高頻LC振動電路

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。晶體管作為一個電流控制器件，它在較小的激勵信號電壓作用下，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)時發(fā)射結(jié)為反偏。此時輸入激勵信號應(yīng)為大信號，一般在0.5V以上，可達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^程中起開關(guān)控制作用。線路特點：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來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)榻涣餍盘柟β蔖輸出去，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)下的動態(tài)特性曲線；根據(jù)激勵電壓U的大小在特性曲線上畫出對應(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，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、激勵電壓u、供電電壓U,U等4個參量決定的。LbCCBB如果U,U,u3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻RCCBBbL決定。此時，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。所謂動態(tài)特性是和靜態(tài)特性相對應(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)：集電極最大點電流在臨界線的右方過壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區(qū)臨界工作狀態(tài)：欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點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、激勵電壓U、供電電壓U、U4個外部變LbccBB量會影響放大器的工作狀態(tài)、功率及效率等。對應(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)計實驗電路參數(shù)計算晶體管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)計電路高頻諧振功率放大器電路的仿真與分析3.1EWB軟件簡介隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)，使得電子線路的設(shè)計人員能在計算機上完成電路的功能設(shè)計、邏輯設(shè)計、性能分析、時序測試直至印刷電路板的自動設(shè)計。EDA是在計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機設(shè)計軟件系統(tǒng)。與早期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動化程度更高、功能更完善、運行速度更快,而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性。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臺軟件，它具有這樣一些特點：采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，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取；軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結(jié)果。EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。作為設(shè)計工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。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行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。用EWB進行仿真模擬實驗，實驗過程非常接近實際操作的效果。各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會象實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)試測量工具：各種電壓表、電流表、示波器、指示器、分析儀等。是一個全開放性的仿真實驗和課件制作平臺,給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。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。因此非常適合電子類課程的教學(xué)和實驗。這次課程設(shè)計，我們將了解EWB軟件的初步知識和基本操作方法。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 匡］圖9主窗口自定義庫基本元件庫晶體管庫混和集成電路邏輯門電路指示器件庫其它器件庫自定義庫基本元件庫晶體管庫混和集成電路邏輯門電路指示器件庫其它器件庫圖10元件庫圖11基本器件庫<￡電壓涼電」屯一M電葉脣屯_濮電計盲屯比頰交嘯屯注蓿直報屯請圖12信號源庫電濁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發(fā)生器波特圖儀示波器函數(shù)信號發(fā)生器數(shù)字參用表圖14儀器庫「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EWB軟件對丙類功放的仿真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，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，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輸入電壓改變時對電路的影響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)電源電壓改變時對電路的影響當(dāng)電源電壓為25V時，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，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，電路處于過壓狀態(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.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心得體會這次課程設(shè)計主要是對高頻電路中放大器這部分知識的應(yīng)用。通過設(shè)計高頻放大器，進一步將理論轉(zhuǎn)化成實踐，并在實踐中檢驗理論。本次課程設(shè)計，是設(shè)計一個丙類諧振功率放大器。通過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)，進而確定電路中的個參數(shù)，從而設(shè)計出丙類諧振放大器的電路圖。在設(shè)計完電路之后，再用EWB去仿真設(shè)計完的電路，通過觀察輸出的電壓的波形與幅值進一步求出輸出功率，驗證是否與理論值相一致。通過觀察不同輸出電阻時的輸出功率，來了解輸出電阻對輸出功率的影響，并驗證理論當(dāng)中輸出負(fù)載對輸出功率的影響。