全國電子設(shè)計(jì)大賽LC諧振放大器

1、LC諧振放大器摘 要高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一為了彌補(bǔ)信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出而且通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大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(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路本次設(shè)計(jì)先是對高頻功率放大器有關(guān)理論知識作了一些簡要的介紹，然后在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出整體電路圖，在軟件中仿真驗(yàn)證是否達(dá)到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后焊接并調(diào)試電路。關(guān)鍵詞：一、方案比較與論證1基本方案根據(jù)要求，需要設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低壓、低功耗的LC諧振放大器；為了便于測試，在放大器的輸入端插入一個(gè)40dB的固定衰減器。電路框圖如下：

2、圖1-1電路基本框圖2各模塊方案的確定2.1衰減器衰減器一般采用電阻元件，有兩種主要電路形式：型和T型。如圖1-2所示： 圖1-2 射頻功率衰減器電路類型當(dāng)衰減的分貝數(shù)較大時(shí)，在T型衰減器中R1將很小，由于受引線和焊點(diǎn)的影響，阻值過小很難保證其精度，從而影響衰減的準(zhǔn)確度。如題中，輸入輸出阻抗為50，衰減為40dB時(shí)，T型衰減器中R49.01，R11.00，而型衰減器中R51.01，R12.5k，所以，當(dāng)要求衰減較大時(shí)用型衰減器較合適，因此，本電路設(shè)計(jì)采用型衰減器。2.2 LC諧振放大器利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器的流通角的

3、范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同功率類型的放大器。電流導(dǎo)通角愈小，放大器的效率愈高。為了達(dá)到題目要求的增益不小于60dB，須采用兩級功率放大器，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。本設(shè)計(jì)有以下兩種方案：方案一：采用甲類功率放大器，但是甲類功放的流通角=180o，效率最高也只能達(dá)到50%。丙類功放的<90o，效率可達(dá)到80%，同時(shí)又達(dá)到題目所要求的增益。綜上所述，我們采用了方案二。二、主要電路設(shè)計(jì)與計(jì)算1衰減器的設(shè)計(jì)1.1電路形式 衰減器一般采用電阻元件，對該設(shè)計(jì)要求的衰減器而言，一般不需要進(jìn)行阻

4、抗變換，即：輸入阻抗和輸出阻抗相等，電路呈對稱形式，所以R2和R3取相同的阻值。電路如圖所示： 圖2-1 衰減器 1.2 電路分析計(jì)算 設(shè)信號源的輸出阻抗和負(fù)載阻抗均為R0，電壓衰減倍數(shù)為AT=Vin/Vout，Vin和Vout分別為衰減器的輸入電壓和輸出電壓，R2=R3=R，如圖2-2所示：圖2-2 型衰減器的計(jì)算 虛線框內(nèi)是為了計(jì)算方便虛加的。這樣已知R0和AT，要確定R1和R的值。根據(jù)阻抗匹配條件，從Vin往右看對地阻抗等于信號源的輸出阻抗R0，即： R（R1+RR0)=R0 得: 即： 根據(jù)電壓衰減倍數(shù)的要求： AT= Vin /Vout 因?yàn)? 即： 則：由以上各式得：即：所以型電路

5、的計(jì)算公式為：根據(jù)題中給出的特性阻抗為50，衰減量為40dB，可以計(jì)算出 AT=100 R51.01 R12499.752 LC諧振放大器的設(shè)計(jì)2.1諧振功放基本電路組成如圖所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作。我們知道，在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB 使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于NPN型管來說，只有在激勵(lì)信號為正值的一段時(shí)間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。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，諧振回路中LC是晶體管

6、的負(fù)載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。當(dāng)晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。ic = gc (ebVBZ)eb = VBB + Vbmcoswtec = VCC Vcmcoswtic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+其中q / °a1/a0=1 g1a0a1a2a3a0 , a1 , a2 , a32.01.01.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.50.40.30.20.10-0.05圖2-5 尖頂脈沖的分解系數(shù)由圖可見，當(dāng)qc120°時(shí)，Icm1/I

7、cmax達(dá)到最大值。在Icmax與負(fù)載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達(dá)到最大值。這樣看來，取qc=120°應(yīng)該是最佳通角了。但此時(shí)放大器處于甲級工作狀態(tài)效率太低。為了兼顧效率和功率，常常取導(dǎo)通角70度左右。在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方臨界線之左的飽和區(qū)高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵(lì)電壓Vb、供電電壓VCC、VBB等4個(gè)參量決定的。放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R* Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大

8、，其輸出功率、效率的變化也將如此。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損 耗小，放大器的效率也就較大放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小 集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-8所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應(yīng)于VCEmin的動(dòng)態(tài)點(diǎn)必定在VBEVBEmax的那條特性曲線上移動(dòng)；當(dāng)VCC由大減小時(shí)，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。 基極調(diào)制特性基

9、極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-9所示。當(dāng)Vbm一定， VBB自負(fù)值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應(yīng)的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。VC1m 放大特性放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹

10、陷加深。2.4丙類功率放大器的設(shè)計(jì)(1)放大器工作狀態(tài)的確定因?yàn)橐螳@得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為：=900集電極基波電流振幅為：3.33mA集電極電流最大值為：=3.33/0.436=7.638mA其直流分量為：=*=7.638*0.253=1.932mA電源供給的直流功率為：PD=Ucc*Ico=6.956mW集電極損耗功率為：P= PD PC =1.956mW轉(zhuǎn)換效率為：= PC / PD =5/6.956=71.88%當(dāng)本級增益=40dB，晶體管的直流=50時(shí)，有：丙類的輸出功率為：P1=P0/AP=0.0005m

11、W基極余弦電流最大值為：IBM = ICM / 0.1528mA基極基波電流振幅為：=0.15280.436=0.0666mA所以輸出電壓的振幅為：UBM =2 P1/ IB1M0.119V(2) 諧振回路和耦合回路參數(shù)計(jì)算（1）計(jì)算丙類類諧振回路參數(shù)由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流ICQ一般選取0.8-2mA為宜，現(xiàn)取IE=1.5mA 取=50 rbb=25 Cbe=25pF L=1.8H 由以上參數(shù)得:由于 因 所以 因?yàn)橥l帶 解得QL=50 所以 C3取60pF確定耦合電容及高頻濾波電容C2=0.01F C4=0.1F C5=0.1F通頻帶則QL=50一級的增益為：或以

12、功率增益為：以分貝表示，則(2) 耦合回路參數(shù)丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25,則輸入阻抗：87.1則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：0.47在這里，我們假設(shè)取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=60pF，則：1.82H采用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因?yàn)橛衅渲?=100H/m , A=, =25mm, L =1.82H所以計(jì)算得N2=72.5甲類功率放大器的設(shè)計(jì)（1）電路性能參數(shù)計(jì)算甲類功率放大器輸出功率等于丙類功率放大器的輸入功率，即：PH = P1 =5mW輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即：R

13、H =87.1設(shè)甲類功率放大器為電路的激勵(lì)級電路，變壓器效率取0.9，則集電極輸出功率為：PC =6.295×10-4mw若取放大器的靜態(tài)電流ICC = ICM=1.5mA，則集電極電壓振幅為：UCM =2 PC / ICM =8.39×10-4mV最佳負(fù)載電阻為：=1.515則射極直流負(fù)反饋電阻為：1780 (ICM)則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：0.152本級功放采用9018晶體管，取=50 =40則輸入功率為：Pi = P0 /=2.35×10-5mw甲類功率放大器輸出功率等于丙類類功率放大器的輸入功率，即：PH = P1 =6.295×10-4W設(shè)甲

14、類功率放大器為電路的激勵(lì)級電路，變壓器效率取0.9，則集電極輸出功率為：PC =6.994×10-5mW若取放大器的靜態(tài)電流ICC = ICM=1.5mA，則集電極電壓振幅為：UCM =2 PC / ICM =9.325×10-5mV本級功放采用9018晶體管，取=50 =40則輸入功率為：Pi = P0 /=4.95×10-8mw放大器輸入阻抗為：Ri= Rbb+*R3=25+30R3若取交流負(fù)反饋電阻Ri= Rbb，則Ri=25所以本級輸入電壓為：49.75v（2）確定靜態(tài)工作點(diǎn)由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流ICQ一般選取0.8-2mA為宜，

15、現(xiàn)取 IE=1.5mA ,UEQ=0.9V, UCEQ=2.7VRE=UEQ/IE=0.6K取流過R3的電流為基極電流的7倍，則有： R3=UBQ/(7IBQ)=9.52K 取10K則： （3）計(jì)算甲類諧振回路參數(shù)諧振頻率f0=15MHz，諧振電壓放大倍數(shù)大于60dB，通頻帶BW=300KHz。選取三極管9018，,取=50，工作電壓3.6V，查手冊得rbb=70，Cbe=25pF，取L=1.8H 。由于 所以得： 因 則有： 計(jì)算回路總電容C，得：因?yàn)橥l帶：解得回路的有載品質(zhì)因數(shù)QL=50由此得到并聯(lián)到LC回路上的總損耗電導(dǎo)為：又已知,?？汕蟮迷谄ヅ鋾r(shí)的初級抽頭比為：三、電路原理圖如圖3-

16、1 為高頻諧振功率放大器的總體電路圖。圖3-1 高頻諧振功率放大器電路圖4、 電路仿真圖五、電路的焊接與調(diào)試 根據(jù)上述設(shè)計(jì)的元件參數(shù)，按圖3-1所示電路進(jìn)行焊接。先焊接第一級放大器，測量調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn)，使其滿足或近似到理論設(shè)計(jì)值，再安裝第二級放大器。測得晶體管9018靜態(tài)時(shí)，基極偏置電壓Ube=0，靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試。先假設(shè)諧振回路已經(jīng)處于諧振狀態(tài)，即集電極的負(fù)載電阻為純阻抗。但是回路的初始狀態(tài)或者在調(diào)諧過程中，回出現(xiàn)失諧狀態(tài)，即集電極回路的阻抗呈感性或呈容性，將使回路的等效阻抗下降。這時(shí)集電極輸出電壓減小，集電極電流增大，集電極的耗散功率增加，嚴(yán)重時(shí)可能損毀晶體管。為保證元器件

17、安全工作，調(diào)諧時(shí)可以先將電源電壓+VCC降低到規(guī)定值的1/2-1/3，待找到諧振點(diǎn)后，再將+VCC升到規(guī)定值，然后微調(diào)一下回路參數(shù)就可以了?；芈分C振時(shí)，高頻電壓表的讀數(shù)應(yīng)達(dá)到最大值，直流毫安表的讀數(shù)為最小值，示波器檢測的波形為不失真基波。6、 總結(jié)在本次設(shè)計(jì)競賽過程中，我們組的隊(duì)員緊密團(tuán)結(jié)，精誠合作，最終完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。通過本次比賽，我們不僅增強(qiáng)了動(dòng)手能力、加深了理論知識的理解和認(rèn)識，還學(xué)到了許多大學(xué)課堂學(xué)不到的知識，并深刻體會(huì)到共同協(xié)作和團(tuán)隊(duì)精神的重要性。另外，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，給我的感覺就是很難，很不順手，看似很簡單的電路，要?jiǎng)邮职阉o設(shè)計(jì)出來，是很難的一件事，主要原因是我們沒有經(jīng)常動(dòng)手設(shè)計(jì)過電路，還有資料的查找也是一大難題，這就要求我們在以后的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該注意到這一點(diǎn)，更重要的是我們要學(xué)會(huì)把從書本中學(xué)到的知識和實(shí)際的電路聯(lián)系起來，這不論是對我們以后的就業(yè)還是學(xué)習(xí)，都會(huì)起到很大的促進(jìn)和幫助，我相信，通過這次的設(shè)計(jì)，在下一階段的學(xué)習(xí)中我會(huì)更加努力，力爭把這門課學(xué)好，學(xué)精。參考文獻(xiàn)：1. 張肅文編，高頻電子線路，北京：高等教育出版社，2009.