【精品課程設(shè)計(jì)】丙類(lèi)高頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)前言. 21丙類(lèi)功放原理. 31.1 丙類(lèi)諧振功率放大器的功率與效率. 31.1.1 功率關(guān)系. 31.1.2 放大器的集電極效率. 31.1.3 諧振功率放大器臨界狀態(tài)的計(jì)算. 41.2 功率放大器的負(fù)載特性. 41.2.1 uc、ic 隨負(fù)載變化的波形. 41.2.2 功率及效率隨負(fù)載（工作狀態(tài)）變化的波形. 51.3丙類(lèi)諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路. 61.3.1直流饋電電路. 61.3.2 輸出回路和級(jí)間耦合回路. 71.3.3 輸出耦合回路. 82 設(shè)計(jì)電路. 92.1開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的總體思想. 92.2 丙類(lèi)功放原理圖. 92.3設(shè)計(jì)過(guò)程. 93 電路的仿真與分析. 10

2、3.1仿真軟件的介紹. 103.2放大電路的仿真與分析. 123.2.1試驗(yàn)電路參數(shù). 123.2.2計(jì)算諧振回路與耦合回路的參數(shù). 123.2.3主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試. 144 總結(jié). 15參考文獻(xiàn). 16課程設(shè)計(jì)前言高頻諧振放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)中，如在接受設(shè)備中，從天線(xiàn)上感應(yīng)的信號(hào)是非常微弱的，高頻小信號(hào)諧振放大器來(lái)完成；在發(fā)射設(shè)備中，為了有效地使信號(hào)通過(guò)信道傳送到接收端，需要根據(jù)傳送距離等因素來(lái)確定發(fā)射設(shè)備的發(fā)射功率，這就要用高頻諧振功率放大器將信號(hào)放大到所需的發(fā)射功率。高頻功率放大器的主要功用是發(fā)射高頻信號(hào)，并且以高效輸出大功率為目的。發(fā)射機(jī)中的振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)功率很小

3、，需要經(jīng)多級(jí)高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線(xiàn)輻射出去。已知能量（功率）是不能放大的，高頻信號(hào)的功率放大，其實(shí)質(zhì)是在輸入高頻信號(hào)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)生符合要求的的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。低頻功率放大器可以工作在A（甲）類(lèi)狀態(tài)，也可以工作在B（乙）類(lèi)狀態(tài)，或AB（甲乙）類(lèi)狀態(tài)。B類(lèi)狀態(tài)要比A類(lèi)狀態(tài)效率高（A類(lèi)最大效率50%；B類(lèi)最大效率為78.5%）。為了提高效率，高頻功率放大器多工作在C類(lèi)狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高高頻功率放大器的效率，近年來(lái)又出現(xiàn)了D類(lèi)、E類(lèi)和S類(lèi)等開(kāi)關(guān)型高頻功率放大器；還有利用特殊電路技術(shù)來(lái)提高放大器效率的F

4、類(lèi)、G類(lèi)和H類(lèi)高頻功率放大器。本次課程設(shè)計(jì)主要是針對(duì)一些已知數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)丙類(lèi)高頻功率放大器。課程設(shè)計(jì)1丙類(lèi)功放原理利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱(chēng)為諧振功率放大器。如圖1所示。它是無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)中的重要組成部件。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍可以分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi)等不同類(lèi)型的功率放大器。電流導(dǎo)通角愈小放大器的效率愈高。如甲類(lèi)功放的=180o，效率最高也只能達(dá)50%，而丙類(lèi)功放的<90o,效率可達(dá)到80%。甲類(lèi)功率放大器適合作為中間級(jí)或輸出功率較小的末級(jí)功率放大器。丙類(lèi)功率放大器通常作為末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本實(shí)驗(yàn)所使用的電路為丙類(lèi)諧振功率放大器，實(shí)驗(yàn)所研究的是丙類(lèi)功

5、率放大器的工作原理及基本特性，具體原理圖如圖1所示：ubBBi CC圖1 諧振高頻功率放大器原理圖1.1 丙類(lèi)諧振功率放大器的功率與效率1.1.1 功率關(guān)系：功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來(lái)控制集電極的直流電源所供給的直流功率PO，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率P1輸出去,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：Po=P1+PC直流功率： Po=Ic0×UCC輸出交流功率：P1=UC 12Uc×Ic1=Uc22RL=12Ic1RL 2-回路兩端的基頻電壓 Ic1 - 基頻電流 RL -回路的負(fù)載阻抗。1.1.2 放大器的集電

6、極效率1h=1=x×gPoUCCIc02P1Uc×Ic1課程設(shè)計(jì)其中集電極電壓利用系數(shù)：x=波形系數(shù)：g=Ic1Ic0=UcUCC=Ic1RLUCCa1(q)a0(q)為通角 q 的函數(shù)；q 越小越大。1.1.3 諧振功率放大器臨界狀態(tài)的計(jì)算臨界狀態(tài)下，若已知電源電壓Ucc，UBB三極管的參數(shù)gC，U'BB，設(shè)電壓利用系數(shù)為 x，集電極的導(dǎo)通角為q。求諧振功率放大器的其余參數(shù)，如功率和效率等。1)首先要求得集電極電流脈沖的兩個(gè)主要參量icmax和q 導(dǎo)通角q：q=arccosBB+U'BBUb功率放大器的設(shè)計(jì)原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實(shí)際運(yùn)用中，

7、為兼顧高效率的輸出功率和高效率，通常 q=60o:80o。 集電極電流脈沖幅值icmax：icmax=gcUb(1-cosq)a1(q)、 g(q)，2）由q 值，查表求得電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù) a0(q)、并求得各個(gè)分量的實(shí)際值IC0、 IC1。IC0=iCmaxa0(q)Ic1=iCmaxa1(q) 1Uc23)根據(jù)：P1=2RL=1(xUCC)2RL22可求得最佳負(fù)載電阻：RLCR=(xUCC)2P11.2 功率放大器的負(fù)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(fù)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。1.2.1 uc、ic 隨

8、負(fù)載變化的波形當(dāng)負(fù)載電阻RL由小至大變化時(shí)，1.負(fù)載線(xiàn)的斜率由小變大，如圖中1®2®3。 2. 放大器的工作狀態(tài)由欠壓®過(guò)壓®臨界；3. 輸出電壓uc逐漸增大。4.輸出電流ic的波形由尖頂脈沖®凹頂脈沖 具體變化過(guò)程如圖2所示：課程設(shè)計(jì)圖2 高頻動(dòng)特性1.2.2 功率及效率隨負(fù)載（工作狀態(tài)）變化的波形： 欠壓狀態(tài) 在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn) 的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓Uc隨負(fù)載電阻RL的增大而增大，而電流icmax、IC1、 IC0其基本不變，根據(jù)P1=12Uc×Ic1 Po=Ic0×UCCPc=P0-P1 h=P1Po則電源功率PO

9、不變、輸出功率P1將增加，管耗將減少，如圖3所示： 臨界狀態(tài) 負(fù)載線(xiàn)和Ub正好相交于臨界線(xiàn)的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界狀L欠壓過(guò)壓L圖3 負(fù)載特性態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。 過(guò)壓狀態(tài) 放大器的負(fù)載較大，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)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課程設(shè)計(jì)1.3丙類(lèi)諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路1.3.1直流饋電電路1. 集電極饋電電路根據(jù)直流電源連接方式不同，集電極電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種，如圖4所示：C(a) 串饋 LL (b) 并饋 圖4 集電極饋電形式(1) 串饋電路 指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首

10、尾相接的一種直流饋電電路。C、LC為低通濾波電路，A點(diǎn)為高頻地電位，既阻止電1源VCC中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號(hào)流入直流電源。(2) 并饋電路 指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖LC為高頻扼流圈，C為高頻旁路電容，避免高頻信號(hào)流1入直流電源，C2為高頻輸出耦合電容，2. 基極饋電電路基極饋電電路也分串饋和并饋兩種，如圖5所示：1）基極偏置常采用自給偏置電路；-串饋2）由負(fù)電源-U分壓供給基極偏置電壓；-串饋3）零偏壓；-串饋圖5 基極饋電形式課程設(shè)計(jì)1.3.2 輸出回路和級(jí)間耦合回路1. 級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò)對(duì)于中間級(jí)而言，最主要的是應(yīng)該

11、保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級(jí)功放穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，而效率則降為次要問(wèn)題。多級(jí)功放中間級(jí)的一個(gè)很大問(wèn)題是后級(jí)放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵(lì)電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個(gè)變化反映到前級(jí)回路，會(huì)使前級(jí)放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。此時(shí)，若前級(jí)原來(lái)工作在欠壓狀態(tài)，則由于負(fù)載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。2. 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)常常是指設(shè)備中末級(jí)功放與天線(xiàn)或其他負(fù)載間的網(wǎng)絡(luò)。這種匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、p型、T型網(wǎng)絡(luò)及耦合回路。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能與要求是匹配、濾波、和高效率。需要匹配的原因：當(dāng)調(diào)諧功率放大器工作于最佳負(fù)載值時(shí)的功放的效率較高，輸出功率較大。在實(shí)際電路中，放大器所要求的

12、最佳電阻需要通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和終端負(fù)載（如天線(xiàn)等）相匹配。匹配的原理：通過(guò)改變匹配回路的可調(diào)元件，將負(fù)載阻抗RL轉(zhuǎn)換成放大管所要求的最佳負(fù)載阻抗RLCR，使管子送出的功率P1能盡可能多的饋至負(fù)載，如圖6所示：7 圖6 負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)L型匹配網(wǎng)絡(luò)具有電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很低（通常Q<10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實(shí)際的發(fā)射機(jī)中常常用T型或型網(wǎng)絡(luò)作匹配之用。RLCR=11+Q2RL2C'=QQ221+Q2C LQ=w×C×RL Q=RLCR=（1+Q）RLL'=w×LRL1+Q21.3.3 輸出耦合回路

13、電路中RACA分別代表天線(xiàn)的輻射電阻與等效電容；Ln、Cn為天線(xiàn)回路的調(diào)諧元件，它們的作用是使天線(xiàn)回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以獲得最大的天線(xiàn)回路電流iA，如圖7圖7課程設(shè)計(jì)2 設(shè)計(jì)電路2.1開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的總體思想本電路主要應(yīng)用功率放大器的基極和集電極的饋電原理，綜合考慮高頻信號(hào)的功率和效率，故設(shè)計(jì)成丙類(lèi)放大器。其中，基極采用固定偏壓，集電極采用串聯(lián)饋電形式。2.2 丙類(lèi)功放原理圖具體原理電路如圖8所示：圖8 丙類(lèi)功放原理圖2.3設(shè)計(jì)過(guò)程根據(jù)本次試驗(yàn)要求，首先確定放大器的工作狀態(tài)：先設(shè)定集電極輸出功率Po,并根據(jù)信號(hào)源及基極負(fù)偏壓、截止電壓確定導(dǎo)通角，計(jì)算輸出效率。然后通過(guò)負(fù)載和最佳阻抗之間的關(guān)系，得

14、出電路中選頻網(wǎng)絡(luò)的元件取值，進(jìn)一步勾畫(huà)出電路圖。課程設(shè)計(jì)3 電路的仿真與分析3.1仿真軟件的介紹電子工作平臺(tái)Electronics Workbench (EWB)(現(xiàn)稱(chēng)為MultiSim) 軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺(tái)軟件，它具有這樣一些特點(diǎn)：電子工作平臺(tái)Electronics Workbench (EWB)(現(xiàn)稱(chēng)為MultiSim) 軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺(tái)軟件，它具有這樣一些特

15、點(diǎn)：（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上選??；（2）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。（3）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫(kù)，提供多種電路分析方法。（4）作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。（5）EWB還是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。EWB的優(yōu)點(diǎn)：1、各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會(huì)象實(shí)際操作那樣多次地把元件焊下而損壞器

16、件和印刷電路板。使電路調(diào)試變得快捷方便。對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中的絕大部分電路都能應(yīng)用，不僅能用于對(duì)單個(gè)電路特性和原理進(jìn)行驗(yàn)證，也能就用于多級(jí)的組合電路。2、元件庫(kù)不但提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件,是一個(gè)全開(kāi)放性的仿真實(shí)驗(yàn)和課件制作平臺(tái),給我們提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室?？梢栽谌我饨M合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，搭建實(shí)驗(yàn)。通過(guò)元件復(fù)制或單級(jí)電路的復(fù)制來(lái)完成整個(gè)電路的組裝。因此也適用于較大型的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。3、EWB（電子學(xué)工作平臺(tái)）為我們提供了一個(gè)很好的實(shí)用工具，使我們能夠在教學(xué)過(guò)程中隨時(shí)提供實(shí)驗(yàn)、演示和電路分析。教師可以在多媒體教室中深入淺出地分析各種電路的特性，講解各種參數(shù)

17、改變對(duì)電路的影響。學(xué)生可結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容，進(jìn)行接近于實(shí)際電路的調(diào)試分析，有利于對(duì)加深對(duì)理論理解。特別是一些大中專(zhuān)院校和廣播電視大學(xué)，通過(guò)這樣的計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，把電子技術(shù)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合了起來(lái)。下列圖像為軟件界面和相關(guān)介紹：課程設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器以及示波器界面介紹如圖9所示：圖9.1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器圖9.2界面及按鍵介紹課程設(shè)計(jì)3.2放大電路的仿真與分析3.2.1試驗(yàn)電路參數(shù)已知條件：Vcc=+10V，晶體管為BC237，管子的飽和壓降Uces0.6V，30，fT150MHZ，Ap6dB。主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率Po100mW，工作頻率6.5MHZ，效率50%，負(fù)載RL=51。

18、確定放大器的工作狀態(tài):為了獲得較高的效率和最大的輸出功率Po，選丙類(lèi)放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，=65o，假設(shè)Po=120mW.3.2.2計(jì)算諧振回路與耦合回路的參數(shù)根據(jù)負(fù)載電阻和最佳負(fù)載可以得出抽頭系數(shù)P=0.368，同時(shí)根據(jù)工作頻率等于6.5MHZ,可以得出L=1uh，C1=0.1uf，C2=0.15uf。具體實(shí)驗(yàn)電路如圖10所示：具體計(jì)算過(guò)程如下：求最佳負(fù)載的公式：RP=(VCC-Uces)2P02圖10試驗(yàn)電路原理圖 得最佳負(fù)載為：Rp= 376。課程設(shè)計(jì)基波電流振幅為： Ic1=集電極電流脈沖的最大值：解得：Ic1=25.3mA ICM=IC1M1(qc)解得：IcM=61.1mA直

19、流分量：Ic0=ICM*0(qc)解得：Ic0=14.42mA直流輸出功率：P= = VCC*Ic0其中：VCC=10V解得：P= =144.2mw功率放大的總效率：=83%2.諧振回路及抽頭回路的電容比：由抽頭電路知：總電容：則由：C=(C1*C2)(C1+C2)2W0=1L*CW0=2*f0抽頭系數(shù)： P=C1C根據(jù)負(fù)載電阻和最佳負(fù)載可以得出抽頭系數(shù)P=0.368 若?。篖3=1H1C=2（2*）*L30則求的： C1=0.1FC2=0.15F3.偏置電路已知Ubz=0.6V，則Ubm=4V取Re=10，則Vbb=-1V。 則：Ubm通過(guò)確定參數(shù)后可得出電路輸出，13 cosqC=(Ubz

20、-Ubb)課程設(shè)計(jì)示波器得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示：3.2.3主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試1 輸出功率高頻功放的輸出功率是指在放大器負(fù)載RL=51W上得到的最大不失真功率。對(duì)于圖 4所示電路，集電極的輸出功率為高頻功率放大器的輸出功率，即=Ic0×UCC放大器的輸入功率為：P o圖11 試驗(yàn)結(jié)果圖P1=12Uc×Ic1=Uc22RL=12Ic1RL2Ic0為電流計(jì)M1測(cè)得的電流。P0P1=ULRLIC0*VCC22 效率=課程設(shè)計(jì)4 總結(jié)在這次高頻電子線(xiàn)路的課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)中，充分的應(yīng)用了所學(xué)的知識(shí)。通過(guò)去圖書(shū)館查閱相關(guān)資料和上網(wǎng)搜索相關(guān)知識(shí)，我們頗有收獲，粗略設(shè)計(jì)出該電路。 總體來(lái)說(shuō)還

21、是比較成功。運(yùn)用了所學(xué)的高頻功率放大器的原理與特性分析。優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明扼要，電路參數(shù)的可調(diào)范圍寬泛。電路權(quán)衡效率和功率，使其達(dá)到比較良好的效果。缺點(diǎn)：輸出波形仍有一定的誤差，但不影響電路的整體性能在這次課程設(shè)計(jì)的是實(shí)習(xí)中，充分的應(yīng)用了所學(xué)的知識(shí)。通過(guò)去圖書(shū)館查閱相關(guān)資料和上網(wǎng)搜索相關(guān)知識(shí)，我們頗有收獲，粗略設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)?？傮w來(lái)說(shuō)還是比較成功。運(yùn)用了所學(xué)的設(shè)計(jì)方法等實(shí)現(xiàn)功能。當(dāng)然，由于學(xué)的不夠扎實(shí)，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到很多困難。尤其是在調(diào)節(jié)輸出以及確定參量的過(guò)程中，耗費(fèi)了很多的時(shí)間與精力。同時(shí)，在各功能的設(shè)計(jì)過(guò)程中好多問(wèn)題的考慮還不夠全面。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我感受到了電腦實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的”偉大”，享受到了其中的樂(lè)趣。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我感受到了什么是“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，覺(jué)知此事要躬行”，平時(shí)不下一番苦功夫是學(xué)不好的。我們必須要養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的態(tài)度，這樣才能做起程序來(lái)得心應(yīng)手。才能在以后的實(shí)踐中，提升自己。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到了很多的問(wèn)題，這些問(wèn)題暴露了我平時(shí)學(xué)習(xí)的不足，因此我需要在今后的學(xué)習(xí)中更加努力地去學(xué)習(xí)有關(guān)高頻的知識(shí)，使自己能