丙類功率放大器的設(shè)計

刖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，從天線上感應(yīng)的信號是非常微弱的，要靠高頻小信號放大器來完成；在發(fā)射設(shè)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(shè)備地發(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地發(fā)射功率。高頻功率放大器的主要功用使發(fā)射高頻信號，并且一高效輸出大功率為目的。發(fā)射機(jī)中的振蕩器產(chǎn)生的信號功率很小，需要經(jīng)過多級高頻放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。已知能量是不能放大的，高頻信號的功率放大，實質(zhì)是在輸入高頻信號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)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能的轉(zhuǎn)換效率。低頻功率放大器可以工作在甲類狀態(tài)，也可以工作在乙類狀態(tài)，或甲乙類狀態(tài)乙類狀態(tài)要比甲類狀態(tài)效率高。為了提高效率，高頻功率放大器多工作在丙類狀態(tài)。為了進(jìn)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、S類高頻功率放大器；還有利用特殊電路技術(shù)來提高效率的F類、G類、H類高頻功率放大器。本次課程設(shè)計主要是針對一些已知數(shù)據(jù)設(shè)計一個丙類高頻功率放大器。1.丙類功率放大器的原理利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器為諧振功率放大器。如圖1所示。它是無線電發(fā)射機(jī)中的重要組成不見。根據(jù)放大器的導(dǎo)通角。的范圍可以分為甲類、乙類、丙類等不同類型的放大器。導(dǎo)通角。越小放大器的效率n越高。如甲類功放的。=180。，效率最高也只能達(dá)到50%，而丙類功放的。＜90。，效率可達(dá)到80%。甲類功率放大器適合作為中間級多輸出功率較小的初級功率放大器。丙類功率放大器常作為墨跡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機(jī)基本特征，具體原理圖如圖1所示：I1.1丙類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來控制集電極的直流電源所供給的直流電源所供給的直流功率P0，實質(zhì)一部分轉(zhuǎn)換為交流信號功率P1輸出去，一部分功率以熱能的形式損耗在集電極上，成為集電極耗散功率Pc。根據(jù)能量守恒定律：P0=P1+Pc直流功率：P0=Ic°Ucc輸出交流功率：P1=juCic1=2iL=2/2%LUc——回路兩端基頻電壓Ic1——基頻電流Rl——回路的負(fù)載阻抗1.1.2放大器的集電極效率TOC\o"1-5"\h\zP-U-11P2cci1匕門=—==—匚?？P0UcJC°2其中集電極電壓利用系數(shù)：&=L=工UCCUCC波形系數(shù)：7=二=約果為導(dǎo)通角。的函數(shù)；。越小y越大。Ia(0)1.1.3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Ucc，UBB三極管的參數(shù)gc，UBB，設(shè)電壓利用系數(shù)為E，集電極的導(dǎo)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)首先要求求得集電極電流脈沖的兩個主要參量i和0cmax導(dǎo)通角0:0=arccos住皿Ub功率放大器的設(shè)計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高效率的輸出功率和高效率，通常0=60集電極電流脈沖幅值i=gUb(1-cos0)由。值，查表的電流余弦脈沖的各諧波分量a(0)、a」0)、y(0)，并求得各01個分量的實際值Ic0、Ic1。根據(jù)p=土=1§￡2112Rl22Rl可求得最佳負(fù)載電阻：RLCR(&Uc)2

2方可求得最佳負(fù)載電阻：RLCR11.2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。1.2.1uc、ic隨負(fù)載變化的波形當(dāng)負(fù)載電阻RL由小至大變化時，負(fù)載線的斜率由小至大，如圖中1一2—3。放大器的工作狀態(tài)由欠壓一臨界一過壓輸出電壓uc逐漸增大輸出電流ic的波形由尖頂脈沖一凹頂脈沖

具體變化過程如圖2所示:圖2高頻動特性1.2.2功率及效率隨負(fù)載變化的波形：欠壓狀態(tài)在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(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基本不變，根據(jù)1PP=-U-1P=U-1P=P-P門=—12cC10ccc0C01P0則電源功率P0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)載線和Ub相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態(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(fù)載較大，在過壓區(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。負(fù)載特性如圖3所示：

圖3焚裁特性1.3丙類諧振功率放大器的偏置電路1.3.1直流饋電電路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：00串慘（h）圖4集電極饋電影式（1）串饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路、功率管三者首位相接的一種直流饋電電路。C1、LC為低通濾波電路，A00串慘（h）圖4集電極饋電影式（2）并饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路、功率管三者為并聯(lián)關(guān)系的一種饋電電路。如圖LC為高頻扼流圈，C1為高頻旁路電容，避免高頻信號流入直流電源，C2為高頻輸出耦合電容，1.3.2極饋電電路基極饋電電路也有串饋和并饋兩種形式，圖五給出了幾種基極饋電形式，基極的負(fù)偏壓既可以是外加的，也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過電阻產(chǎn)生。前者稱為固定偏壓，后者稱為自給偏壓。圖中a是發(fā)射極自給偏壓，CB為

旁路電容；b為基極組合偏壓；C為零偏壓。自給偏壓的優(yōu)點是偏壓能隨激勵大小變化，使晶體管的各極電流受激勵變化的影響減小，電路工作較穩(wěn)定。X□2.諧振功率放大器的電路設(shè)計X□2.1實驗電路參數(shù)已知條件：Vcc=+10V，三極管為N2222A，管子的飽和壓降，、Uces<=0.6V,3>=30,fT>=150MHZ，Ap>=6dB。主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率P0>=100mW，工作頻率15MHZ，效率n>50%，負(fù)載Rl=2KQ。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，選丙類放大器的臨界狀態(tài)，0=65，假設(shè)P0=120mW。2.2計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)載可以得到抽頭系數(shù)p=0.25.,同時根據(jù)工作頻率為15MHZ，可以得出L=1uH，C1=150pF，C2=448pF。具體實驗電路如圖6所示：

圖6實驗電路原理圖具體計算過程如下：求最佳負(fù)載：R-("一七￥p2P0求得最佳負(fù)載Rp=542Q基頻電流振幅：/—i'2PC1YR”p解得：IC1=21mA集電極電流脈沖最大值：I—‘C1CMAX以(0)1解得ICMAX=5°“83mA直流分量：IC0—Tcmax?a0(0)解得IC0=12mA直流輸出功率：P1=UCC-IC0其中UCC=12V解得：P]=144mW功率放大的總效率：n=83.4%諧振回路及抽頭回路的電容比：由抽頭電路得知：總電容：C=C1C2C1+C21則由：W2=—0LC①=2域00抽頭系數(shù)：p=-C1—C+C根據(jù)負(fù)載電阻和最佳負(fù)載可以得出抽頭系數(shù)P=0.253.諧振放大電路的仿真與分析3.1仿真軟件的介紹電子工作平臺ElectronicsWorkbench（EWB）軟件是加拿大InteractiveImageTechnologies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平臺軟件，它具有這樣的一些特點：（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機(jī)屏幕上模擬仿真實驗室的工作平臺，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??；（2）軟件儀器的控制面板外形和實物圖相似，可以實時顯示測量結(jié)果。（3）EWB團(tuán)建帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。（4）作為設(shè)計工具，它可以同其他流行的電路分析、設(shè)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(shù)訓(xùn)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(jìn)行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器的測量方法。EWB的優(yōu)點1、各元器件的選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會像實際操作那樣多次地吧原件焊下而損壞器件和印刷電路板。使電路調(diào)試變得方便快捷。對不僅能用于對單個電路特性和原理進(jìn)行驗證，也能用于多級組合電路。2、元件庫提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件，是一個全開放的仿真實驗室和課件制作平臺，各我們提供了一個實驗器具完備的綜合性電子技術(shù)實驗室?？梢栽谌我饨M合的實驗環(huán)境中，搭建實驗。通過

原件復(fù)制或單級電路的復(fù)制來完成整合電路的組裝。因此也適用于較大型的設(shè)計性試驗。3、EWB（電子學(xué)工作平臺）為我們提供了一個很好的實用工具，使我們能夠在教學(xué)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(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容，進(jìn)行接近于實際電路的調(diào)試分析，有利于加深對理論的理解。通過這樣的計算機(jī)模擬仿真實驗，把子技術(shù)的理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機(jī)地結(jié)合了起來。3.2諧振放大電路的分析3.2.1測量高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)高頻功率放大器的波特圖如圖7所示：-L00"-L<37--185XI15^3:551129,3-L00"-L<37--185XI15^3:551129,362-1就14E960aHY232.202S-^77C73S7K■=ly2.92041/d.K-2u093211-&L?34Zmln>35.]_口口口坦maxn83.：E352Gmlny-453,1855maxy1.DM圖7高頻功率放大器的幅頻特性100.DM根據(jù)波特圖觀察:放大電路的中心頻率f0=15MHZ交流放大倍數(shù)約為32dB,約合40倍通頻帶900KHZ以上指標(biāo)均符合要求3.2.2觀察高頻功率放大器的負(fù)載特性輸入電壓如圖8所示:■FunctionGeneral0]圖8仿真輸入當(dāng)負(fù)載Rl變化時，輸出波形如圖9-12所示:圖9RL=2k時的輸出波形圖10RL=10k時的輸出波形圖11RL=50k時的輸出波形圖12RL=200k時的輸出波形3.2.3觀察高頻功放的振幅特性固定負(fù)載電阻為2、輸入電壓幅度逐漸升高輸入輸出關(guān)系如圖13-圖13輸入為50mV時的輸入輸出關(guān)系圖14輸入為300mV時的輸入輸出關(guān)系圖15輸入為1V時的輸入輸出關(guān)系3.2.4直流電源電壓對高頻功率放大器工作狀態(tài)的影響T1g\.B1I，E?—wT23520F2-T1i&&.iueenu0ooes3.2.4直流電源電壓對高頻功率放大器工作狀態(tài)的影響T1g\.B1I，E?—wT23520F2-T1i&&.iueenu0ooesuEl.0000D.-1枷■洌0.0000v460508amW-544.4371mUVB2-VB1-1.?049vTriggerra3dbaseKposition|皿raa心m|目Level>|B|Ext|iKDmVmYpostian|Dm位|.口仁|ChannelAImnVJDlBYpostlonIBIDAC|DChannelB圖18直流電壓為15V時的輸出波形總結(jié)在這次高頻電子線路課程設(shè)計實習(xí)中，我們充分的應(yīng)用了所學(xué)的知識，通過去圖書館查閱相關(guān)資料和上網(wǎng)搜索相關(guān)知識，我們頗有收獲，粗略設(shè)計出該電路，總體來說還是比較成功的。優(yōu)點：電路簡單，電路參數(shù)范圍寬泛，設(shè)計時權(quán)衡了功率和效率，能達(dá)到比較好的效果。缺點：輸出波形有些誤差，電路不太穩(wěn)定，有些參數(shù)誤差較大由于學(xué)的不夠扎實，在課程設(shè)計中遇到很多困難。尤其是在調(diào)節(jié)輸出及確定參量的過程中，耗費了很多的時間與精力。同時，在各個功能的設(shè)計過程中好多的問題考慮還不夠全面。通過這次課程設(shè)計，我充分感受到了EWB的強(qiáng)大功能，并且通過課設(shè)，鞏固了我們上課所學(xué)的知識，并把它們運用到實際中來。這次課設(shè)也暴露出我平時學(xué)習(xí)的不足，在今后的學(xué)習(xí)中要更加努力地學(xué)習(xí)，更加豐富自己的理論知識，同時增加自己親身實踐的機(jī)會，這樣理論指導(dǎo)實踐，實踐反過來加深理論的理解，這樣才能真正學(xué)懂一門科學(xué)。在這一周里，我總