐振功率放大器中,常常根据集电极是否进入饱和区,将放大区的工作状态分为三种:欠压工作状态:集电极最大点电流在临界线的右方过压工作状态:集电极最大点电流

14、进入临界线之左的饱和区临界工作状态:是欠压和过压状态的分界点,集电极最大点电流正好落在临界线上。如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。 图2-4 电压、电流随负载变化波形高频放大器的工作状态是由负载阻抗R p 、激励电压V b 、供电电压V CC 、V BB 等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器,就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。(1负载特性如果V CC 、V BB 、V b 这几个参变量不变,则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。此时,放大器的电流、输出电压、功率、效率等随R p 而变化的特性,就叫做放大器的负载特性。欠压状态:B 点

15、以右的区域。在欠压区至临界点的范围内,根据Vc=R* Ic 1,放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R 的增大而增大,其输出功率、效率的变化也将如此。临界状态:负载线和Eb max 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时,输出功率大,管子损 耗小,放大器的效率也就较大。所以,高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。过压状态:放大器的负载较大,在过压区,随着负载Rp 的加大,Ic 1要下降,因此放大器的输出功率和效率也要减小 图2-5 谐振放大器的负载特性(2集电极调制特性集电极调制特性是指V BB 、Vbm 和R 一定,放大器性能随V CC 变化的特性。如图2-6所示。由于V B

16、B 和Vbm 一定,也就是V BEmax 和I C 脉冲宽度一定,因而对应于V CEmin的动态点必定在V BE =V BEmax 的那条特性曲线上移动;当V CC 由大减小时,相应的V CEmin 也由大减小,放大器的工作状态将由欠压进入过压,I C 波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。 图2-6 谐振放大器的集电极调制特性(3基极调制特性基极调制特性是指V CC 、V bm 和R 一定,放大器性能随V BB 变化的特性。如图2-7所示。当V bm 一定, V BB 自负值向正方向增大,集电极电流脉冲不仅宽度增大,而且还因V BEmax 增大而使其高度增加,因而I C0和I

17、C1m (相应的Vcm 增大,结果使V CEmin 减小,放大器由欠压进入过压状态。 图2-7 谐振放大器的基极调制特性c0CCCC(4放大特性放大特性是指V BB 、V CC 和R 一定,放大器性能随V bm 变化的特性,如图2-8所示。固定V BB 、增大V bm 和上述固定V bm 、增大V BB 的情况类似,它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大,放大器的工作状态有欠压进入过压;进入过压后,随着V bm 的增大,集电极的电流脉冲出现中间凹陷,且高度和宽度增加,凹陷加深。 图2-8 谐振放大器的放大特性4.单元电路的设计4.1丙类功率放大器的设计因为要求获得的效率>60%,放大器的

18、工作状态采用临界状态,取=70°,所以谐振回路的最佳电阻为202(P U U R CES CC -=551.25集电极基波电流振幅12R P I m c =0.019A集电极电流最大值为70(11 mc cm I I =0.019/0.436=43.578mA其直流分量为电源供给的直流功率为P D =Ucc*Ico =132.3mW集电极损耗功率为P = P D P C =32.3mW转换效率为= P C / P D =100/132.3=75.6%当本级增益A =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I BM

19、= I CM / 4.36Ma基极基波电流振幅70(11 =BM M B I I =4.360.436=1.9mA所以输出电压的振幅为U BM =2 P 1/ I B1M 5.3V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R bb <25, 则输入阻抗436.070cos 1(25(cos 1(11-=-=bb R Z 87.1 则输出变压器线圈匝数比为13R R N N L=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2021(1f C L =7.036H 采用10mm×6mm×5mm 磁环来绕

20、制输出变压器,因为有322210(4-=N l A L cmcm 其中 =100H/m , A=210m m , l =25mm, L =7.036H 所以计算得N 2=74.2甲类功率放大器的设计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:P H = P 1 =5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗,即R H =1Z =87.1设甲类功率放大器为电路的激励级电路,变压器效率b 取0.8,则集电极输出功率P C =bH p 6.25mW若取放大器的静态电流I CC = I CM =5mA ,则集电极电压振幅U CM =2 P C / I CM =2.5V最佳负载电阻为C CM H P

21、U R 22=0.5k则射极直流负反馈电阻cqCES CM CC E I U U U R -=11780 (cq I I CM 则输出变压器线圈匝数比 021R R N N b H =2 本级功放采用3DG12晶体管,取=30 A =13dB 即20倍放大倍数则输入功率P i = P 0 /A =0.3125mW放大器输入阻抗R i = R bb +*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i i im P R U 2=0.46V综上可知U i =0时,晶体管射极电位U EQ = I CQ ×R E1 = 8.9VU BQ =9.5VI BQ

22、= I CQ /=0.17mA若基极偏置电流I 1 =5 I BQ ,则R 2 = U BQ /5 I BQ 11.2k所以,有21R U U U R bobo CC -=2.95K 4.3 电路原理图如图3-1 为高频谐振功率放大器的总体电路图。 图3-1 高频谐振功率放大器电路图4.4 电路仿真图 图3-2 电路仿真图5.电路的安装与调试根据上述设计的元件参数,按图3-1所示电路进行安装(上述未标出的器件参数,以图上标注为准。先安装第一级放大器,测量调整其静态工作点,使其满足或近似到理论设计值,再安装第二级放大器。测得晶体管2N5551静态时,基极偏置电压U be =0,静态工作点调整后再

23、进行动态调试。先假设谐振回路已经处于谐振状态,即集电极的负载电阻为纯阻抗。但是回路的初始状态或者在调谐过程中,回出现失谐状态,即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性,将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小,集电极电流增大,集电极的耗散功率增加,严重时可能损毁晶体管。为保证元器件安全工作,调谐时可以先将电源电压+V CC 降低到规定值的3121 ,待找到谐振点后,再将+V CC 升到规定值,然后微调一下回路参数就可以了。回路谐振时,高频电压表的读数应达到最大值,直流毫安表的读数为最小值,示波器检测的波形为不失真基波。 图4-1 调试波形图 图4-2 效果波形图 图4-3 实物图武汉理工大学高频

24、电子线路课程设计说明书 6.课程设计心得体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼 实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。这次的高频课程设 计，加深了我对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路 的基本设计能力和基本调试能力 。 回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践， 在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不 仅可以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学到过的知识。通过这 次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的

25、，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， 才能真正学到属于自己的知识， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得 是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏实际设计及动手的经验，所以难免会遇到过各 种各样的问题。同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处，比如说发现自己 对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 不过， 这次实验的最大收获就是锻炼了我独立思考的能力， 由于参数的计算有点复杂， 需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要求我在设计过程中必须 认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。而参数不对，最终将直接影 响到仿真的结果。 课设的这段日子真的是给