高頻LC振動(dòng)電路

高頻LC諧振功率放大器原理1.1原理電路ic尸uceC)LfdRHI叮UCC+輸出UBB圖1諧振功率放大器的基本電路圖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fT。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i,i控制了較大的集電極電流i,i流過(guò)諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出,BBCC從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類狀態(tài)下工作，為了保證在丙類工作，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)：LC諧振回路作為晶體管的負(fù)載起到選頻濾波以及阻抗匹配的作用。電路工作在丙類工作狀態(tài)以保證電路效率較高；基極負(fù)偏壓(或零偏壓)。關(guān)系式：外部電路關(guān)系式：u=—U+Ucos①t u=U-Ucos①tbeBBbmceCCcm晶體管的內(nèi)部特性：I=g(u-U')cmbeBB(3)(半)導(dǎo)通角：根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：(3)(半)導(dǎo)通角：根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：n . c U+u'UcosB=U +U' 6=arccos—bb bbbm 1BB1 BB Ubm即集電極的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的。必須強(qiáng)調(diào)指出：集電極電流ic雖然是脈沖狀，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。高頻功率放大器的特性曲線L圖2L圖2諧振功率放大器的轉(zhuǎn)移特性曲線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P，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率P輸出去，另一部分功率o1以熱能形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率P。C根據(jù)能量守衡定理：P根據(jù)能量守衡定理：P二P+Po1C直流功率：P二I-Uoc0CC輸出交流功率：P=2Uc?'=U=21汽LR-回路的負(fù)載阻抗LU-回路兩端的基頻電壓R-回路的負(fù)載阻抗LC c1圖解分析法的步驟：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；作出不同工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性曲線；根據(jù)激勵(lì)電壓U的大小在特性曲線上畫出對(duì)應(yīng)輸出電壓U和電流脈沖bci的波形；c分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供電電壓或負(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：i=g(u-U')cmbeBB所以，集電極電流隨激勵(lì)而正向變化。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：i二Succce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R、激勵(lì)電壓u、供電電壓U,U等4個(gè)參量決定的。LbCCBB如果U,U,u3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻RCCBBbL決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨rl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，在考慮了負(fù)載的反作用后，所獲得的uu和i的關(guān)系曲線就叫做動(dòng)態(tài)特性。ce,bec圖4功率及效率隨負(fù)載變化的波形圖4功率及效率隨負(fù)載變化的波形功率放大器的三種工作狀態(tài)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)，將放大器的工作狀態(tài)分為三種情況：欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方過(guò)壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)臨界工作狀態(tài)：欠壓和過(guò)壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。高頻功率放大器的外部特性高頻放大器的負(fù)載阻抗R、激勵(lì)電壓U、供電電壓U、U4個(gè)外部變LbccBB量會(huì)影響放大器的工作狀態(tài)、功率及效率等。對(duì)應(yīng)的影響關(guān)系分別為：LL圖5高頻功率放大器的負(fù)載特性圖7高頻功率放大器的調(diào)制特性高頻LC諧振功率放大器電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)計(jì)算晶體管2N2222A的主要參數(shù)為：V二12V,P二0.5W,I二0.8Accccm主要技術(shù)指標(biāo)：交流電壓放大倍數(shù)：A>25輸出交流電壓峰-峰值：uV>2V(R二2k⑵op-p L中心頻率：15MHz 通頻帶寬：>±250kHz(-3dB)2.2高頻LC諧振功率放大器設(shè)計(jì)電路高頻諧振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)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臺(tái)軟件，它具有這樣一些特點(diǎn)：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?。卉浖x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。EWB軟件帶有豐富的電路元件庫(kù)，提供多種電路分析方法。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)。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。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。Fi]?Edi>.^EtfztLL沖rlL和isTtiniEr也XpDV詈TOXFi]?Edi>.^EtfztLL沖rlL和isTtiniEr也XpDV詈TOXEZJmlf=]1k:口1wv2 -T ：I 0□A drcvtiWtetmJyztdforI]1Ai"iW6epj|)i-KM2fQ廿爲(wèi)1蛇吧?：比1^鍵沌酬啤dcecopestiUE閃*DdmLft.bytUEH富Cttu^lUiLc-swiEcj^山口fcerianthttxTic*F也idysw刖軍葩的rui_■嗎坷問(wèn)血業(yè)皿na皿皿i粗HlAndjfi^AC知耶証iuh孫JPu-iKrtHcvgp?TrthR:IJs-IL*E^ep2KACo^-lput^cds+pLeg，2才芒欄七甫描述極電肖工件叵■■■^\T.I-r：HH7/HI■T*8m-lmlI豐 ■止收也Eh：/

打幵的儀玉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。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)和基本操作方法。軟件界面介紹主斗蘭 兀宀埜欄 丄尺欄禽隔I略］詞起V］占陋|越|gxH|I1ccmJjrlmn￡￡|制零|劉創(chuàng)呵副甲也團(tuán) 匡］圖9主窗口自定義庫(kù)基本元件庫(kù)晶體管庫(kù)混和集成電路邏輯門電路指示器件庫(kù)其它器件庫(kù)自定義庫(kù)基本元件庫(kù)晶體管庫(kù)混和集成電路邏輯門電路指示器件庫(kù)其它器件庫(kù)圖10元件庫(kù)圖11基本器件庫(kù)<￡電壓涼電」屯一M電葉脣屯_濮電計(jì)盲屯比頰交嘯屯注蓿直報(bào)屯請(qǐng)圖12信號(hào)源庫(kù)電濁iIthIlcatorsa寧BOSB—電壓表燈泡電流表 彩色指示燈邏輯轉(zhuǎn)換儀邏輯分析儀字信號(hào)發(fā)生器波特圖儀示波器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器數(shù)字參用表圖14儀器庫(kù)「容In呂匕「m屯口土占黔兇1=1蠱0三匝］441Q401 厶宀66呂O-Z-0■:-圖13指示器件庫(kù)二極管申壓二極管發(fā)光二極管全波橋式整流器圖15二極管庫(kù)EWB軟件對(duì)丙類功放的仿真3.3.1電路仿真圖11i_圖34電路仿真圖CDi：r■ 12VHe-3C：C：-t3.3.2負(fù)載特性當(dāng)負(fù)載電阻為1KQ時(shí)，電路處于欠壓狀態(tài):nrvJl十nrvJl十圖9輸入電壓及直流電流I=3.1566mAU=350mV U=5.76VR二1KQ U=12Vc0 bm cm L cc圖10圖10輸出電壓P=IxU=3.1566mAx12V=0.0379W0 c0 ccP=U2/(2xR)=5.76x5.76/2/1000=0.01658W1cm LP/Px100％=0.01658/0.0379=43.76％10當(dāng)負(fù)載電阻為2KQ時(shí)，電路處于臨界狀態(tài)：

3.36S7mA■ S]|dEjSettings3.36S7mA■ S]|dEjSettings圖11輸入電壓及直流電流I=3..3697mAU=350mVU=9.993V R二2KQU=12Vc0 bm cm K cc圖12圖12輸出電壓P二U2/(2xR)二9.9993x9.9993/2/2000二0.025W1cm LP=IxU=3.3697mAxl2V=0.04044W0 c0 ccP/Pxl00%二0.025/0.04044二65.8%10FrequencyDutycycle.?VriplrtudeOffset圖13輸入電壓及直流電流T2-T11'?.11■?3T2-T11'?.11■?3hJ.5345.0596n2-7.9365J1?161EhJ-5-2980-910Fl'J106E88'JT2斗1H斗？ri5-643.1S06mV18.E9E3JTimmbaseJk.Xpositiona.oaBfAA/BY.-TTrigger5jge(ElLevel|aoaChannel4§|B|Erf|Yposition10.00EHD|DC|—Ch3nnt!lB一Reduce5V.rDk▲Yposition|s.oaReverse01DCISave圖14輸出電壓P=IxU=3.1992mAxl2V=0..03839W0coccP二U2/(2xR)二10.6588x10.6588/2/3000二0.01863W1cm LP/Pxl00%=0.01863/0.03839=48.52%103.3.3輸入電壓改變時(shí)對(duì)電路的影響Settings圖15集電極直流電流I=2.8830mAU=100mVU=5.4345VU=12V 二2KQc0 bm cm ccChannelAChannelB51.6029p.sT251.6270p.sT2-T198.9349nQVW2-53.6670niJ-9.0251 VVB2ChannelAChannelB51.6029p.sT251.6270p.sT2-T198.9349nQVW2-53.6670niJ-9.0251 VVB25.4345MVB2-VEMTimebaseXposition|(LoaTriggerEijgn [E3Level |CLOQEi上凸A'BIB|ErtIYposition|o.oaD|DC|AC10畑”Yposition|a.ogD|DC|AC田Reduce呂 ISave圖16輸出電壓P=IxU=2.8830mAxl2V=0..03460W0 c0 ccP二U2/(2xR)二5.4345x5.4345/2/2000二0.0074Wlbm LP/Pxl00%二0.0074/0.03460二21.39%l0

圖17集電極直流電流I=3.5971mAU=750mVU=10.3190VU=12VR二2KQc0 bm cm cc L圖18輸出電壓P=IxU=3.5971mAx12V=0.04316W0c0ccP=U2/(2xR)=10.3190*10.3190/2/2000=0.0267W1cm LP/Px100％=0.0267/0.0416=67.9％103.8735mA用W￡1111Settings+圖19集電極直流電流I=3.6735mA U=900mV U=10.2286V R二2KQc0 bm cm LU=12Vcc圖20輸出電壓P=IxU=3.6735mAx12V=0.04408W0c0ccP=U2/(2xR)二10.2286x10.2286/2/2000二0.0216W1cm LP/Px100%二0.0216/0.04408二49.01%103.3.4當(dāng)電源電壓改變時(shí)對(duì)電路的影響當(dāng)電源電壓為25V時(shí)，電路處于欠壓狀態(tài)：|麗HZ 性nw圖21輸入電壓及集電極電流I=7.1196I=7.1196mAU=350mVU=21.2056VR二2KQU=25Vc0 bm cm L cc圖22輸出電壓P=IxU=7.1196mAx25V=0.17799W0c0ccP=U2/(2xR)=21.2056x21.2056/2/2000=0.1124W1cm LP/Px100％=0.1124/0.17799=63.15％10當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，電路處于臨界狀態(tài):圖23輸入電壓及集電極直流電流/0圖23輸入電壓及集電極直流電流/0=3.1957mA U?=350mVu二10.14V R=2KQ U二12Vc0 bmcm L cc圖24輸出電壓P=IxU=3.1957mAx12V=0.03835W0 c0 ccP二U2/(2xR)二10.14x10.14/2/2000二0.2570W1cm LP/Px100%二0.02570/0.03835二67.03%10當(dāng)電源電壓為4V時(shí)，電路處于過(guò)壓狀態(tài)：圖25輸入電壓及直流電流I=0.8167mAU=350mVu=2.8168VU=4VR=2KQc0 bm cm cc L1E8.5^82jasT2LES. MS1E8.5^82jasT2LES. MST2-T1as.5396ns2斗號(hào).57?斗nV沁-S3S.8218円V沁W?1-683■斗011nk-1-2.EG1/. J\.?22.8163UE.3979QTriggerACF：educeSaveTimebaseKposition|aoo

Level|CLoa

CharinelW2MFW卩DlfYposition|0.00AC

ChannelB2WDlfYposition|0.03D|DC|圖26輸出電壓P=IxU=0.8167mAx4V=0.00327W0 c0 ccP=U2/(2xR)二2.8168x2.8168/2/2000二0.00198W1cm LP/Px100％=0.00198/0.00327=59.23％103.3.5輸入仿真和輸出仿真1￡.?□5&m=TJE.70E?EsT2-T1153E斗呂己n=3.7611 VW(23.7611 V15.905?pWTimebaftTrigger曰口皂 S32tJCharnelAChannelDR^iiicelOjXrAlu|￡V.*TIlu|<5W/DIuXposhlon|nnoLevel|njoYposltlcri|DJOOYpoerrlfl仃|DERexierss-j-E1E1I1.QI[aeI.isa圖36LC諧振功放的輸出波形中心頻率、通頻帶、放大倍數(shù)的計(jì)算中心頻率Untitled.ewb30-1?-108-154-20010a10010KIMZOOMlOOQMIMZOOMlOOQMPiequency(Hz)Phase[deg]圖37LC諧振功放的輸出波特圖

xl41.^631Y--230.57B6滋ys丄3?3d^-3Mdy2&呂.3^331/dx7^.3358n1/dy3.7901mir.inx■5.0000mmaxx?50J.0O0OMminy-452.619Bmaxy33.2652圖38LC諧振功放的輸出波特參數(shù)所以：中心頻率為13.3448MHz放大倍數(shù)圖39LC諧振功放的輸入輸出電壓輸入電壓為350mv，輸出電壓為10.2214v放大倍數(shù)Au=10.2214v/350mv=29.21通頻帶Untitled.ewb(HP)看己(co豈Frequency(Hz)圖40LC諧振功放的輸出波特圖Al工5?€732M￡□?555^12?5317M30.4129dx-3.0575M-142.4302m1/dx-323.S8-60:n1/dy-7.0135ir.inx5.OOCOmmaxxSOO.00C0Mir.i^Ly-452.^155in遼兀y33?26-5：圖41LC諧振功放的輸出波特參數(shù)通頻帶B=X1-X2=15.6792M-12.5917M=2.08M心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)高頻電路中放大器這部分知識(shí)的應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)高頻放大器，進(jìn)一步將理論轉(zhuǎn)化成實(shí)踐，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論。本次課程設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)一個(gè)丙類諧振功率放大器。通過(guò)分析最大輸出功率與輸出阻抗的關(guān)系從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而確定電路中的個(gè)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出丙類諧振放大器的電路圖。在設(shè)計(jì)完電路之后，再用EWB去仿真設(shè)計(jì)完的電路，通過(guò)觀察輸出的電壓的波形與幅值進(jìn)一步求出輸出功率，驗(yàn)證是否與理論值相一致。通過(guò)觀察不同輸出電阻時(shí)的輸出功率，來(lái)了解輸出電阻對(duì)輸出功率的影響，并驗(yàn)證理論當(dāng)中輸出負(fù)載對(duì)輸出功率的影響。