高頻課程設(shè)計資料

1、 2015 2016學(xué)年 第 1 學(xué)期高頻電子線路課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 高頻諧振功率放大器的設(shè)計 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)院 2015 年 12月12日任務(wù)書課題名稱高頻諧振功率放大器的設(shè)計指導(dǎo)教師（職稱） 執(zhí)行時間20152016學(xué)年第1學(xué)期 第14周學(xué)生姓名學(xué)號承擔(dān)任務(wù)系統(tǒng)電路設(shè)計及協(xié)調(diào)電路原理分析電路原理分析硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計畫電路圖及仿真設(shè)計目的1、 了解丙類功率放大器的工作原理；2、 掌握丙類功率放大器的分析方法；3、 熟悉丙類功率放大器的三種工作狀態(tài)；4、 掌握簡單的高頻諧振功率放大器的設(shè)計。設(shè)計要求1、采用晶體管完成一個高

2、頻諧振功率放大器的設(shè)計；2、電源電壓Vcc12V；3、工作頻率f06MHz； 4、負載電阻R75時，輸出功率P0100Mw，效率>60；5、完成課程設(shè)計報告摘 要高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，而且通信距離越遠，要求輸出功率越大。所以為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。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)作為負載回路。  本次課設(shè)報告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，然后在性能指標分析基礎(chǔ)上進行單元電路設(shè)計，

3、最后設(shè)計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進行分析，最后總結(jié)課設(shè)體會。 關(guān)鍵詞：高頻諧振功率放大器;諧振回路;耦合回路;工作狀態(tài)目 錄高頻電子線路1任務(wù)書2摘 要3目 錄3第一章 高頻功率放大器簡介41.1 高頻功率放大器的分類51.2 高頻功率放大器的主要技術(shù)指標51.3 功率放大器的三種工作狀態(tài)61.4 高頻功率放大器的分析方法7第二章 放大器電路分析82.1 諧振功放基本電路組成82.2 集電極電流余弦脈沖分解92.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性102.3.1 諧振功放的三種工作狀態(tài)102.3.2 諧振功率放大器的外部特性112.3.2

4、.1 負載特性112.3.2.2 集電極調(diào)制特性122.3.2.3 基極調(diào)制特性132.3.2.4 放大特性13第三章 單元電路的設(shè)計143.1丙類功率放大器的設(shè)計14放大器工作狀態(tài)的確定143.1.2 諧振回路和耦合回路參數(shù)計算153.2甲類功率放大器的設(shè)計15電路性能參數(shù)計算153.2.2 靜態(tài)工作點計算163.3 電路原理圖17第四章 課程設(shè)計心得體會17參考文獻18答辯記錄及評分表19第一章 高頻功率放大器簡介在通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大。為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無

5、線電發(fā)射沒備的重要組成部分。在無線電信號發(fā)射過程中，發(fā)射機的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號功率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大，如緩沖級、中間放大級、末級功率放大級等，獲得足夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。這里提到的放大級都屬于高頻功率放大器的范疇。實際上高頻功率放大器不僅僅應(yīng)用于各種類型的發(fā)射機中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)用。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000Hz，高

6、低頻率之比達1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺（5351605kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10kHz，如中心頻為1000kHz，則相對頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此， 高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。1.1 高頻功率放大器的分類 高頻功率放

7、大器按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器寬；帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。 諧振功率放大器的特點： 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 輸出端負載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。 基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出

8、電壓是余弦脈沖波形。1.2 高頻功率放大器的主要技術(shù)指標 高頻功率放大器的主要技術(shù)指標有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度等。這幾項指標要求是互相矛盾的，在設(shè)計放大器時應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標，兼顧其他一些指標。例如，對于發(fā)射機的輸出級，其特點是希望輸出功率最高，對應(yīng)的效率不一定會最高；對于單邊帶發(fā)射機，則要求功率放大器非線性失真盡可能小，也就是諧波抑制度是設(shè)計的主要問題。顯然，在這類功率放大器中，效率是不很高的。1.3 功率放大器的三種工作狀態(tài)高頻功率放大器的效率是一個突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等，

9、圖1-1為甲、乙、丙三種狀態(tài)時的晶體管集電極電流波形。表1-1為甲、乙、丙三種工作狀態(tài)的特點。提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態(tài)，但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)很大，不能采用諧振回路作負載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；采用推挽電路時可以工作在乙類狀態(tài)；高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負載，故通常工作在丙類狀態(tài)，通過諧振回路的選頻作用，可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。表1-3-1 不同工作

10、狀態(tài)時放大器的特點工作狀態(tài)半導(dǎo)通角理性效率負載應(yīng)用甲類c=180°50%電阻低頻乙類 c=90°785%推挽，回路低頻，高頻 甲乙類90°< c<180°50%<<78.5%推挽 低頻 丙類c<90°>78.5% 選頻回路 高頻丁類開關(guān)狀態(tài) 90%100%選頻回路高頻 UiUiUi000ttticicic000ttt=/2=</2甲類 乙類丙類圖1-3-1 放大器的三種工作狀態(tài)1.4 高頻功率放大器的分析方法 高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普

11、遍采用解析近似分析方法折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計算準確度較低。所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進行分析和計算的方法。對諧振功率放大器進行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量IC0和基頻分量Icm1。臨界線gcr根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。如圖為晶體管實際特性和理想折線。欠壓區(qū)過壓區(qū)gc理想化折線（虛線）eb0VBZ0Ec 圖1-4-1 晶體管實際特性和理想折線第二章 放大器電路分析 2.1 諧振功放基本電路組成 如圖2-1-1所示為高

12、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，只有在激勵信號為正值的一段時間內(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是晶體管的負載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。圖2-1-1 高頻功率放大器基本電路圖2-1-2為諧振功率放大器各級電壓和電流波形。2.2 集電極電流余弦脈沖分解當(dāng)晶體管特性曲線理想化后

13、，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)。 晶體管的內(nèi)部特性為：ic =gc(eb VBZ) 它的外部電路關(guān)系式：eb= VBB +Vbmcost ec =VCC Vcmcost 當(dāng)t=0時，ic = ic max因此，icmax=gc Vbm(1cosc)若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得ic =Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+Icmncosnt+由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得：Ic0=iCmax0（c）Icm1=iCmax1（c）Icmn=iCmaxn（c）其中0（c）=(sin c- ccosc)/ (1- cos

14、c)1（c）=( c- coscsin c)/ (1- cosc)n（c）=2(sin nccosc-ncos ncsin c)/n(n2-1)( 1- cosc)圖2-2-1 尖頂脈沖的分解系數(shù)由圖2-2-1可見，當(dāng)c120°時，Icm1/ICmax達到最大值。在ICmax與負載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達到最大值。這樣看來，取c=120°應(yīng)該是最佳通角了。但此時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。2.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性2.3.1 諧振功放的三種工作狀態(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

15、大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：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)： 是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。如圖2-3-1為電壓、電流隨負載變化的波形圖。圖2-3-1 電壓、電流隨負載變化波形高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗Rp、激勵電壓Vb、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。2.3.2 諧振功率放大器的外部特性2.3.2.1 負載特性如果VCC、VBB、Vb 這幾個參變量不變，則放大器的工作

16、狀態(tài)就由負載電阻R 決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。 欠壓狀態(tài)：B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R* Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。臨界狀態(tài)：負載線和Ebmax正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損 耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個狀態(tài)。 過壓狀態(tài)：放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載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。圖2-3-2 諧振放大器的負載特性2.3

17、.2.2 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2-3-3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的動態(tài)點必定在VBEVBEmax的那條特性曲線上移動；當(dāng)VCC由大減小時，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進入過壓，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。圖2-3-3 諧振放大的集電極調(diào)制特性2.3.2.3 基極調(diào)制特性基極調(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2-3-4所示。當(dāng)Vbm一定， VBB自負值向正方向增大，集電極

18、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，放大器由欠壓進入過壓狀態(tài)。圖2-3-4 諧振放大器的基極調(diào)制特性2.3.2.4 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2-3-5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)有欠壓進入過壓；進入過壓后，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，凹陷加深。圖2-3-5 諧振放大器的放大特性第三章 單元電路的設(shè)計 3.1丙類功率放

19、大器的設(shè)計 3.1.1放大器工作狀態(tài)的確定因為要求獲得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°(1（70°）=0.436,0（70°=0.253),輸出電壓UL=2.804V，負載RL=75，則輸出功率：PO=U2L/RL=157mW集電極基波電流振幅：IC1m=UCM/RP=37.39mA集電極電流最大值為：Icm=Ic1m/1（70°）=85.75mA其直流分量為：Ic0=Icm*0（70°）=43.578*0.253=21.69mA電源供給的直流功率為：PD=UCC*IC0=260.33mW轉(zhuǎn)換效率為：=Po/PD=

20、157/260.3360.3%當(dāng)本級增益Ap=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流=10時，有輸入功率為：P1=P/A=5mW基極余弦電流最大值為：IBM=ICM/4.36Ma基極基波電流振幅：IB1M=IBM×1（70°)=4.36×0.436=1.9mA所以輸出電壓的振幅為：UBM=2P1/IB1M5.3V 諧振回路和耦合回路參數(shù)計算丙類功放輸入、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:Z1=Rbb/(1-cos) ×1（）=25/(1-cos70°)0.436 87.1則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：N

21、3/N1=（RL/R0)1/20.37在這里，我們假設(shè)取N3=3和N1=8，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則L=(1/2f0)2/C7.036H采用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因為有:L=4() ×(A)cm2/(l)cm ×N22×10-3其中 =100H/m，Amm2, l=25mm, L=7.036H所以計算得N=73.2甲類功率放大器的設(shè)計 3.2.1電路性能參數(shù)計算 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輸出負載等于丙類功放輸入阻抗，即：RH=Z1=87.1設(shè)甲類功

22、率放大器為電路的激勵級電路，變壓器效率b取0.8，則集電極輸出功率：PC=PH/b6.25mW若取放大器的靜態(tài)電流ICC=ICM=5mA，則集電極電壓振幅：UCM=2PC/ICM=2.5V最佳負載電阻為：RH=UCM2/2Pc=0.5k則射極直流負反饋電阻:RE1=UCC-UCM-UCES/Icq1780(IcqICM)則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：N1/N2=(RH b/R0)1/22本級功放采用3DG12晶體管，取=30，A=13dB即20倍放大數(shù)，則輸入功率：Pi=P0/ A=0.3125mW放大器輸入阻抗：Ri=Rbb+*R3=25+30R3若取交流負反饋電阻R3=10，則Ri=335,所

23、以本級輸入電壓：Uim=(2RiPi)1/20.46V 靜態(tài)工作點計算 綜上可知Ui=0時，晶體管射極電位UEQ =ICQ×RE1=8.9VUEQ =9.5VIBQ=ICQ/=0.17mA若積極偏置電流I1=5 IBQ，則R2=UBQ/5 IBQ11.2k所以，有R1=Ucc-Ub0×R2/Ub02.95k3.3 電路原理圖 圖3-3-1 功率放大器電路圖如圖3-3-1 為高頻諧振功率放大器的總體電路圖。圖3-3-2 輸出電壓圖3-3-3 輸入信號波形圖3-3-4 輸出信號波形第四章 課程設(shè)計心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題、鍛煉

24、實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。這次的高頻課程設(shè)計，加深了我對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計能力和基本調(diào)試能力 。 回顧起此次高頻課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正學(xué)到屬于自己的知識，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到的問題，可以說得是多如牛毛，因為基礎(chǔ)不牢固，再加上缺乏實際設(shè)計及動手的經(jīng)驗，所以難免會遇到過各種各樣的問題。同時在設(shè)計的過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多的不足之處，比如說發(fā)現(xiàn)自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。不過，這次實驗的最大收獲就是鍛煉了我獨立思考的能力，由于參數(shù)的計算有點復(fù)雜，需要自己獨立思考各