高频LC谐振功率放大器的设计方案

高频LC谐振功率放大器设计目录序言 11高频LC谐振功率放大器原理 21.1原理电路 21.2高频功率放大器特征曲线. 31.3功率放大器三种工作状态 51.4高频功率放大器外部特征 52高频LC谐振功率放大器电路设计 72.1试验电路参数计算 72.2高频LC谐振功率放大器设计电路 73高频谐振功率放大器电路仿真与分析 83.1EWB软件介绍 83.2软件界面介绍 83.3EWB软件对丙类功放仿真 113.3.1电路仿真图 113.3.2负载特征 113.3.3输入电压改变时对电路影响 143.3.4当电源电压改变时对电路影响 173.3.5输入仿真和输出仿真 203.4中心频率、通频带、放大倍数计算 224心得体会 255参考文件 26序言高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其余电子系统中，如在发射设备中，为了有效地使信号经过信道传送到接收端，需要依照传送距离等原因来确定发射设备发射功率，这就要用高频谐振放大器将信号放大到所需发射功率；在接收设备中，从天线上感应到信号是非常微弱，通常在级，要将传送信号恢复出来，需要将信号放大，这就需要用高频小信号谐振放大器来完成。高频功率放大器主要功效是放大高频信号，而且以高效输出大功率为目标。它主要应用于各种无线电发射机中。发射机中振荡器产生信号功率很小，需要经过多级功率放大器才能取得足够功率，送到天线辐射出去。高频功放输出功率范围，能够小到便携式发射机毫瓦级，大到无线电广播电台几十千瓦，甚至兆瓦级。现在，功率为几百瓦以上高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦以下高频功率放大器则主要采取双极晶体管和大功率场效应管。已知能量（功率）是不能放大，高频信号功率放大，其实质是在在输入高频信号控制下将电源直流功率转换成高频功率，所以除要求高频功放产生符合要求高频功率外，还应要求具备尽可能高转换效率。应该指出，尽管高频功放和低频功放共同特点都要求输出功率大和效率高，但二者工作频率和相对频带宽度相差很大，所以存在着本质区分。低频功放工作频率低，但相对频带很宽。工作频率通常在20--0Hz，高频端与低频端之差达1000倍。所以，低频功放负载不能采取调谐负载，而要用电阻，变压器等非调谐负载。而高频功放工作频率很高，可由几百千赫到几百兆赫，甚至几万兆赫，但相对频带通常很窄。比如调幅广播电台频带宽度为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1%。所以高频功放通常都采取选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一样，其负载采取传输线变压器或其余宽带匹配电路，宽带功放惯用在中心频率多改变通信电台中。低频功率放大器能够工作在甲类状态，也能够工作在乙类状态，或甲乙类状态。乙类状态要比甲类状态效率高。为了提升效率，高频功放多工作在丙类状态。为了深入提升高频功放效率，近年来又出现了D类，E类和S类等开关型高频功率放大器。1高频LC谐振功率放大器原理1.1原理电路图1谐振功率放大器基本电路图1是一个采取晶体管高频功率放大器原理线路。除电源和偏置电路外，它是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采取平面工艺制造NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高特征频率。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小激励信号电压作用下，形成基极电流iB，iB控制了较大集电极电流iC，iC流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源直流功率转换为高频功率任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在丙类状态下工作，为了确保在丙类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，通常为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，通常在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。晶体管作用是将供电电源直流能量转变为交流能量过程中起开关控制作用。线路特点：(1)LC谐振回路作为晶体管负载起到选频滤波以及阻抗匹配作用。(2)电路工作在丙类工作状态以确保电路效率较高；基极负偏压（或零偏压）。关系式：(1)外部电路关系式：(2)晶体管内部特征:(3)（半）导通角：依照晶体管转移特征曲线可得：即集电极导通角是由输入回路决定。必须强调指出：集电极电流ic即使是脉冲状，但因为谐振回路这种滤波作用，依然能得到正弦波形输出。1.2高频功率放大器特征曲线图2谐振功率放大器转移特征曲线功率放大器作用原理是利用输入到基极信号来控制集电极直流电源所供给直流功率，使之一部分转变为交流信号功率输出去，另一部分功率以热能形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。依照能量守衡定理：直流功率：输出交流功率：-回路两端基频电压-基频电流-回路负载阻抗图解分析法步骤：(1)测出晶体管转移特征曲线及输出特征曲线，并将这两组曲线折线化处理；(2)作出不一样工作状态下动态特征曲线；(3)依照激励电压大小在特征曲线上画出对应输出电压和电流脉冲波形；(4)分析功放外部特征，即分析放大器外部供电电压或负载改变将怎样影响输出电压、输出电流、输出功率、效率等指标。晶体管特征曲线及其特征方程：由图可见，在放大区，有转移特征方程：所以，集电极电流随激励而正向改变。在饱和区，集电极电流只受集电极电压控制，而与基极电压无关。所以有临界限方程：在截止区，有方程：(当时)图3晶体管输入和输出特征曲线谐振功率放大器动态特征曲线（负载线）高频放大器工作状态是由负载阻抗、激励电压、供电电压等4个参量决定。假如,3个参变量不变，则放大器工作状态就由负载电阻决定。此时，放大器电流、输出电压、功率、效率等随而改变特征，就叫做放大器负载特征。所谓动态特征是和静态特征相对应而言，在考虑了负载反作用后，所取得关系曲线就叫做动态特征。图4功率及效率随负载改变波形1.3功率放大器三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，经常依照集电极是否进入饱和区，将放大器工作状态分为三种情况：(1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界限右方(2)过压工作状态：集电极最大点电流进入临界限之左饱和区(3)临界工作状态：欠压和过压状态分界点，集电极最大点电流恰好落在临界限上。1.4高频功率放大器外部特征高频放大器负载阻抗、激励电压、供电电压、4个外部变量会影响放大器工作状态、功率及效率等。对应影响关系分别为：RL欠压区RL欠压区过压区临界区Ic1IcoUc1PRL欠压区过压区临界区PDPc图5高频功率放大器负载特征UUcmIcmlIcoUbm过压临界欠压O图6高频功率放大器振幅特征图7高频功率放大器调制特征2高频LC谐振功率放大器电路设计2.1试验电路参数计算晶体管2N2222A主要参数为：主要技术指标：交流电压放大倍数：输出交流电压峰-峰值：中心频率：15MHz通频带宽：2.2高频LC谐振功率放大器设计电路图8功率放大器设计电路3高频谐振功率放大器电路仿真与分析3.1EWB软件介绍伴随电子技术和计算机技术发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品智能化日益完善，电路集成度越来越高，而产品更新周期却越来越短。电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路设计人员能在计算机上完成电路功效设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板自动设计。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术基础上发展起来计算机设计软件系统。与早期CAD软件相比，EDA软件自动化程度更高、功效更完善、运行速度更加快，而且操作界面友善，有良好数据开放性和交换性。

电子工作平台ElectronicsWorkbench(EWB)软件是加拿大InteractiveImageTechnologies企业于八十年代末、九十年代初推出电子电路仿真虚拟电子工作台软件，它具备这么一些特点：

(1)采取直观图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实试验室工作台，绘制电路图需要元器件、电路仿真需要测试仪器均可直接从屏幕上选取；

(2)软件仪器控制面板外形和操作方式都与实物相同，能够实时显示测量结果。

(3)EWB软件带有丰富电路元件库，提供多个电路分析方法。

(4)作为设计工具，它能够同其它流行电路分析、设计和制板软件交换数据。

(5)EWB还是一个优异电子技术训练工具，利用它提供虚拟仪器能够用比试验室中更灵活方式进行电路试验，仿真电路实际运行情况，熟悉惯用电子仪器测量方法。(6)用EWB进行仿真模拟试验，试验过程非常靠近实际操作效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样数次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。(7)不但提供了各种丰富分立元件和集成电路等元器件,还提供了各种丰富调试测量工具：各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。是一个全开放性仿真试验和课件制作平台,给我们提供了一个试验器具完备综合性电子技术试验室。(8)EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好实用工具，使我们能够在教学过程中随时提供试验、演示和电路分析。所以非常适合电子类课程教学和试验。这次课程设计，我们将了解EWB软件初步知识和基本操作方法。3.2软件界面介绍图9主窗口图10元件库图11基本器件库图12信号源库图图13指示器件库图14仪器库图14仪器库图15二极管库图15二极管库3.3EWB软件对丙类功放仿真3.3.1电路仿真图图34电路仿真图3.3.当负载电阻为1KΩ时，电路处于欠压状态：图9输入电压及直流电流 图10输出电压当负载电阻为2KΩ时，电路处于临界状态：图11输入电压及直流电流图12输出电压当负载电阻为3KΩ时，电路处于过压状态：图13输入电压及直流电流图14输出电压3.3.当输入电压为100mV时电路处于欠压状态：图15集电极直流电流图16输出电压当输入电压为750mV时电路处于临界状态：图17集电极直流电流图18输出电压当输入电压为900mV时电路处于过压状态：图19集电极直流电流图20输出电压3.3.当电源电压为25V时，电路处于欠压状态：图21输入电压及集电极电流图22输出电压当电源电压为12V时，电路处于临界状态：图23输入电压及集电极直流电流图24输出电压当电源电压为4V时，电路处于过压状态：图25输入电压及直流电流图26输出电压3.3.5输入仿真和输出仿真图图35输入仿真图36图36LC谐振功放输出波形3.4中心频率、通频带、放大倍数计算1.中心频率图37LC谐振功放输出波特图图38LC谐振功放输出波特参数所以：中心频率为13.3448MHz2.放大倍数图39LC谐振功放输入输出电压输入电压为350mv，输出电压为10.2214v放大倍数Au=10.2214v/350mv=29.213.通频带图40LC谐振功放输出波特图图41LC谐振功放输出波特参数通频带B=X1-X2=15.6792M-12.5917M=4心得体会这次课程设计主要是对高频电路中放大器这部分知识应用。经过设计高频放大器，深入将理论转化成实践，并在实践中检验理论。此次课程设计，是设计一个丙类谐振功率放大器。经过分析最大输出功率与输出阻抗关系从而确定匹配网络，进而确定电路中个参数，从而设计出丙类谐振放大器电路图。在设计完电路之后，再用EWB去仿真设计完电路，经过观察输出电压波形与幅值深入求出输出功率，验证是否与理论值相一致。经过观察不一样输出电阻时输出功率，来了解输出电阻对输出功率影响，并验证理论当中输出负载对输出功率影响。大三上半学期生活伴随最终一周高频电子实习即将结束，我知道，经过这短短一周学习，可能学到仅仅是皮毛而已。假如说，以前做高频试验增强了我动手能力，那么，这次电路设计愈加增强了对高频LC谐振功率放大器性能了解。愈加明白了为何电路放大倍数和通频带相互制约和影响，为何集电极输出电流为余弦脉冲而真正输出信号却和输入信号频率相同。课程设计是培养学生综合利用所学知识，是发觉、提出、分析和处理实际问题、锻炼实践能力主要步骤，是对学生实际工作能力详细训练和考查过程。这次高频课程设计，加深了我对电子电路理论知识了解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路基本设计能力和基本调试能力。回顾起此次高频课程设计，至今我仍感叹颇多。确实，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期日子里，能够说得是苦多于甜，不过能够学到很多很多东西，同时不但能够巩固了以前所学过知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过知识。经过这次课程设计使我知道了理论与实际相结合是很主要，只有理论知识是远远不够，只有把所学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知识，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。在设计过程中碰到问题，能够说得是多如牛