高頻LC諧振功率放大器的設(shè)計(jì)

1、目 錄前言11 高頻LC諧振功率放大器原理21.1原理電路21.2功放的特性曲線32 高頻LC諧振功率放大器電路設(shè)計(jì)52.1電路要求的技術(shù)指標(biāo)52.2設(shè)計(jì)電路的組成及原理電路圖53 高頻LC諧振放大器電路的仿真與分析63.1 EWB軟件簡(jiǎn)介63.2軟件界面介紹73.2.1 EWB主窗口73.2.2各元件庫(kù)窗口73.3 EWB軟件對(duì)LC諧振放大器的仿真93.3.1仿真電路93.3.2設(shè)置函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸入93.3.3電路仿真后的輸出波形93.3.4高頻LC諧振功率放大器的放大倍數(shù)103.3.5功率放大器輸出功率、效率113.4 高頻功率放大器的負(fù)載特性123.4.1負(fù)載電阻不同時(shí)的輸入輸出波形

2、12不同負(fù)載情況下工作狀態(tài)及輸出功率分析123.5高頻功率放大器的振幅特性143.5.1 輸入電壓不同時(shí)的輸出電壓143.5.2輸入電壓不同時(shí)放大器的工作狀態(tài)及輸出功率分析15 3.6高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性15集電極電壓Vcc不同時(shí)的輸出電壓154.6.2集電極電壓Vcc不同時(shí)放大器的工作狀態(tài)及輸出功率分析164 總結(jié)174.1電路設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)174.2心得體會(huì)17參考文獻(xiàn)18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，這就要用高頻諧振放大器將信號(hào)放大到所需的發(fā)射功率；在接受

3、設(shè)備中，從天線上感應(yīng)到的信號(hào)是非常微弱的，一般在級(jí)，要將傳送的信號(hào)恢復(fù)出來(lái)，需要將信號(hào)放大，這就需要用高頻小信號(hào)諧振放大器來(lái)完成。高頻功率放大器的主要功能是放大高頻信號(hào)，并且以高效輸出大功率為目的。它主要應(yīng)用于各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)中。發(fā)射機(jī)中的振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。高頻功放的輸出功率范圍，可以小到便攜式發(fā)射機(jī)的毫瓦級(jí)，大到無(wú)線電廣播電臺(tái)的幾十千瓦，甚至兆瓦級(jí)。目前，功率為幾百瓦以上的高頻功率放大器，其有源器件大多為電子管，幾百瓦以下的高頻功率放大器則主要采用雙極晶體管和大功率場(chǎng)效應(yīng)管。已知能量（功率）是不能放大的，高頻信號(hào)的功率放大，

4、其實(shí)質(zhì)是在在輸入高頻信號(hào)的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功放產(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。應(yīng)當(dāng)指出，盡管高頻功放和低頻功放的共同特點(diǎn)都要求輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度相差很大，因此存在著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功放的工作頻率低，但相對(duì)頻帶很寬。工作頻率一般在20-20000Hz，高頻端與低頻端之差達(dá)1000倍。所以，低頻功放的負(fù)載不能采用調(diào)諧負(fù)載，而要用電阻，變壓器等非調(diào)諧負(fù)載。而高頻功放的工作頻率很高，可由幾百千赫到幾百兆赫，甚至幾萬(wàn)兆赫，但相對(duì)頻帶一般很窄。近年來(lái)，為了簡(jiǎn)化調(diào)諧，設(shè)計(jì)了寬帶高頻功放，如同寬帶小信號(hào)放大器一樣，其負(fù)

5、載采用傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，寬帶功放常用在中心頻率多變化的通信電臺(tái)中。放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類(lèi)工作狀態(tài)。甲類(lèi)放大器電流的流通角為360o，適用于小信號(hào)低功率放大。乙類(lèi)放大器電流的流通角約等于 180o；丙類(lèi)放大器電流的流通角則小于180o。乙類(lèi)和丙類(lèi)都適用于大功率工作。丙類(lèi)工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類(lèi)。但丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出

6、功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。1高頻LC諧振功率放大器原理圖1 高頻LC諧振功率放大器的基本電路1.1原理電路圖1是一個(gè)采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，它在較小的激勵(lì)信號(hào)電壓作用下，形成基極電流，控制了較大的集電極電流，流過(guò)諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻

7、功率的任務(wù)。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在C類(lèi)狀態(tài)下工作，為了保證在C類(lèi)工作，基極偏置電壓應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)應(yīng)為大信號(hào)，一般在0.5V以上，可達(dá)1到2V，甚至更大。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^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用。線路特點(diǎn)：(1)諧振回路LC是晶體管的負(fù)載(2)電路工作在丙類(lèi)工作狀態(tài)；基極負(fù)偏壓（或零偏壓）關(guān)系式：(1)外部電路關(guān)系式： (2)晶體管的內(nèi)部特性 (3)（半）導(dǎo)通角 根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得： 故得1.2功放的特性曲線圖2 諧振功率放大器的轉(zhuǎn)移特性曲線必須強(qiáng)調(diào)指出：集電極電流雖然是脈沖狀，

8、但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。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P0，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率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：輸出交流功率： -回路兩端的基頻電壓 - 基頻電流 -回路的負(fù)載阻抗 圖解分析法的步驟：1.測(cè)出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線及輸出特性曲線，并將這兩組曲線折線化處理；2.作出不同工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性曲線；3.根據(jù)激勵(lì)電壓b的大小在特性曲線上畫(huà)出對(duì)應(yīng)輸出電壓Uc和電流脈沖ic的波形；4.分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供電電壓

9、或負(fù)載的變化將如何影響輸出電壓、輸出電流、輸出功率、效率等指標(biāo)的。晶體管的特性曲線及其特性方程由圖可見(jiàn)，在放大區(qū)，有轉(zhuǎn)移特性方程：所以，集電極電流隨激勵(lì)而正向變化。由圖可見(jiàn)，在飽和區(qū)，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無(wú)關(guān)。因此有臨界線方程： 在截止區(qū)，有方程：圖3 晶體管的輸入和輸出特性曲線諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線（負(fù)載線）高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗、激勵(lì)電壓、供電電壓等4個(gè)參量決定的。如果, 3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。所謂動(dòng)態(tài)特性是和靜態(tài)特性相對(duì)應(yīng)而言的，在考慮了

10、負(fù)載的反作用后，所獲得的的關(guān)系曲線就叫做動(dòng)態(tài)特性。圖4 功率及效率隨負(fù)載變化的波形2高頻LC諧振功率放大器電路設(shè)計(jì)2.1電路要求的技術(shù)指標(biāo)晶體管2N2222A的主要參數(shù)為，管子的飽和管壓降。主要技術(shù)指標(biāo)：交流電壓放大倍數(shù)： 中心頻率：15MHz 輸出交流電壓峰-峰值： 通頻帶寬： 2.2設(shè)計(jì)電路的組成及原理電路圖 基本部分組成，即晶體管、諧振回路和電源。電子管在放大器中起著把直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的作用；諧振回路是電子管的負(fù)載；電源供給電子管各電極電壓，它們共同保證電子管的正常工作。 圖5原理電路 。3 丙類(lèi)功率放大器電路的仿真與分析3.1EWB軟件簡(jiǎn)介隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品

11、已與計(jì)算機(jī)緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來(lái)越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來(lái)越短。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，使得電子線路的設(shè)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上完成電路的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試直至印刷電路板的自動(dòng)設(shè)計(jì)。EDA是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。與早期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動(dòng)化程度更高、功能更完善、運(yùn)行速度更快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開(kāi)放性和互換性。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

12、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)： （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?。唬?）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。（6）

13、用EWB進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常接近實(shí)際操作的效果。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件和印刷電路板。使電路調(diào)試變得快捷方便。（7）不但提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件, 還提供了各種豐富的調(diào)試測(cè)量工具：各種電壓表、電流表、示波器、指示器、分析儀等。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。（8）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。因此非常適合電子類(lèi)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。這次課程設(shè)計(jì)，我們將了解EWB軟件的初步知識(shí)和基本

14、操作方法。3.2軟件界面介紹圖6 主窗口3.2.1EWB主窗口3.2.2元件庫(kù)圖7 元件庫(kù)圖8 基本器件庫(kù)圖9 信號(hào)源庫(kù)圖10 指示器件庫(kù)圖11 儀器庫(kù)圖12 二極管庫(kù)3.3EWB軟件對(duì)高頻LC諧振功率放大器的仿真3.3.1仿真電路圖13 高頻LC諧振功率放大器的仿真電路圖14 輸入電壓3.3.2設(shè)置函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸入 圖15 高頻LC諧振功率放大器的輸出波形3.3.3電路仿真后的輸出波形3.3.4高頻LC諧振功率放大器的放大倍數(shù)圖16 諧振功率放大器的輸入輸出波形觀察可得：3.3.4高頻LC諧振功率放大器的帶寬圖17 諧振功率放大器的的波特圖由波特圖觀察可得： 中心頻率為：3.4高頻功率放

15、大器的負(fù)載特性 負(fù)載特性是只在其他條件不變（為一定），只改變放大器的負(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。3.4.1 負(fù)載電阻不同時(shí)的輸入輸出波形圖18 負(fù)載為時(shí)的輸入輸出波形及圖19 負(fù)載為時(shí)的輸入輸出波形及圖20 負(fù)載為時(shí)的輸入輸出波形及3.4.2不同負(fù)載情況下工作狀態(tài)及輸出功率分析當(dāng)負(fù)載電阻小于最佳電阻時(shí)，放大器工作在欠壓狀態(tài)，增大電阻，輸出電壓增大，輸出電流基本不變，故輸出功率增大。當(dāng)負(fù)載電阻等于最佳電阻時(shí)，放大器正好工作在臨界狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓和電流基本達(dá)到最大，故輸出功率最大，效率也比較高。當(dāng)負(fù)載電阻大于最佳電阻時(shí)，放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)，繼續(xù)增大電阻，

16、輸出電壓基本不變，而輸出電流變小，所以輸出功率減小。綜上，當(dāng)負(fù)載電阻是最佳電阻時(shí)，輸出功率最大，當(dāng)負(fù)載電阻大于或小于最佳電阻時(shí)，輸出功率都將減小。（如圖所示）圖21 功率放大器的負(fù)載特性3.5高頻功率放大器的振幅特性 高頻功放的振幅特性是指只改變激勵(lì)信號(hào)振幅時(shí), 放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。3.5.1 輸入電壓不同時(shí)的輸出電壓當(dāng)輸入為40mV時(shí)的輸出電壓為829.3mV，當(dāng)輸入為80mV時(shí)的輸出電壓為1.1520V，當(dāng)輸入為120mV時(shí)的輸出電壓為1.2812V，3.5.2輸入電壓不同時(shí)放大器的工作狀態(tài)及輸出功率分析圖22 輸出特性隨輸入電壓的變化由測(cè)得的情況可知，隨著輸入電壓的增

17、加，放大器由欠壓區(qū)進(jìn)入到過(guò)壓區(qū)，在欠壓區(qū)UOIC0IC1都隨著輸入電壓的增加而增加，效率也隨之增加，欠壓區(qū)保持基本不變。放大器工作在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。3.6高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性 高頻功放的集電極調(diào)制特性是指只改變集電極電壓時(shí), 放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。3.6.1集電極電壓不同時(shí)的輸出電壓圖24 集電極電壓為12V時(shí)的輸出電壓圖23 集電極電壓為6V時(shí)的輸出電壓圖25 集電極電壓為12V時(shí)的輸出電壓圖26 集電極電壓為12V時(shí)的輸出電壓3.6.2輸入電壓不同時(shí)放大器的工作狀態(tài)及輸出功率分析圖27 高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性集電極

18、電壓由小變大構(gòu)成中功放工作狀態(tài)由過(guò)壓經(jīng)臨界到欠壓狀態(tài)，在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過(guò)壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。通過(guò)這次的高頻課設(shè)，加深了我對(duì)高頻論知識(shí)的理解，并鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，掌握了高頻電子電路的基本的設(shè)計(jì)方法和調(diào)試方法，能夠正確的使用實(shí)驗(yàn)儀器?；仡櫰鸫舜胃哳l課程設(shè)計(jì)，的確設(shè)計(jì)起來(lái)很難，調(diào)試也需要很大的耐心，但是學(xué)到很多很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知