高頻丙類功率放大器的設(shè)計要點

1、目錄1 引言 12 丙類功率放大器原理22.1 諧振功率放大器22.1.1 諧振功率放大器的基本電路 22.1.2 線路特點 22.1.3 關(guān)系式 22.2 諧振功率放大器的功率和效率22.2.1 放大器的功率22.2.2 放大器的集電極效率32.3 功率放大器的負載特性32.3.1 欠壓狀態(tài) 42.3.2 臨界狀態(tài) 42.3.3 過壓狀態(tài) 42.4 丙類諧振功率放大器的偏置電路43 丙類功率放大器電路設(shè)計53.1 確定放大器的工作狀態(tài)53.2 丙類功率放大器的偏置電路： 53.3 選頻網(wǎng)絡(luò) 53.4 各參量的確定54 丙類功率放大器電路的仿真與分析74.1 EW瞅件簡介74.2 仿真結(jié)果與分

2、析94.2.1 仿真電路與測試94.2.2 丙類功率放大器的負載特性 124.2.3 輸入信號幅度的變化對功率放大器的影響134.2.4 直流電壓源電壓對功率放大器的影響145 總結(jié) 16參考文獻 171引言高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號， 并且以高效輸出大功率為目的。主要 應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機中。高頻信號的功率放大，實質(zhì)是在輸入高頻信號的控制下將 電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功率放大器產(chǎn)生符合要求的高頻功率 外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進一步提高工作 效率還提出了丁類與戊類放大器。 諧振功率放大器通常工

3、作于丙類工作狀態(tài)， 屬于非線 性電路丙類功率放大器半導(dǎo)通角 0<90口，理想效率”>78.5%,負載為選頻回路。電子實習(xí)，是以學(xué)生自己動手動腦，并親手設(shè)計、制作、組裝與調(diào)試為特色的。它 將基本技能訓(xùn)練，基本工藝知識和創(chuàng)新啟蒙有機結(jié)合，培養(yǎng)我們的實踐能力和創(chuàng)新精神。 作為信息時代的大學(xué)生，僅會書本理論是不夠的，基本的動手能力是一切工作和創(chuàng)造的 基礎(chǔ)和必要條件。鑒于無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，本次課設(shè)對于通信專業(yè)的學(xué)生意義重大。本次課設(shè)研究內(nèi)容包括：在理解丙類放大器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計丙類功率放大器并利用電路仿真軟件 EWB對功放的主要性能指標進行相關(guān)測試，同時觀察高頻丙類功率放大器的負

4、載特性 及研究輸入信號幅度的變化對功率放大器的輸入功率、輸出功率、總效率的影響并且研究直流電源電壓對高頻丙類功率放大器工作狀態(tài)的影響。52丙類功率放大器原理2.1諧振功率放大器2.1.1諧振功率放大器的基本電路icUbbUcc圖1基本電路晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作 用。2.1.2線路特點1諧振回路LC是晶體管的負載2電路工作在丙類工作狀態(tài)；基極負偏壓（或零偏壓）2.1.3關(guān)系式1外部電路關(guān)系式：Ube - -Ubb Ubm cos tUce =Ucc -Ucm COS t2晶體管的內(nèi)部特性：ic gc(ube -U BB)3 （半）導(dǎo)通角根據(jù)晶體管的

5、轉(zhuǎn)移特性曲線可得:U bm cOS "UBBU 'bbBB故得： =arc cosU BB I，U 'bbUbm即集電極電流的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的2.2 諧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輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率P0,使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β?P1輸出去，另一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率Pc。根據(jù)能量守衡定理：直流功率：Po=|c0o CPo = P + PCU CC輸出交流功率:UCRl回路兩端的基頻電壓回路的負載阻抗U； 1I2R2RL =2IciRlIC1-

6、基頻電流2.2.2 放大器的集電極效率P.UccIcO集電極電壓利用系數(shù)二 UcU CCIciRLU CC波形系數(shù)，為通角1的函數(shù)；8越小丫越大clC01:oC)2.3 功率放大器的負載特性負載特性：只在其他條件不變（Ucc、Ubb、Ub為一定），只變化放大器的負載電阻RL而引起的放大器的電流、輸出電壓、功率、效率的變化特性。圖2負載特性2.3.1 欠壓狀態(tài)UC隨負載電阻Rl的增大而增大,在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓 而電流IC0 , IC1基本不變，根據(jù)Po =Ic0 UccPc =P0 - P二旦P01P = -Uc Ic12則電源功率P0不變、輸出功率P1將增加，管耗將減少

7、，效率將增加。2.3.2 臨界狀態(tài)負載線和Ub正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態(tài)時，輸出功率大， 管子損耗小，放大器的效率也就較大。2.3.3 過壓狀態(tài)放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載 Rl的加大，IC1要下降，因此放大器的輸 出功率和效率也要減小。2.4 丙類諧振功率放大器的偏置電路基極饋電電路分用饋和并饋兩種。1基極偏置常采用自給偏置電路；-用饋2由負電源分壓供給基極偏置電壓；-用饋3零偏壓；-并饋串饋串饋并饋圖3基極偏置電路3丙類功率放大器電路設(shè)計題目：設(shè)計一高頻功率放大器。主要技術(shù)指標：VCC =12V,輸出功率Pi>100mW,工作中心頻率f0=6.5MHz, 效

8、率4>50%,負載Rl =51 Qo3.1 確定放大器的工作狀態(tài)為獲得較高的效率”及最大輸出功率Pi,放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)。3.2 丙類功率放大器的偏置電路：fKo2SC4029R1 _L .10 Ohm r 0 01 uF圖4偏置電路此電路利用基極電流的直流分量在R上的降壓得到偏置電壓，另加高頻旁路電容它的優(yōu)點是偏置電壓隨輸入信號電壓大小起自動調(diào)節(jié)作用。3.3 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振電路，輸出電路為負載與電容部分連接的抽頭并聯(lián)振蕩 回路如圖圖5抽頭電路3.4 各參量的確定取6=70口，Pi=400mV,隔直電容均為0.01uF,高頻扼流圈電感值均為47uF(Vcc -

9、 UcES)2詐=162.452Pi2pi = RP 1clm 得 1clm =70.2mV1cm = 1clm/ e (70口)=160.95mAIc0= 1cm e(70口)=40.7mA得電源供給的直流功率P0為得放大器的轉(zhuǎn)換效率”為p= JEL = Ci 其中 c二 Rp Ci C2R RLrP0 = Vcc* Ic0 =488.65mW4=Pi /P0 =81.86%C1c2Ci C2 =0.79得CiC1=150pF,彳3 C2=118pF取 Re =10Q因為 cos 日= (Ubz -Vbb)/ Ubm又已知Ubz =0.6V所以得Ubm =3V;八1ui I1R1 _L r1

10、0 Uhm0 JIa4I1t|iQ2SC4029ir0.01 uF0.01 uFF li 丁/葉fjO uH *uin_L C2R2i ie pFH si onm4 4圖6電路連接圖圖7 EWB主窗口94丙類功率放大器電路的仿真與分析4.1 EWB軟件簡介加拿大 Interactive Image Technologies公司推出的 EWB(Electronics Workbench)是一 個非常優(yōu)秀的專門用于電子電路設(shè)計與仿真的軟件，與其他電路仿真軟件(Protel99)相比，具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點。他改變了一般電路仿真軟件輸入電路必須采用文 本方式的不便，創(chuàng)建電路選用元器件和測試儀器

11、等均可直接從屏幕上器件庫和儀器庫中 直接選取。電子電路的分析、設(shè)計與仿真工作蘊含于輕點鼠標之間，不僅為電子電路設(shè) 計者帶來了無盡的樂趣，而且大大提高了電子設(shè)計工作的質(zhì)量和效率。菜單欄元件庫欄工具欄暫停F族復(fù)開關(guān)啟動停止開關(guān)EE.tctric.: ci YarkbenchEdj i Ckrcruk I5 Ifi I聞口唇I XI匾I嗎I加小，|外回 砌7| 叵Of-t r< -rzfWbtlEtl ibflbA vunplf ctrmii R b* anm d for1. DC 藁 B poitU2. AClOMHxXxeiyM c«ibt tera b£ ©

12、才cUoii：c©pir end £心* pkrtti, lay Eunuog onfunuloti- FMfb二h,川尊q rsm3卜 ef wdyfi?審叩h* wndoVy iniiat* gumAnaJys&s/ AC fi除qKtncy舟umUqte /3 P財崢*由 iwttp mlh R Ik-I I k tup a A,CoviputMd4 ofcigt 2狀態(tài)招打開的儀器電路工作區(qū)V34電壓源Vec電壓丁 電11£電流源 電£$電壓源 電壓I®電震 電壓遍電壓源 套電簿 電壓源 直流電爵電池接地-If?圖8元件庫和信號

13、欄庫EWB的元件庫不僅提供了數(shù)千種電路元件供選用，而且還提供了各種元器件的理 想值，因此，仿真的結(jié)果就是該電路的理論值，這對于驗證電路原理，開發(fā)、設(shè)計新電 路極為方便。下圖為EWB軟件應(yīng)用實例（低通濾波器電路設(shè)計）圖9 EWB軟件應(yīng)用實例EWB提供了 6種基本分析方法和7種高級分析方法，即直流工作點(DCOperating Point)分析、交流頻率(AC Frequency歷析、瞬態(tài)(Transient歷析、傅里葉(Fourier) 分析、失真(Distortion)分析、噪聲(Noise)分析、傳遞函數(shù)(Transfer Function)分析、零一 極點(Pole-Zero)分析、靈敏度

14、(Sensitivity)分析、溫度掃描(Temperature Sweep價析、參 數(shù)掃描(Parameter Sweeps析、蒙特卡羅(Monte Carlo)分析、最壞情況(Worst Case分析。圖10低通濾波器實例輸出二 Bode Plotter圖11低通濾波器波特圖分析由以上兩圖可見EWB軟件提供的基本分析方法實用，直觀，形象4.2 仿真結(jié)果與分析4.2.1 仿真電路與測試1912 V0.01 uF 0 01 uFL47 UHR110 Ohm圖12電路圖III圖13信號源OscilloscopeXT1 36.8064 2.Channal A96 911 ps2勺586 VTi-T

15、1VSC-W1 VW-'JBI1S2.6442 n( -17.Q764 mVlog孫X position 11JSTirne| 5 WDMY pofitiMi | DflO 0 DC |±J工=一Channel H2|之皿| V pcnrt.on |ciiM 目AC D IMReduceRtVATffrSava圖14輸入波形圖15輸出波形4.2.2 丙類功率放大器的負載特性圖13-1、13-2、13-3描述了負載Rl由大到小的變化過程，即丙類功率放大器由過 壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可 以知道：在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的

16、輸出電壓 Uc隨負載電阻Rl的增大而增 大電源功率P0不變、輸出功率P將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負載較 大時，在過壓區(qū)，隨著負載Rl的 加大，1c1下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。n Oscilloscope圖162丙類功放電路輸出波形（Rl=51Q）4.2.3 輸入信號幅度的變化對功率放大器的影響圖14-1、14-2、14-3描述了輸入信號幅度Ubm由大到小的變化過程，即丙類功率放 大器由過壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓Uc隨輸入信號幅度Ubm的增大而增大，電源功率 P0增

17、加、輸出功率P1將增加，效率將增加。在過壓區(qū)， 電源功率P0基本不變、輸出功率P1基本不變，效率將增加，效率基本不變。圖171丙類功放電路輸出波形（Ubm=5V）圖172丙類功放電路輸出波形(Ubm=3V)圖17-3丙類功放電路輸出波形( Ubm=i.0V)4.2.4直流電壓源電壓對功率放大器的影響圖15-1、15-2、15-3描述了直流電壓源電壓 Vcc由小到大的變化過程，即丙類功率 放大器由過壓經(jīng)臨界再到飽和的過程變化。由觀察輸出波形及直流毫伏表、直流毫安表讀數(shù)變化可以知道：在欠壓到臨界輸出電壓的振幅基本上不隨Vcc變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電壓的振幅將隨 Vcc的減

18、小而下降，故輸出功率也隨 之下降。圖183丙類功放電路輸出波形（Vcc=20V）5 總結(jié)通過本次課程設(shè)計，利用電路仿真軟件EWB 對功放的主要性能指標進行了相關(guān)測試，結(jié)論如下：在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)， 放大器的輸出電壓 UC 隨負載電阻RL 的增大而增大電源功率P0不變、輸出功率P1將增加，管耗將減少，效率將增加。放大器的負載較大時， 在過壓區(qū)，隨著負載Rl的 加大，1c1下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓 山隨輸入信號幅度Ubm的增大而 增大，電源功率P0增加、輸出功率Pl將增加，效率將增加。在過壓區(qū)，電源功率 P0基 本不變、輸出功率P1基本不變，效率將增加，效率基本不變。在欠壓到臨界輸出電壓的振幅基本上不隨VCC 變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電壓的振幅將隨VCC 的減小而下降，故輸出功率也隨