丙類高頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、 高頻電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 丙類功率放大器 院 系： 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 報(bào)告成績： 2013年12月20日目 錄 一、設(shè)計(jì)目的 1 二、設(shè)計(jì)思路 1 三、設(shè)計(jì)過程 23.1、系統(tǒng)方案論證3.1.1 丙類諧振功率放大器電路3.2、模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1丙類諧振功率放大器輸入端采用自給偏置電路3.2.2丙類諧振功率放大器輸出端采用直流饋電電路3.2.3匹配網(wǎng)絡(luò)3.2.4 VBB 、Vcm、Vbm、VCC對(duì)丙類諧振功率放大器性能影響分析四、整體電路與系統(tǒng)調(diào)試及仿真結(jié)果114.1 電路設(shè)計(jì)與分析4.2.仿真與模

2、擬4.2.1 Multisim 簡介4.2.2 基于Multisim電路仿真用例五、主要元器件與設(shè)備145.1 晶體管的選擇5.1.2 判別三極管類型和三個(gè)電極的方法5.2電容的選擇六、課程設(shè)計(jì)體會(huì)與建議176.1、設(shè)計(jì)體會(huì)6.2、設(shè)計(jì)建議7、 結(jié)論18八、參考文獻(xiàn)19一、設(shè)計(jì)目的電子技術(shù)迅猛發(fā)展。由分立元件發(fā)展到集成電路，中小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路?；痉糯笃魇墙M成各種復(fù)雜放大電路的基本單元。弱電控制強(qiáng)電在許多電子設(shè)備中需要用到。放大器在當(dāng)今和未來社會(huì)中的作用日益增加。高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無線傳輸過程中的衰耗，要求發(fā)射

3、機(jī)具有較大的輸出功率，而且，通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。所以，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無線電發(fā)射設(shè)備的重要組成部分。丙類諧振功率放大器在人類生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而且能高效率的將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出，研究它具有很高的社會(huì)價(jià)值。設(shè)計(jì)簡單丙類諧振功率放大器電路并進(jìn)行仿真，以及對(duì)丙類諧振功率放大器發(fā)展的展望。二、設(shè)計(jì)思路丙類諧振功率放大器工作原理圖2-2-1為丙類諧振功率放大器原理圖,為實(shí)現(xiàn)丙類工作,基極偏置電壓VBB應(yīng)設(shè)置在功率的截止區(qū)。輸入回路由于功率管處于截止?fàn)顟B(tài)，基極偏置電壓VBB作為結(jié)外電場，無法克服結(jié)內(nèi)電場，沒有達(dá)到晶體

4、管門坎電壓，從而，導(dǎo)致輸入電流脈沖嚴(yán)重失真，脈沖寬度小于90o。由iCiB知，iC也嚴(yán)重失真，且脈寬小于90o。輸出回路若忽略晶體管的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)以及結(jié)電容影響,在靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線(iCVBE)上畫出的集電極電流波形是一串周期重復(fù)的脈沖序列,脈沖寬度小于半個(gè)周期。 圖2-2-1 丙類諧振功率放大器原理圖由Dirichlet收斂定理可知,可將電流脈沖序列iC分解成平均分量、基波分量和各次諧波分量之和,即 iC =ICO + Ic1mcosSt+ Ic2m cos2St+由于集電極諧振回路調(diào)制在輸入信號(hào)頻率上因而它對(duì)iC中的基波分量呈現(xiàn)的阻抗很大，且為純電阻。而對(duì)其他諧波分量和平均分量阻抗均很

5、小，可以忽略，這樣，在負(fù)載上得到了所需的不失真的信號(hào)功率。三、設(shè)計(jì)過程3.1系統(tǒng)方案論證3.1.1 丙類諧振功率放大器電路在放大器原理上，功率放大器與其他放大器一樣，都是能量轉(zhuǎn)換器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允許范圍內(nèi)）地輸出所需信號(hào)功率，為高效率輸出信號(hào)且不失真（或失真在允許的范圍內(nèi)），通常采用丙類諧振功率放大器。本章主要介紹丙類諧振功率放大器的電路組成和工作原理并對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行分析。 在丙類諧振功率放大器中，管外電路由直流饋電電路和自給偏自電路兩部分組成。如圖3-1-1所示為集電極直流饋電電路（串饋），圖中，LC為高頻扼流圈,它與CC構(gòu)成電源濾波電路,需要在信號(hào)頻率上，LC的感抗

6、很大，接近于開路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信號(hào)通過直流電源而發(fā)生極間反饋，造成工作不穩(wěn)定。由于自給偏置效應(yīng)可以使輸入信號(hào)振幅變化時(shí)起到自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓振幅,因此,在基極通常采用自給偏置電路,如圖3-1-2所示，提高的偏置電壓是由基極電流脈沖iB中的平均分量IBO在高頻扼流圈LB中固有直流電阻上產(chǎn)生的壓降，電路中LB為功率管基極電路提供直流通路。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)介于晶體管和外接負(fù)載之間,充分濾除不需要的高次諧波,以保證負(fù)載上的輸出基波功率。圖3-1-1集電極直流饋電電路（串饋）圖3-1-2 自給偏置電路圖3-1-3為丙類諧振功率放大器的簡單基本電路,輸入端采用自給偏置電路,輸出端為集電極

7、直流饋電電路(串饋)。圖3-1-3 丙類諧振功率放大器的簡單基本電路3.2模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1丙類諧振功率放大器輸入端采用自給偏置電路我們知道,丙類諧振功率放大器輸入端通常采用自給偏置電路提供偏置電壓，采用這種方式可以在輸入信號(hào)振幅變化時(shí)起到自動(dòng)穩(wěn)定輸出的作用。但要注意,存在自給偏置電路的丙類諧振功率放大器只能適宜等幅信號(hào)(載波、調(diào)頻信號(hào))而不適宜放大調(diào)幅信號(hào)，否則調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)將會(huì)失真。常用的基極偏置電路見圖3-2-1(輸出回路均以略去)所示。圖3-2-1 基極偏置電路現(xiàn)分析基極偏置電壓是怎樣產(chǎn)生的,如圖3-2-1（b）所示，當(dāng)電源V1電壓處在正半周期且電壓振幅大于PN結(jié)門坎電壓時(shí)，基極導(dǎo)通

8、，此時(shí)，記流經(jīng)C2的電流為i1 ，一個(gè)周期內(nèi)的其他時(shí)間處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，記流經(jīng)C1的電流為i2 。顯而易見，基極導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)C2的電流i1大于截止時(shí)的電流i2，即 i1i2 。C2兩端的電壓關(guān)系為 U i1U i2.由于基極相對(duì)于地的電壓波形為正半周期幅度小于負(fù)半周期幅度,由傅里葉級(jí)數(shù)可知，它的平均分量為負(fù)，使功率管發(fā)射結(jié)正偏，處于截止?fàn)顟B(tài)。 3.2.2丙類諧振功率放大器輸出端采用直流饋電電路集電極直流饋電電路有兩種連接方式:串饋和并饋。所謂串饋是指,將直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和放大管串接起來的一種方式。如圖3-2-2(a)所示,圖中LC為高頻扼流圈,CC為電源濾波器,ZL為電抗。要求LC對(duì)信號(hào)頻率

9、的感抗很大,接近開路, CC的容抗很小,接近短路,是為了避免信號(hào)電流通過直流電源造成工作不穩(wěn)定。 圖3-2-2(a) 串饋電路、 圖3-2-2（b）并饋電路并饋電路是把直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和放大器并接起來的一種饋電方式，如圖2-4-2（b）所示，圖中LC為高頻扼流圈，CC1為隔值電容，CC2為電源濾波電容，要求LC對(duì)信號(hào)頻率的感抗很大，接近開路， CC1和CC2的電容很小,接近短路。3.2.3匹配網(wǎng)絡(luò) 匹配網(wǎng)絡(luò)介于晶體管和負(fù)載之間，在丙類諧振功率放大器電路中的作用非常重要，具有阻抗轉(zhuǎn)換、濾除高次諧波和高頻率傳送能量的作用。3.2.4 VBB 、Vcm、Vbm、VCC對(duì)丙類諧振功率放大器性能影響分

10、析 1 負(fù)載特性 所謂諧振功率放大器的負(fù)載特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能隨Re變化的特性。利用準(zhǔn)靜態(tài)分析法對(duì)負(fù)載特性進(jìn)行分析，畫出電路的特性曲線，如圖3-2-3所示。由圖3-2-3看以看出,當(dāng)A沿UBE0曲線由右向左移動(dòng)(即A AA，方向移動(dòng))時(shí)，電路狀態(tài)將發(fā)生變化，曲線較陡，近似直線斜率絕對(duì)值較大，從而，Re較小；曲線較緩，近似直線斜率絕對(duì)值較小，因此，Re較大.所以,在A AA，移動(dòng)的過程中Re由小增大，放大器將由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)，相應(yīng)的iC 由余弦變化脈沖變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波，用傅里葉級(jí)數(shù)將電流脈沖iC分解，即iC =ICO + Ic1mcosSt+ Ic2m cos

11、2St+，可畫出ICO和Ic1m隨Re變化特性,如圖3-2-4所示。由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC= PD- Po ,C= Po /(PD + Po)，可畫出Vcm、Po、PD、PC、C隨Re變化曲線,如圖3-2-5所示。圖3-2-3 諧振功率放大器電路特性曲線圖3-2-4 ICO和Ic1m隨Re變化特性圖3-2-5 Vcm、Po、PD、PC、C隨Re變化曲線 2 調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指VBB 、Vbm 和Re一定，放大器性能隨VCC變化的特性，當(dāng)VCC由大減小時(shí)，放大器性能由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)，iC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的

12、脈沖波，如圖3-2-6所示?；鶚O調(diào)制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能隨VBB變化的特性。當(dāng)Vbm一定, VBB自負(fù)值向正值方向增大時(shí),集電極電流脈沖不僅寬度增大,而且高度增加，放大器由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)，如圖3-2-7所示。圖3-2-6 放大器性能隨VCC變化的特性圖3-2-7 放大器性能隨VBB變化的特性 放大器隨Vbm 變化特性曲線，與放大器性能隨VBB變化的特性曲線類似，如圖3-2-8所示 。圖3-2-8 放大器性能隨Vbm變化的特性 諧振功率放大器過壓狀態(tài)下集電極電流凹陷分析。當(dāng)諧振功率放大器處于過壓狀態(tài)時(shí)，晶體管集電極的周期性脈沖電流的頂部會(huì)凹陷，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)內(nèi)，各

13、物理量之間有著復(fù)雜的非線性關(guān)系，在此用微變量之間的線性關(guān)系進(jìn)行分析。 根據(jù)晶體管特性,管子的集電極電流的微變量可表示為iC=h1iB+h2VCE 在放大區(qū)內(nèi)，iC主要由iB控制，此時(shí)，h1h2，在飽和區(qū)內(nèi)iC主要由反向飽和電流iCEO決定，而iCEO大小取決于UCE電壓，因此，此時(shí)h2h1 。設(shè)輸入信號(hào)為正弦波uBE=VBB+VbmsinSt兩邊取微變量，有 uBE=VbmsinSt兩邊同除晶體管動(dòng)態(tài)輸入電阻rbe,有iB=1rbeVbmsinSt 輸出電壓為 uCE= VCC- Vcm sinSt兩邊取微變量，有 uCE =-VcmsinSt 將 帶入，得 iC=（h1Vbm/rbe-h2V

14、cm）sinSt 因此，式中,在放大區(qū)內(nèi), h1h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm0, iC與iB同號(hào)。在飽和區(qū)內(nèi), iC與iB反號(hào)。由此可知，集電極電流波形會(huì)存在頂部凹陷。四、整體電路與系統(tǒng)調(diào)試及仿真結(jié)果4.1 電路設(shè)計(jì)與分析發(fā)光二極管顏色與電壓：黃色通常為1.8V2.0V,紅色通常為2V2.2V，綠色通常為3.0V3.2V ,正常發(fā)光時(shí)額定電流為20mA。如圖4-2-1所示,為所設(shè)計(jì)丙類諧振功率放大器電路。輸入端采用自給偏置電路提供偏置電壓，它提供的偏置電壓是基極電流脈沖iB中的平均分量IBO在電阻R B上產(chǎn)生的壓降，LB是用來避免RB ，CB對(duì)輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的旁路影響。C1 ，C2，

15、 C3和L1構(gòu)成T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。輸出端，RD1和D1構(gòu)成構(gòu)成丙類諧振功率放大器限制功率保護(hù)電路，隨著結(jié)溫的升高，功率管基極放射極電壓VCE超過齊納二極管D1的擊穿電壓時(shí)（耗散功率限制保護(hù)電路中，齊納二極管的反向擊穿電壓應(yīng)小于晶體管的集電極耐壓額定值），齊納二極管D1擊穿，從而限制了晶體管的耗散功率，防止了晶體管發(fā)生二次擊穿而導(dǎo)致晶體管損壞。D2和RD2是為了防止無意中接入大于晶體管擊穿電壓的電壓造成電路損壞而接入的保護(hù)電路（齊納二極管的反向擊穿電壓應(yīng)小于晶體管的集電極耐壓額定值），當(dāng)接入VCC電壓大于齊納二極管反向擊穿電壓時(shí)，齊納二極管D2導(dǎo)通，放光二極管亮提醒工作人員，整個(gè)電路停止工作。直

16、流電源VCC,功率管T和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)在電路形式上并接成并饋饋電方式，可調(diào)整可變電容器C3和C4使其調(diào)整在輸入信號(hào)頻率上，時(shí)期輸出不失真的信號(hào)功率，也可同時(shí)與輸出電阻構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)提高輸出功率。圖4-1-14.2.仿真與模擬對(duì)圖 4-1-1電路用Multisim進(jìn)行仿真。4.2.1 Multisim 簡介Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提

17、煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。4.2.2 基于Multisim電路仿真用例打開Multisim 12，在電路設(shè)計(jì)窗口調(diào)用所需元件并按圖4-1-1進(jìn)行連線并設(shè)計(jì)參數(shù)。如圖4-2-1所示。打開示波器，接通電源進(jìn)行仿真，仿真波形如圖4-2-2所示，（圖4-2-2仿真波形為反復(fù)調(diào)試參數(shù)后較滿意波形）。圖4-2-1圖4-2-2五、元件與設(shè)備5.1 晶體管

18、的選擇任何電子電路都以電子元件為基礎(chǔ)，常用的元件由電阻器、電容器、電感器、半導(dǎo)體器件（二極管、晶體管、場效應(yīng)管以及集成電路）。半導(dǎo)體二極管和三極管是組成分立元件電子電路的核心元件。二極管具有單向?qū)щ娦?可用于整流檢波、穩(wěn)壓混頻等電路。晶體管具有放大和開關(guān)作用,可用于放大、震蕩、調(diào)制等電路。表5-1-1是半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名方法,可用此表對(duì)應(yīng)型號(hào)選擇半導(dǎo)體器件。表5-1-1 半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名方法電極數(shù)材料與極性類型性能序號(hào)規(guī)格號(hào)符號(hào)含義符號(hào)含義符號(hào)含義含義含義23二極管三極管ABCDABCDEN型鍺材料P型鍺材料N型硅材料P型硅材料PNP型鍺材料NPN型鍺材料PNP型硅材料NPN型硅材料化合

19、物材料PVWCZSNUKXGDA普通管微波管穩(wěn)壓二極管參量管整流管隧道管阻尼管光電管開關(guān)管低頻小功率管高頻小功率管低頻大功率管高頻大功率管反映了管子的直流、交流參數(shù)，極限參數(shù)等性能的差別。反映了管子承受反向擊穿電壓的能力,按A、B、C、D編號(hào)，A的承受能力最低，依次遞增。晶體管分NPN型和PNP型兩大類。通過外殼上所標(biāo)注的規(guī)格和型號(hào),可以區(qū)分出管子的類型、材料、功能大小、頻率高頻等性能。此外,管殼上一般還用色點(diǎn)的顏色來表示管子的電流放大倍數(shù)的大致范圍。如黃色表示=3060，綠色表示=50110，藍(lán)色表示=90160，白色表示=140200。 5.1.2 判別三極管類型和三個(gè)電極的方法要弄清管子

20、類型與三個(gè)電極。將萬用表至于電阻“R×1K”檔，用黑表筆接晶體管的某一腳（假設(shè)其為基極），用紅表筆分別接另兩個(gè)腳。若兩次顯示阻值都很小,則表示該管是NPN管,且黑表筆所接管腳為基極;若兩次顯示的阻值都很大，則表示是PNP管，且黑表筆所接管腳為基極；若兩次顯示阻值一大一小，則表示黑表筆所接管腳不是基極，按上述方法測量，直到找到為止。若三個(gè)管腳測試下來,都不能確定基極。則晶體管可能以損壞。確定管子的類型和基極后,可進(jìn)一步判斷發(fā)射極和集電極。用萬用表置于電阻“R×1K”擋，兩表筆分別接除基極外的兩個(gè)電極。對(duì)于NPN管,用手指捏住基極與黑表筆所接管腳，可測得一阻值。然后將兩表筆對(duì)換

21、,同樣用手指捏住基極與黑表筆所接管腳，又測得一阻值。所得阻值小的那次測量,黑表筆所接管腳所接的是集電極,而紅表筆所接的是發(fā)射極。對(duì)于PNP管,應(yīng)用手指捏住基極與紅表筆所接管腳,所得阻值小的那次測量,紅表筆所接的管腳為集電極,而黑表筆所接的管腳為發(fā)射極。 5.2電容的選擇射頻電容的關(guān)鍵指標(biāo)是高Q和低ESR。在功率放大器匹配電路的應(yīng)用上,射頻功率的消耗與Q值成反比,直接與ESR值成正比。高Q電容是保證功率放大器增益和輸出功率指標(biāo)的關(guān)鍵因素。另外,電容器不是理想的電容，其模型都是由串聯(lián)的電感、電阻和電容組成，如圖5-2-1所示，因此，高Q電容在不同頻率下所呈現(xiàn)的等效電容值也不一樣。 圖5-2-1不理

22、想電容器射頻高Q最大的生產(chǎn)廠家當(dāng)屬ATC（目前已被AVX收購），常用的ATC隔直流電容參數(shù)見表5-2-1所示。表5-2-1 常用ATC隔值流電容參數(shù)封裝電容值（PF）應(yīng)用頻率（MHz）ESR（）Q諧振頻率等效電容串聯(lián)電感值（nH）600S472017.50.11115.22082.8761.130.12600S5119000.10615.41984.9608.940.13600S3623500.12315.32437.3511.850.12600F392017.50.11517.52072.5744.590.15600F4719000.11415.619182514.420.15600F272

23、3500.12320.42414.4513.20.16100B102017.50.16348.42029.3862.160.62100B1119000.15349.81939.8270.630.61100B6.823500.20249.42435.598.590.63 六、課程設(shè)計(jì)體會(huì)與建議6.1.1課程設(shè)計(jì)體會(huì)通過對(duì)丙類功率放大器的課程設(shè)計(jì)，充分掌握了功率放大器的工作原理，與原件的工作特性，掌握了在電路設(shè)計(jì)過程中元件的選擇與參數(shù)的計(jì)算，熟悉了仿真軟件的應(yīng)用與模塊電路在整體電路中的作用。此次課程設(shè)計(jì)為將來實(shí)際工作中要進(jìn)行獨(dú)立解決問題的能力得到了鍛煉，將性能問題轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)計(jì)算問題，再將數(shù)算問題回

24、饋為實(shí)際問題，最終得以解決實(shí)際問題的方法。6.1.2課程設(shè)計(jì)建議 在本次課程設(shè)計(jì)中，暴露了學(xué)生們理論知識(shí)與實(shí)際問題無法相結(jié)合的問題，無法快速的將實(shí)際問題建模，并得以解決，今后應(yīng)加強(qiáng)鍛煉學(xué)生的將實(shí)際問題建立數(shù)學(xué)模型并最后解決實(shí)際問題的能力。七、結(jié)論電子技術(shù)迅猛發(fā)展。由分立元件發(fā)展到集成電路，中小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路?；痉糯笃魇墙M成各種復(fù)雜放大電路的基本單元。弱電控制強(qiáng)電在許多電子設(shè)備中需要用到。放大器在當(dāng)今和未來社會(huì)中的作用日益增加。高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無線傳輸過程中的衰耗，要求發(fā)射機(jī)具有較大的輸出功率，而且，通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。所以，為了獲得足