高频LC振动电路

高频LC谐振功率放大器原理1.1原理电路ic尸uceC)LfdRHI叮UCC+输出UBB图1谐振功率放大器的基本电路图1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。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。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流i,i控制了较大的集电极电流i,i流过谐振回路产生高频功率输出,BBCC从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。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，为了保证在丙类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。晶体管的作用是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。线路特点：LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压(或零偏压)。关系式：外部电路关系式：u=—U+Ucos①t u=U-Ucos①tbeBBbmceCCcm晶体管的内部特性：I=g(u-U')cmbeBB(3)(半)导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得：(3)(半)导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得：n . c U+u'UcosB=U +U' 6=arccos—bb bbbm 1BB1 BB Ubm即集电极的导通角是由输入回路决定的。必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。高频功率放大器的特性曲线L图2L图2谐振功率放大器的转移特性曲线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P，使之一部分转变为交流信号功率P输出去，另一部分功率o1以热能形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率P。C根据能量守衡定理：P根据能量守衡定理：P二P+Po1C直流功率：P二I-Uoc0CC输出交流功率：P=2Uc•'=U=21汽LR-回路的负载阻抗LU-回路两端的基频电压R-回路的负载阻抗LC c1图解分析法的步骤：测出晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线，并将这两组曲线折线化处理；作出不同工作状态下的动态特性曲线；根据激励电压U的大小在特性曲线上画出对应输出电压U和电流脉冲bci的波形；c分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、效率等指标的。晶体管的特性曲线及其特性方程：由图可见，在放大区，有转移特性方程：i=g(u-U')cmbeBB所以，集电极电流随激励而正向变化。在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。因此有临界线方程：i二Succce图3晶体管的输入和输出特性曲线谐振功率放大器的动态特性曲线(负载线)高频放大器的工作状态是由负载阻抗R、激励电压u、供电电压U,U等4个参量决定的。LbCCBB如果U,U,u3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻RCCBBbL决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随rl而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的uu和i的关系曲线就叫做动态特性。ce,bec图4功率及效率随负载变化的波形图4功率及效率随负载变化的波形功率放大器的三种工作状态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，将放大器的工作状态分为三种情况：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：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区临界工作状态：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。高频功率放大器的外部特性高频放大器的负载阻抗R、激励电压U、供电电压U、U4个外部变LbccBB量会影响放大器的工作状态、功率及效率等。对应的影响关系分别为：LL图5高频功率放大器的负载特性图7高频功率放大器的调制特性高频LC谐振功率放大器电路设计实验电路参数计算晶体管2N2222A的主要参数为：V二12V,P二0.5W,I二0.8Accccm主要技术指标：交流电压放大倍数：A>25输出交流电压峰-峰值：uV>2V(R二2k⑵op-p L中心频率：15MHz 通频带宽：>±250kHz(-3dB)2.2高频LC谐振功率放大器设计电路高频谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1EWB软件简介随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。电子设计自动化(EDA)技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。EDA是在计算机辅助设计(CAD)技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快,而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。电子工作平台ElectronicsWorkbench(EWB)软件是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点：采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。用EWB进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多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。Fi]«Edi>.^EtfztLL冲rlL和isTtiniEr也XpDV詈TOXFi]«Edi>.^EtfztLL冲rlL和isTtiniEr也XpDV詈TOXEZJmlf=]1k:口1wv2 -T ：I 0□A drcvtiWtetmJyztdforI]1Ai"iW6epj|)i-KM2fQ廿爲1蛇吧・：比1^键沌酬啤dcecopestiUE閃*DdmLft.bytUEH富Cttu^lUiLc-swiEcj^山口fcerianthttxTic*F也idysw刖军葩的rui_■吗坷问血业皿na皿皿i粗HlAndjfi^AC知耶証iuh孙JPu-iKrtHcvgp®TrthR:IJs-IL*E^ep2KACo^-lput^cds+pLeg，2才芒栏七甫描述極电肖工件叵■■■^\T.I-r：HH7/HI■T*8m-lmlI豐 ■止收也Eh：/

打幵的仪玉不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件,还提供了各种丰富的调试测量工具：各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。EWB(电子学工作平台)为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。因此非常适合电子类课程的教学和实验。这次课程设计，我们将了解EWB软件的初步知识和基本操作方法。软件界面介绍主斗兰 兀宀埜栏 丄尺栏禽隔I略］词起V］占陋|越|gxH|I1ccmJjrlmn££|制零|劉创呵副甲也團 匡］图9主窗口自定义库基本元件库晶体管库混和集成电路逻辑门电路指示器件库其它器件库自定义库基本元件库晶体管库混和集成电路逻辑门电路指示器件库其它器件库图10元件库图11基本器件库<£电压涼电」屯一M电叶脣屯_濮电计盲屯比頰交啸屯注蓿直報屯请图12信号源库电浊iIthIlcatorsa寧BOSB—电压表灯泡电流表 彩色指示灯逻辑转换仪逻辑分析仪字信号发生器波特图仪示波器函数信号发生器数字參用表图14仪器库「容In吕匕「m屯口土占黔凶1=1蛊0三匝］441Q401 厶宀66呂O-Z-0■:-图13指示器件库二极管申压二极管发光二极管全波桥式整流器图15二极管库EWB软件对丙类功放的仿真3.3.1电路仿真图11i_图34电路仿真图CDi：r■ 12VHe-3C：C：-t3.3.2负载特性当负载电阻为1KQ时，电路处于欠压状态:nrvJl十nrvJl十图9输入电压及直流电流I=3.1566mAU=350mV U=5.76VR二1KQ U=12Vc0 bm cm L cc图10图10输出电压P=IxU=3.1566mAx12V=0.0379W0 c0 ccP=U2/(2xR)=5.76x5.76/2/1000=0.01658W1cm LP/Px100％=0.01658/0.0379=43.76％10当负载电阻为2KQ时，电路处于临界状态：

3.36S7mA■ S]|dEjSettings3.36S7mA■ S]|dEjSettings图11输入电压及直流电流I=3..3697mAU=350mVU=9.993V R二2KQU=12Vc0 bm cm K cc图12图12输出电压P二U2/(2xR)二9.9993x9.9993/2/2000二0.025W1cm LP=IxU=3.3697mAxl2V=0.04044W0 c0 ccP/Pxl00%二0.025/0.04044二65.8%10FrequencyDutycycle.•VriplrtudeOffset图13输入电压及直流电流T2-T11'?.11■?3T2-T11'?.11■?3hJ.5345.0596n2-7.9365J1?161EhJ-5-2980-910Fl'J106E88'JT2斗1H斗？ri5-643.1S06mV18.E9E3JTimmbaseJk.Xpositiona.oaBfAA/BY.-TTrigger5jge(ElLevel|aoaChannel4§|B|Erf|Yposition10.00EHD|DC|—Ch3nnt!lB一Reduce5V.rDk▲Yposition|s.oaReverse01DCISave图14输出电压P=IxU=3.1992mAxl2V=0..03839W0coccP二U2/(2xR)二10.6588x10.6588/2/3000二0.01863W1cm LP/Pxl00%=0.01863/0.03839=48.52%103.3.3输入电压改变时对电路的影响Settings图15集电极直流电流I=2.8830mAU=100mVU=5.4345VU=12V 二2KQc0 bm cm ccChannelAChannelB51.6029p.sT251.6270p.sT2-T198.9349nQVW2-53.6670niJ-9.0251 VVB2ChannelAChannelB51.6029p.sT251.6270p.sT2-T198.9349nQVW2-53.6670niJ-9.0251 VVB25.4345MVB2-VEMTimebaseXposition|(LoaTriggerEijgn [E3Level |CLOQEi上凸A'BIB|ErtIYposition|o.oaD|DC|AC10畑”Yposition|a.ogD|DC|AC田Reduce吕 ISave图16输出电压P=IxU=2.8830mAxl2V=0..03460W0 c0 ccP二U2/(2xR)二5.4345x5.4345/2/2000二0.0074Wlbm LP/Pxl00%二0.0074/0.03460二21.39%l0

图17集电极直流电流I=3.5971mAU=750mVU=10.3190VU=12VR二2KQc0 bm cm cc L图18输出电压P=IxU=3.5971mAx12V=0.04316W0c0ccP=U2/(2xR)=10.3190*10.3190/2/2000=0.0267W1cm LP/Px100％=0.0267/0.0416=67.9％103.8735mA用W£1111Settings+图19集电极直流电流I=3.6735mA U=900mV U=10.2286V R二2KQc0 bm cm LU=12Vcc图20输出电压P=IxU=3.6735mAx12V=0.04408W0c0ccP=U2/(2xR)二10.2286x10.2286/2/2000二0.0216W1cm LP/Px100%二0.0216/0.04408二49.01%103.3.4当电源电压改变时对电路的影响当电源电压为25V时，电路处于欠压状态：|丽HZ 性nw图21输入电压及集电极电流I=7.1196I=7.1196mAU=350mVU=21.2056VR二2KQU=25Vc0 bm cm L cc图22输出电压P=IxU=7.1196mAx25V=0.17799W0c0ccP=U2/(2xR)=21.2056x21.2056/2/2000=0.1124W1cm LP/Px100％=0.1124/0.17799=63.15％10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/0图23输入电压及集电极直流电流/0=3.1957mA U»=350mVu二10.14V R=2KQ U二12Vc0 bmcm L cc图24输出电压P=IxU=3.1957mAx12V=0.03835W0 c0 ccP二U2/(2xR)二10.14x10.14/2/2000二0.2570W1cm LP/Px100%二0.02570/0.03835二67.03%10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I=0.8167mAU=350mVu=2.8168VU=4VR=2KQc0 bm cm cc L1E8.5^82jasT2LES. MS1E8.5^82jasT2LES. MST2-T1as.5396ns2斗号.57?斗nV沁-S3S.8218円V沁W・1-683■斗011nk-1-2.EG1/. J\.«22.8163UE.3979QTriggerACF：educeSaveTimebaseKposition|aoo

Level|CLoa

CharinelW2MFW卩DlfYposition|0.00AC

ChannelB2WDlfYposition|0.03D|DC|图26输出电压P=IxU=0.8167mAx4V=0.00327W0 c0 ccP=U2/(2xR)二2.8168x2.8168/2/2000二0.00198W1cm LP/Px100％=0.00198/0.00327=59.23％103.3.5输入仿真和输出仿真1£.?□5&m=TJE.70E?EsT2-T1153E斗吕己n=3.7611 VW(23.7611 V15.905?pWTimebaftTrigger曰口皂 S32tJCharnelAChannelDR^iiicelOjXrAlu|£V.*TIlu|<5W/DIuXposhlon|nnoLevel|njoYposltlcri|DJOOYpoerrlfl仃|DERexierss-j-E1E1I1.QI[aeI.isa图36LC谐振功放的输出波形中心频率、通频带、放大倍数的计算中心频率Untitled.ewb30-1«-108-154-20010a10010KIMZOOMlOOQMIMZOOMlOOQMPiequency(Hz)Phase[deg]图37LC谐振功放的输出波特图

xl41.^631Y--230.57B6滋ys丄3・3d^-3Mdy2&吕.3^331/dx7^.3358n1/dy3.7901mir.inx■5.0000mmaxx•50J.0O0OMminy-452.619Bmaxy33.2652图38LC谐振功放的输出波特参数所以：中心频率为13.3448MHz放大倍数图39LC谐振功放的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=29.21通频带Untitled.ewb(HP)看己(co岂Frequency(Hz)图40LC谐振功放的输出波特图Al工5・€732M£□・555^12・5317M30.4129dx-3.0575M-142.4302m1/dx-323.S8-60:n1/dy-7.0135ir.inx5.OOCOmmaxxSOO.00C0Mir.i^Ly-452.^155in辽兀y33・26-5：图41LC谐振功放的输出波特参数通频带B=X1-X2=15.6792M-12.5917M=2.08M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的应用。通过设计高频放大器，进一步将理论转化成实践，并在实践中检验理论。本次课程设计，是设计一个丙类谐振功率放大器。通过分析最大输出功率与输出阻抗的关系从而确定匹配网络，进而确定电路中的个参数，从而设计出丙类谐振放大器的电路图。在设计完电路之后，再用EWB去仿真设计完的电路，通过观察输出的电压的波形与幅值进一步求出输出功率，验证是否与理论值相一致。通过观察不同输出电阻时的输出功率，来了解输出电阻对输出功率的影响，并验证理论当中输出负载对输出功率的影响。