高頻電子線路課程設(shè)計(jì)--高頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2012年 2月 24日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　課程 高頻電子線路</p><p>　　題目 高頻功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　專(zhuān)業(yè) 電子信息工程 姓

2、名 學(xué)號(hào) </p><p>　　主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等</p><p><b>　　1、主要內(nèi)容</b></p><p>　　利用所學(xué)的高頻電路知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)高頻功率放大器。通過(guò)本次電路設(shè)計(jì)，掌握高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)方法、電路調(diào)諧及測(cè)試技術(shù)。加深對(duì)高頻電子線路課程理論知

3、識(shí)的理解，提高電路設(shè)計(jì)及電子實(shí)踐能力。</p><p><b>　　2、基本要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)高頻功率放大器，主要技術(shù)指標(biāo)為：</p><p>　　(1) 工作中心頻率；</p><p><b>　　(2) 輸出功率；</b></p><p><

4、b>　　(3) 負(fù)載電阻；</b></p><p><b>　　(4) 效率。</b></p><p><b>　　3、主要參考資料</b></p><p>　　[1] 陽(yáng)昌漢. 高頻電子線路. 哈爾濱：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[2] 張肅文，陸兆雄. 高頻

5、電子線路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993.</p><p>　　[3] 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.</p><p>　　[4] 高吉祥. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　完成期限 2月20日-2月24日 </p><

6、;p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　2012 年 2 月 17 日</p><p><b>　　一、電路基本原理</b></p><p><b>　　1.選題背景</b><

7、/p><p>　　無(wú)線電通信的任務(wù)是傳送信息。為了有效的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，通常是用要傳送的信息對(duì)叫高頻率的載頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅或調(diào)頻，經(jīng)過(guò)高頻功率放大達(dá)到較大功率，再通過(guò)天線輻射出去。高頻功率放大器的功能是用小功率的高頻輸入信號(hào)去控制高頻功率放大器，將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率的高頻能量輸出，它是無(wú)線電發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。高頻功率放大器不僅僅應(yīng)用于各種類(lèi)型的發(fā)射機(jī)中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設(shè)

8、備中都得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　2.工作原理</b></p><p>　　在通信電路中，高頻功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)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(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi)等，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(lèi)、丙類(lèi)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?chē)?yán)重的非線性失真。低頻

9、功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)很大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類(lèi)狀態(tài)；采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類(lèi)狀態(tài)；高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類(lèi)狀態(tài)，通過(guò)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。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍，電流導(dǎo)通角越小，放大器的效率越高?；谶@一特點(diǎn)，高頻功率放大器

10、一般都工作在丙類(lèi)狀態(tài)。</p><p>　　丙類(lèi)功率放大器在直流電源、偏置電壓、輸入電壓，晶體管和諧振于的并聯(lián)諧振回路的諧振電阻確定的條件下，放大器各級(jí)電壓的關(guān)系如圖1所示。</p><p>　　圖1 各級(jí)電壓與電流波形</p><p>　　圖(a)是由晶體管的正向傳輸特性，在和的作用下，產(chǎn)生的為余弦脈沖狀電流。只有當(dāng)大于晶體管電壓才能產(chǎn)生電流。</p>

11、<p>　　圖(b)是在作用下產(chǎn)生和均為余弦脈沖狀。高頻功率放大器的諧振回路調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率，則輸出電壓為電流脈沖的基波分量與回路諧振電阻的乘積，晶體管ce間的電壓為。</p><p><b>　　3.主要技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　輸出功率：放大器的負(fù)載上得到的最大不失真功率。</p><p>　　效率：高頻輸出功率

12、與直流供給輸入功率的比值，也就是能量轉(zhuǎn)換的效率。</p><p>　　功率增益：高頻輸出功率和信號(hào)輸入功率的比值。</p><p>　　諧波抑制度：是對(duì)非線性高頻功率放大器而提出的，表示諧波回路的選頻好壞，也就是諧波分量對(duì)于基波分量越小越好。</p><p>　　非線性失真：對(duì)線性功率放大器而言，是器件的非線性引起的，它是希望諧振分量相對(duì)于基波分量越小越好。<

13、/p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　1.電路原理圖</b></p><p><b>　　圖2 電路原理圖</b></p><p>　　利用寬帶變壓器作耦合回路的功放稱(chēng)為寬帶功放。常用寬帶變壓器有用高頻磁芯繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功

14、放不需要調(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作為發(fā)射機(jī)的中間級(jí)，以提供較大的激勵(lì)功率。 </p><p>　　在高頻電路中，利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功放稱(chēng)為諧振功放。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角θc（0—π）的范圍可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi)和丁類(lèi)等功放。電流導(dǎo)通角θc越小放大器的效率越高。如丙類(lèi)功放的θc小于90°， 丙類(lèi)功放通常作為發(fā)射機(jī)的末級(jí)，以獲得較大的輸出功率和

15、較高的功率。</p><p>　　諧振功率放大器的特點(diǎn)： </p><p>　?。?） 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 </p><p>　?。?） 輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。 </p><p>　　（3） 基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類(lèi)狀態(tài)。 &

16、lt;/p><p>　　（4） 輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過(guò)放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。</p><p>　　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，諧振回路LC是晶體管的負(fù)載。</p><p>　　由于晶體管工作在丙類(lèi)狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個(gè)周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級(jí)數(shù)可知，一個(gè)周期性函數(shù)可以分解為許多余弦波（或正弦波）的疊加

17、。可以將電流分解，如公式（1.1）。 </p><p><b>　　(1.1)</b></p><p><b>　　2.元件參數(shù)確定</b></p><p>　　2.1丙類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　確定功放的工作狀態(tài)丙類(lèi)高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過(guò)壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率

18、低，而過(guò)壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)。</p><p>　　丙類(lèi)功放θc =60°—90°，這里為方便計(jì)算，設(shè)θc =70°?？傻眉姌O電流余弦脈沖直流ICO系數(shù)α0(70°) =0.25，集電極電流余弦脈沖基波ICM1系數(shù)α1(70°)= 0.44。設(shè)功放的輸出功率為0.5W。</p><p&

19、gt;　?。?）集電極參數(shù)計(jì)算</p><p>　　集電極電流脈沖的直流分量：ICO=ICmax*α0(θc)=216*0.25=54mA</p><p>　　電源提供的直流功率： PD=VCCICO=12V*54mA= 0.65w </p><p>　　集電極的耗散功率： PC=PD-PO=0.65w-0.5w=0.15w</

20、p><p>　　集電極的效率： η=PO/PD=0.5/0.65=77%</p><p><b>　?。?）基極參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　基極基波電流的振幅 IB1m=IBm*α1(70°)=9.5mA</p><p>　　基極輸入的電壓振幅 VBm=2

21、Pi/IB1m=5.3V</p><p>　?。?）電源去耦濾波元件選擇</p><p>　　高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π型LC低通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗(yàn)取50—100uH，濾波電感一般取0.01uf。</p><p>　　圖3 丙類(lèi)功率放大器</p><p>　　2.2甲類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>

22、　　依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器。</p><p>　　（1）設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)</p><p>　　由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流ICQ一般0.8—2mA之間選取為宜。</p><p>　　設(shè)計(jì)電路中取： Ic=1.5mA ； Re=1KΩ</p><p>　　可

23、得重要參數(shù)： VBQ=VEQ+VBEQ=1.5V+0.7V=2.2V</p><p>　　VCEQ=VCC-VEQ=12V-1.5V=10.5V</p><p>　　Rb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3mA=7.3 KΩ</p><p>　?。?）諧振回路參數(shù)計(jì)算</p><p>　　回路總電容： CZ=1/[(2πf0) 2

24、L]=150.35pf</p><p>　　回路電容： C=CZ-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf</p><p>　　（3）確定其它電容參數(shù)</p><p>　　耦合電容C1、C2的值，可在1000 pf—0.01uf之間選擇 ，一般用瓷片電容。旁路電容Ce 、C3、C4的取值一般為0.01—1uf。</p&

25、gt;<p>　　通過(guò)選定基極偏置電阻值等方面使晶體管Q1工作在甲類(lèi)狀態(tài)，其中L1、L2、C3、C4、R5構(gòu)成選頻回路，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電容C3使調(diào)諧回路選出與輸入信號(hào)源相同的頻率，在調(diào)諧回路中并聯(lián)一電阻R，減小回路品質(zhì)因數(shù)從而加寬通頻帶。</p><p>　　為了提高增益，本次電路采用了兩級(jí)甲類(lèi)放大。選頻回路參數(shù)選擇一致。采用級(jí)聯(lián)的方式是犧牲通頻帶來(lái)?yè)Q取高的電壓增益的。</p><

26、p><b>　　圖4甲類(lèi)功率放大器</b></p><p>　　三、電路調(diào)試與仿真分析</p><p><b>　　1.仿真圖</b></p><p><b>　　圖5 仿真電路圖</b></p><p><b>　　2.仿真分析</b></p

27、><p>　　由于高頻放大器由甲類(lèi)，丙類(lèi)混合組成。實(shí)驗(yàn)需要將仿真測(cè)試電路主機(jī)調(diào)試，直到出現(xiàn)穩(wěn)定，理想的正弦波為止。 </p><p>　　在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號(hào)參數(shù)就會(huì)影響輸出波形質(zhì)量，經(jīng)與同學(xué)討論可能有以下兩方面原因：一方面可能是靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置問(wèn)題，這就需要對(duì)電路再進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量分析；另一方面可能是選頻、濾波回路L、C等參數(shù)設(shè)置的影響，這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。 &l

28、t;/p><p>　　由仿真結(jié)果及觀察波形可知，所設(shè)計(jì)的高頻功率放大器基本滿足了設(shè)計(jì)任務(wù)要求。經(jīng)過(guò)甲類(lèi)放大器后電壓幅值增大了，最終輸出也大大提高了輸出功率，因此也驗(yàn)證了理論知識(shí)的正確性和設(shè)計(jì)方法的可行性。</p><p><b>　　圖6 仿真波形</b></p><p><b>　　四、總結(jié)及體會(huì)</b></p>

29、<p>　　高頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，通過(guò)本次設(shè)計(jì)電路，使我更深刻的認(rèn)識(shí)了，高頻功率放大器的工作原理，負(fù)載阻抗、輸入激勵(lì)電壓、電源電壓等對(duì)高頻諧振功率放大器工作狀態(tài)的影響；復(fù)習(xí)了對(duì)高頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法，并且對(duì)高頻諧振功率放大器的調(diào)諧、調(diào)整和主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法有了新的認(rèn)識(shí)，使我受益匪淺。本課題采用高頻電路知識(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能，在專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)的老師精心教導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)自己認(rèn)真地分析、實(shí)踐，確立方案，書(shū)寫(xiě)文檔

30、，在設(shè)計(jì)過(guò)程中翻閱了大量資料，通過(guò)對(duì)所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過(guò)對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會(huì)了設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)政策；通過(guò)對(duì)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題的分析與解決，鍛煉了獨(dú)立分析，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力；通過(guò)對(duì)電路設(shè)計(jì)中的某些問(wèn)題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力。這次課程設(shè)計(jì)使我掌握了很多實(shí)踐知識(shí)，在老師和同學(xué)的幫助下對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有了進(jìn)一步的了解。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

31、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)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，進(jìn)而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陽(yáng)昌漢. 高頻電子線路. 哈爾濱：高等教育出版社，2006</p><p>　　[2] 張肅文，陸兆雄. 高頻電子線路(第三

32、版). 北京：高等教育出版社，1993</p><p>　　[3] 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000</p><p>　　[4] 高吉祥. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[5] 童詩(shī)白.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第一至第三冊(cè)）.北京：人民教育出版社，1961-1963