高頻功率放大器課程設計

通信電子線路課程設計說明書高頻功率放大器院、部電氣與信息工程學院學生姓名專業(yè)電子信息工程學號10401140419摘要高頻功率放大器是發(fā)送設備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大。在高頻范圍內，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采用高頻功率放大器。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶窄，所以一般采用選頻網絡作為負載回路。高頻功率放大器電路由兩極功率放大器組成，第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。本次課設報告先是對高頻功率放大器有關理論知識作介紹，在性能指標分析基礎上進行單元電路設計最后設計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達到技術要求，對仿真結果進行分析，最后總結課設體會。關鍵詞高頻放大仿真甲類放大丙類放大ABSTRACTHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERISANIMPORTANTPARTOFTRANSMITTINGEQUIPMENT,ONEOFTHECOMMUNICATIONCIRCUIT,INORDERTOMAKEUPFORTHESIGNALINTHEPROCESSOFWIRELESSTRANSMISSIONATTENUATIONREQUIREMENTSTRANSMITTERHASGREATPOWEROUTPUT,COMMUNICATIONDISTANCEISFAR,THEGREATERTHEPOWEROUTPUTREQUIREMENTSINTHEHIGHFREQUENCYRANGE,INORDERTOOBTAINENOUGHHIGHFREQUENCYOUTPUTPOWER,BEABOUTTOUSEHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERDUETOTHEHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERWORKFREQUENCYISHIGH,THERELATIVEBANDNARROW,SOTHEGENERALUSEOFTHEFREQUENCYSELECTIVENETWORKASTHELOADCIRCUITHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERCIRCUITBYTHEPOLESOFPOWERAMPLIFIER,THEFIRSTLEVELFORCLASSAPOWERAMPLIFIER,THESECONDCLASSCRESONANCEPOWERAMPLIFIERTHISCLASSAREPORTFIRSTTOHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERRELEVANTTHEORETICALKNOWLEDGEASANINTRODUCTION,INPERFORMANCEINDEXBASEDONTHEANALYSISOFTHEUNITCIRCUITDESIGNFINALLYTODESIGNTHEWHOLECIRCUITDIAGRAM,THESOFTWARESIMULATIONVERIFYWHETHERTHETECHNICALREQUIREMENTS,THESIMULATIONRESULTSWEREANALYZED,ANDFINALLYSUMMARIZESACLASSEXPERIENCEKEYWORDSHIGHFREQUENCYAMPLIFICATIONSIMULATIONCLASSAPOWERAMPLIFIERCLASSCPOWERAMPLIFIER目錄1設計要求111主要技術參數(shù)112具體要求12方案論證23原理分析34電路設計541參數(shù)選取5411甲類諧振放大器參數(shù)計算5412丙類諧振功率放大器電路742仿真與調試12421電路仿真及結果12422電路仿真調試14結束語15致謝16參考文獻17附錄A18附錄B19附錄C201設計要求11主要技術參數(shù)輸出功率，中心頻率，效率，負載電阻MWPO50MHZF1075。電源電壓。50LRVC1212具體要求分析高頻功率放大器原理，通過給定的技術指標要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設計的工作狀態(tài)和計算出電路中各器件參數(shù)，比較甲類功率放大器與丙類功率放大器的特點、功率、效率。利用電子設計工具軟件MULTISIM對電路進行仿真測試，分析電路的特性。并寫出課程設計說明書，作出實際電路。2方案論證在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360度，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180度；丙類放大器電流的流通角則小于180度。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小?？墒侨魞H僅是用一個功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無法做到如此大的功率放大。綜上，確定電路設計由兩個模塊組成，第一模塊是兩級甲類放大器，第二模塊是一工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因為此時輸出交流功率最大，效率也較高，一般認為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。因此，接下來只需要進行甲類跟丙類放大電路的設計，再將其級聯(lián)，就能得到此次課程設計所需要的電路。3原理分析丙類功率放大器通常作為發(fā)射機末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本實驗單元模塊電路如圖21所示。該實驗電路由兩級功率放大器組成。其中VT1（3DG12）、XQ1與C15組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)，其中R2、R12、R13、VR4組成靜態(tài)偏置電阻，調節(jié)VR4可改變放大器的增益。XQ2與CT2、C6組成的負載回路與VT3（3DG12）組成丙類功率放大器。甲類功放的輸出信號作為丙放的輸入信號（由短路塊J5連通）。VR6為射極反饋電阻，調節(jié)VR6可改變丙放增益。與撥碼開關相連的電阻為負載回路外接電阻，改變S5撥碼開關的位置可改變并聯(lián)電阻值，即改變回路Q值。當短路塊J5置于開路位置時則丙放無輸入信號，此時丙放功率管VT3截止，只有當甲放輸出信號大于丙放管VT3BE間的負偏壓值時，VT3才導通工作。圖31高頻功率放大電路（參考電路）丙類功率放大器工作原理丙類功率放大器工作原理電路如圖33所示，VBB使放大器工作于丙類。LC回路調諧于輸入信號的中心頻率，構成濾波匹配網絡。圖33丙類諧振功率放大原理電路丙類放大功率放大器是特性分析即存在欠壓，臨界和過壓三種工作狀態(tài)。在本次設計中主要設計諧振功率放大器負載特性工作電路圖如34所示欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調幅，需采用這種工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調幅級常采用這種狀態(tài)。圖34丙類諧振功率放大負載特性甲類功率放大器工作原理本次采用共射極三極管電路，具有輸出電阻小帶負載能力強，常作為集成放大器的輸出級。甲類放大的典型工作狀態(tài)如圖32所示，當有信號輸入時，其中一部分轉化為有用的輸出功率，信號愈大輸送功率愈多。圖32甲類放大工作波形4電路設計41參數(shù)選取411甲類諧振放大器參數(shù)計算1依設計技術指標要求，考慮高頻放大器應具有的基本特性,可采用共射晶體管單調諧回路諧振放大器，設計參考電路見圖411所示。圖411甲類諧振功率放大器2設置靜態(tài)工作點,由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在082MA之間選取為宜。設計電路中取,設。ICQMAIC51KRE1了增強所示電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q的效果，同時兼顧其他指標，工程上一般取,這就要求偏置電阻應滿足，IVBBQ105,3BE0式中。RBB213Q點的估算由圖412所示直流通路球Q點的值。在的條件下有IBQ141VRICBBB22集電極電流（42）EBQEEQBEQC由此式可見，該電路集電極靜態(tài)電流只與直流電壓及電阻有關。ICRE基極電流43ICQB集電極射極電壓（44）RIVECCQEQ因此在本電路中取,。,KB10B20VBQ8。此處為最大值。的值可由三極管固定值算出。MAIEQC146IEQ圖412基極分壓式射極偏置電路（A）原理電路（B）直流通路動態(tài)增益極即小信號模型如圖413所示（45）RRVAEBERLIO1由式可知電壓增益與射極電阻成反比關系，即射極電阻（靜態(tài)偏置電阻）越高，增益越低，因此在本次設計中我們采用的是電位器來控制電壓增益，使電壓增益在一個可調范圍之內，提高了甲類功放的性能。圖413小信號等效電路由圖411分析得采用的是射極偏置電路，利用電阻RE對的自動調節(jié)作ICQ用來穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q的。采用阻容耦合方式，由于的隔值通交BE21,和作用，此處50PF，射極電阻RE上的交流電被CE旁路，使電壓增益不至CB1于下降很多。此處為CE1UF。2甲類放大的選頻電路本次設計的甲類放大采用的是并聯(lián)LC諧振回路。4621LCF在實際電路中選取。在理論計算中當選取時，PFUHL0,UHL1當時輸入頻率為10MHZ時電容C的計算值要比實際值大。約為400PF。通過LC諧振回路可以將所需頻率選出來使之順利輸入下一極電路。3甲類功放輸出信號經過C4的作用再一次濾除直流信號，大小可選為1UF。412丙類諧振功率放大器電路1自給偏置電路中，未加輸入信號時，0，因此偏置電壓也為零。當輸LB入信號幅度由小加大時，增大，其直流分量IB0也增大，反向偏壓隨之增B大。這種偏置電壓隨輸入信號幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應,如圖412所示。2自給偏置電路說明如圖414所示是利用基極電流脈沖IB中的直流成分IBO流經來產生偏置電壓，顯然根據的流向偏壓是反向的。由圖可RBIB0V見，偏置電壓容量要足夠大，以便有效地短路基波及各次VIB0CB諧波電流，使來上產生穩(wěn)定的直流壓降。改變的大小，可調節(jié)反向偏置RB電壓的大小。3在原理圖的繪制中產生壓降電阻值為51，的值取1UF，電感值取為B100UH,射極輸出電壓經的壓降，取上的壓降作為功率管基極正向的偏置RBB偏置電壓，為了保證丙類工作，其值應小于功率管的導通電壓。圖414基極自給偏壓4對濾波匹配網絡的要求在丙類諧振功放中，把RL變換為REPT，以獲得最大輸出功率的作用，稱為阻抗匹配。而線性電路中的阻抗匹配，指負載阻抗與信號源的輸出阻抗相等時，負載可從信號源取得最大功率在所需頻帶內進行有效的阻抗變換，給放大器提供REPT有效濾除不需要的諧波成分將有用功率有效地傳送給負載，因此其固有損耗要小。在本次設計中L形濾波匹配網絡，如圖415所示圖415形濾波匹配網絡計算公式如下11222QRLPLL（47）5丙類功放的參數(shù)計算確定功放的工作狀態(tài)丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴重失真，諧波分量大，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)，其電流流通角在范C906圍?，F(xiàn)設70在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵電壓、基極偏壓、C集電極負載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。集電極電流余弦脈沖直流ICO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈25070沖基波ICM1分解系數(shù)，。設功放的輸出功率為05W。4701功率放大器集電極的等效電阻為105022WCESPVROP（48）集電極基波電流振幅為（49）MARPIECM95201集電極電流脈沖的最大振幅為MAAXCCCI21611（410）集電極電流脈沖的直流分量為（411）MACCI5420160MAX0電源提供的直流功率為（412）WMAVIPCOD650412集電極的耗散功率為（413）ODC1506集電極的效率為7PDO（414）因為，所以此參數(shù)滿足設計要求。756直流電源去耦濾波元件選擇高頻電路的電源去耦濾波網絡通常采用型LC低通濾波器，濾波電感可按經驗取50500H，并聯(lián)濾波電容一般取1F。電路中取為1UF。C95,7計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)輸出采用型匹配網路,原理圖如413所示，仿真電路如416所示圖41610MHZ諧振功率放大器電路由濾波匹配網有以下公式（415）匹配網路的電感為1595UH，電容參考值為629PF。此處說明接入的是兩個電容并聯(lián)，其中接入可調電容，可擴大選頻范圍，提高振蕩精度。此處做出說明，實際仿真的主要目的是為了更好更接近設計要求，因此在實際電路中存在與計算參數(shù)中必然存在誤差，如在丙類諧振選頻網絡中要求選頻為10MHZ，在理論計算中將C定于120PF時電感的可由公式得L22UH，這與在21LCF實際電路中的元器件參數(shù)選取存在差別。通過各級電路的參數(shù)計算，最后得出總電路圖如下圖417高頻功率放大器總電路圖42仿真與調試421電路仿真及結果將原理圖通過MULTISIM軟件進行仿真，仿真圖如下圖421仿真總電路1本次設計中輸入信號為,電壓值波形，輸入波形如下MHZF10VI80圖422輸入波形2輸入波形經過甲類放大之后得到的波形圖，即甲類輸出、丙類輸入波形如下圖423甲類功放輸出波形3再經過丙類放大之后，得到的波形如下圖424丙類功放輸出波形422電路仿真調試1調試甲類放大電路，我們對射極1K電位器進行調節(jié),在調節(jié)過程中將電位器的阻值由小到大進行調節(jié)，可發(fā)現(xiàn)波形圖由失真變?yōu)榭烧{，因此在仿真過程中盡量將電位器調節(jié)到最佳阻值，以達到最好輸出波形。2調試丙類放大電路中的靜態(tài)工作點與甲類一致，主要在濾波匹配環(huán)節(jié)網絡的調節(jié)，因試驗電路圖與仿真存在一定差別，因此在進行最佳匹配中在選取好各元器件參數(shù)的同時，調節(jié)可調電容，使丙類輸出最大不失真波形。3最后將甲類、丙類連接起來進行級調。將上述單元電路按圖所示電路進行組裝，先將甲、丙類功率放大電路與濾波網絡相接，再將甲、丙類功率放大電路連接起來，然后再進行逐級調整并級聯(lián)。仿真調試觀察波形時，用一示波器各探頭逐一接一、二、級輸出，逐級調試。在調試過程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號參數(shù)就會影響輸出波形質量，因此再調節(jié)時應當動作細微，以調出最佳波形。最后由仿真結果及觀察波形可知，所設計的高頻功率放大器基本滿足了設計任務要求。結束語高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件,經過幾天對高頻功率放大器電路的設計使我對高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。此次的高頻課設，不僅讓我加深了對電子電路理論知識的理解，還加強和同學交流溝通的能力，在設計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設計出的電路經過MULTISIM軟件仿真達到預期的放大效果，不僅讓小組所有成員