精品課程設計丙類高頻功率放大器課程設計

1、前言21丙類功放原理31.1 丙類諧振功率放大器的功率與效率31.1.1 功率關系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)的計算41.2 功率放大器的負載特性41.2.1 、 隨負載變化的波形41.2.2 功率及效率隨負載（工作狀態(tài)）變化的波形51.3丙類諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路6直流饋電電路61.3.2 輸出回路和級間耦合回路7 輸出耦合回路82 設計電路92.1開發(fā)與設計的總體思想92.2 丙類功放原理圖92.3設計過程93 電路的仿真與分析103.1仿真軟件的介紹103.2放大電路的仿真與分析12試驗電路參數(shù)12計算諧振回路與耦合回路的參數(shù)12主要技

2、術指標的測試144 總結15參考文獻16前言高頻諧振放大器廣泛應用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)中，如在接受設備中，從天線上感應的信號是非常微弱的，高頻小信號諧振放大器來完成；在發(fā)射設備中，為了有效地使信號通過信道傳送到接收端，需要根據(jù)傳送距離等因素來確定發(fā)射設備的發(fā)射功率，這就要用高頻諧振功率放大器將信號放大到所需的發(fā)射功率。高頻功率放大器的主要功用是發(fā)射高頻信號，并且以高效輸出大功率為目的。發(fā)射機中的振蕩器產(chǎn)生的信號功率很小，需要經(jīng)多級高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。已知能量（功率）是不能放大的，高頻信號的功率放大，其實質是在輸入高頻信號的控制下將電源直流功率轉換成高頻功率，

3、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，還應要求具有盡可能高的轉換效率。低頻功率放大器可以工作在A（甲）類狀態(tài)，也可以工作在B（乙）類狀態(tài)，或AB（甲乙）類狀態(tài)。B類狀態(tài)要比A類狀態(tài)效率高（A類最大效率50%；B類最大效率為78.5%）。為了提高效率，高頻功率放大器多工作在C類狀態(tài)。為了進一步提高高頻功率放大器的效率，近年來又出現(xiàn)了D類、E類和S類等開關型高頻功率放大器；還有利用特殊電路技術來提高放大器效率的F類、G類和H類高頻功率放大器。本次課程設計主要是針對一些已知數(shù)據(jù)設計一個丙類高頻功率放大器。1丙類功放原理利用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。如圖1所示。

4、它是無線電發(fā)射機中的重要組成部件。根據(jù)放大器電流導通角的范圍可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的功率放大器。電流導通角愈小放大器的效率愈高。如甲類功放的=180o，效率最高也只能達50%，而丙類功放的<90o,效率可達到80%。甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本實驗所使用的電路為丙類諧振功率放大器，實驗所研究的是丙類功率放大器的工作原理及基本特性，具體原理圖如圖1所示：圖1 諧振高頻功率放大器原理圖1.1 丙類諧振功率放大器的功率與效率 功率關系：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

5、電極的直流電源所供給的直流功率，使之一部分轉變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?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。根據(jù)能量守衡定理：直流功率：輸出交流功率： -回路兩端的基頻電壓 - 基頻電流 -回路的負載阻抗。 放大器的集電極效率其中集電極電壓利用系數(shù)：波形系數(shù)： 為通角 q 的函數(shù)；q 越小越大。 諧振功率放大器臨界狀態(tài)的計算臨界狀態(tài)下，若已知電源電壓，三極管的參數(shù)，設電壓利用系數(shù)為，集電極的導通角為。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主要參量和導通角q：功率放大器的設計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高效率的

6、輸出功率和高效率，通常。集電極電流脈沖幅值icmax：2）由q 值，查表求得電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)、，并求得各個分量的實際值、 。3)根據(jù)：可求得最佳負載電阻：1.2 功率放大器的負載特性只在其他條件不變（、 為一定），只變化放大器的負載電阻而引起的放大器的電流、輸出電壓、功率、效率的變化特性。 、 隨負載變化的波形當負載電阻由小至大變化時，1.負載線的斜率由小變大，如圖中1®2®3。2. 放大器的工作狀態(tài)由欠壓®過壓®臨界；3. 輸出電壓逐漸增大。4.輸出電流的波形由尖頂脈沖®凹頂脈沖具體變化過程如圖2所示：圖2 高頻動特性 功率及效率

7、隨負載（工作狀態(tài)）變化的波形： 欠壓狀態(tài) 在欠壓區(qū)至臨界點 的范圍內，放大器的輸出電壓Uc隨負載電阻RL的增大而增大，而電流、 其基本不變，根據(jù)則電源功率不變、輸出功率將增加，管耗將減少，如圖3所示： 臨界狀態(tài) 負載線和正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀圖3 負載特性態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。 過壓狀態(tài) 放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載的加大，要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小1.3丙類諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路直流饋電電路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：圖4 集電極饋電形式

8、(1) 串饋電路 指直流電源、負載回路(匹配網(wǎng)絡)、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。、為低通濾波電路，A點為高頻地電位，既阻止電源中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號流入直流電源。(2) 并饋電路 指直流電源、負載回路(匹配網(wǎng)絡)、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖為高頻扼流圈，為高頻旁路電容，避免高頻信號流入直流電源，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 輸出回路和級間耦合回路 1. 級間耦合網(wǎng)絡對于中間級而

9、言，最主要的是應該保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級功放穩(wěn)定的激勵電壓，而效率則降為次要問題。多級功放中間級的一個很大問題是后級放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個變化反映到前級回路，會使前級放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。此時，若前級原來工作在欠壓狀態(tài)，則由于負載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。2. 輸出匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡常常是指設備中末級功放與天線或其他負載間的網(wǎng)絡。這種匹配網(wǎng)絡有L型、p型、T型網(wǎng)絡及耦合回路。輸出匹配網(wǎng)絡的主要功能與要求是匹配、濾波、和高效率。需要匹配的原因：當調諧功率放大器工作于最佳負載值時的功放的效率較高，輸出功率較大。在實際電路

10、中，放大器所要求的最佳電阻需要通過匹配網(wǎng)絡和終端負載（如天線等）相匹配。匹配的原理：通過改變匹配回路的可調元件，將負載阻抗轉換成放大管所要求的最佳負載阻抗，使管子送出的功率能盡可能多的饋至負載，如圖6所示：圖6 負載匹配網(wǎng)絡 L型匹配網(wǎng)絡具有電路簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，不足之處是電路的品質因數(shù)Q值很低（通常Q<10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實際的發(fā)射機中常常用T型或型網(wǎng)絡作匹配之用。 輸出耦合回路電路中分別代表天線的輻射電阻與等效電容；、為天線回路的調諧元件，它們的作用是使天線回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以獲得最大的天線回路電流，如圖7所示：圖7 輸出耦合電路2 設計電路2.1開發(fā)與設計

11、的總體思想本電路主要應用功率放大器的基極和集電極的饋電原理，綜合考慮高頻信號的功率和效率，故設計成丙類放大器。其中，基極采用固定偏壓，集電極采用串聯(lián)饋電形式。2.2 丙類功放原理圖具體原理電路如圖8所示：圖8 丙類功放原理圖2.3設計過程根據(jù)本次試驗要求，首先確定放大器的工作狀態(tài)：先設定集電極輸出功率Po,并根據(jù)信號源及基極負偏壓、截止電壓確定導通角，計算輸出效率。然后通過負載和最佳阻抗之間的關系，得出電路中選頻網(wǎng)絡的元件取值，進一步勾畫出電路圖。3 電路的仿真與分析3.1仿真軟件的介紹電子工作平臺Electronics Workbench (EWB)(現(xiàn)稱為MultiSim) 軟件是加拿大I

12、nteractive 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軟件，它具有這樣一些特點：（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取；（2）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。（3）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。（4）作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。（5）EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿

13、真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。EWB的優(yōu)點：1、各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會象實際操作那樣多次地把元件焊下而損壞器件和印刷電路板。使電路調試變得快捷方便。對模擬電子技術基礎課程中的絕大部分電路都能應用，不僅能用于對單個電路特性和原理進行驗證，也能就用于多級的組合電路。2、元件庫不但提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件,是一個全開放性的仿真實驗和課件制作平臺,給我們提供了一個實驗器具完備的綜合性電子技術實驗室?？梢栽谌我饨M合的實驗環(huán)境中，搭建實驗。通過元件復制或單級電路的復制來完成整個電路的組裝。因此也適用于較大型的設計性實驗。3、EWB（電子學工作平臺）為我們

14、提供了一個很好的實用工具，使我們能夠在教學過程中隨時提供實驗、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)改變對電路的影響。學生可結合學習內容，進行接近于實際電路的調試分析，有利于對加深對理論理解。特別是一些大中專院校和廣播電視大學，通過這樣的計算機模擬仿真實驗，把電子技術的理論教學和實驗教學有機地結合了起來。下列圖像為軟件界面和相關介紹：函數(shù)信號發(fā)生器以及示波器界面介紹如圖9所示：圖9.1函數(shù)信號發(fā)生器和示波器圖9.2界面及按鍵介紹3.2放大電路的仿真與分析試驗電路參數(shù)已知條件：Vcc=+10V，晶體管為BC237，管子的飽和壓降Uces0.6V，30，f

15、T150MHZ，Ap6dB。主要技術指標：輸出功率Po100mW，工作頻率6.5MHZ，效率50%，負載RL=51。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，選丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，=65o，假設Po=120mW. 計算諧振回路與耦合回路的參數(shù)根據(jù)負載電阻和最佳負載可以得出抽頭系數(shù)P=0.368，同時根據(jù)工作頻率等于6.5MHZ,可以得出L=1uh，=0.1uf，=0.15uf。具體實驗電路如圖10所示：圖10試驗電路原理圖具體計算過程如下：求最佳負載的公式：得最佳負載為：Rp= 376?；娏髡穹鶠椋航獾茫?25.3mA集電極電流脈沖的最大值：解得：IcM=6

16、1.1mA直流分量：解得：=14.42mA直流輸出功率：其中：=10V解得：=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：抽頭系數(shù)：根據(jù)負載電阻和最佳負載可以得出抽頭系數(shù)P=0.368若?。?1H則求的： =0.1F=0.15F3.偏置電路已知=0.6V，則=4V取=10，則=-1V。則： 通過確定參數(shù)后可得出電路輸出，示波器得到的試驗結果如圖11所示： 圖11 試驗結果圖3.2.3主要技術指標的測試1 輸出功率高頻功放的輸出功率是指在放大器負載上得到的最大不失真功率。對于圖 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，即放大

17、器的輸入功率為： 為電流計M1測得的電流。2 效率4 總結在這次高頻電子線路的課程設計實習中，充分的應用了所學的知識。通過去圖書館查閱相關資料和上網(wǎng)搜索相關知識，我們頗有收獲，粗略設計出該電路?？傮w來說還是比較成功。運用了所學的高頻功率放大器的原理與特性分析。優(yōu)點：電路結構簡明扼要，電路參數(shù)的可調范圍寬泛。電路權衡效率和功率，使其達到比較良好的效果。缺點：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計的是實習中，充分的應用了所學的知識。通過去圖書館查閱相關資料和上網(wǎng)搜索相關知識，我們頗有收獲，粗略設計出該系統(tǒng)?？傮w來說還是比較成功。運用了所學的設計方法等實現(xiàn)功能。當然，由于學的不

18、夠扎實，在課程設計過程中遇到很多困難。尤其是在調節(jié)輸出以及確定參量的過程中，耗費了很多的時間與精力。同時，在各功能的設計過程中好多問題的考慮還不夠全面。通過這次課程設計，我感受到了電腦實驗設計的”偉大”，享受到了其中的樂趣。通過這次課程設計，使我感受到了什么是“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行”，平時不下一番苦功夫是學不好的。我們必須要養(yǎng)成嚴謹求學的態(tài)度，這樣才能做起程序來得心應手。才能在以后的實踐中，提升自己。在課程設計過程中，我遇到了很多的問題，這些問題暴露了我平時學習的不足，因此我需要在今后的學習中更加努力地去學習有關高頻的知識，使自己能夠很好的掌握此項課程。在這一周的時間里，我總結出善于交流意見，也是學習能力的一種體現(xiàn)，每次完成一個編程任務，我都會和同學們交流一下，找到自己的不足，從而更好的提升自己。也許這就是成長，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是