丙类高频功率放大器课程设计要点.pdf

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1、高频电子线路课程设计报告 题目：丙类功率放大器 院系： 专业：电子信息科学与技术 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 报告成绩： 2013 年 12 月 20 日 目录 一、设计目的 1 二、设计思路 1 三、设计过程 2 3.1 、系统方案论证 3.1.1 丙类谐振功率放大器电路 3.2 、模块电路设计 3.2.1 丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路 3.2.2 丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路 3.2.3 匹配网络 3.2.4 VBB 、Vcm 、Vbm 、VCC 对丙类谐振功率放大器性能影响分析 四、整体电路与系统调试及仿真结果11 4.1 电路设计与分析 4.2. 仿真与

2、模拟 4.2.1 Multisim 简介 4.2.2 基于 Multisim电路仿真用例 五、主要元器件与设备14 5.1 晶体管的选择 5.1.2 判别三极管类型和三个电极的方法 5.2 电容的选择 六、课程设计体会与建议17 6.1 、设计体会 6.2 、设计建议 七、结论18 八、参考文献19 1 一、设计目的 电子技术迅猛发展。 由分立元件发展到集成电路，中小规模集成电路，大规 模集成电路和超大规模集成电路。 基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单 元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器在当今和未来社会中的作 用日益增加。 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电

3、路中， 为了弥补信 号在无线传输过程中的衰耗，要求发射机具有较大的输出功率，而且，通信距离 越远，要求输出功率越大。所以，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高 频功率放大器。 高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。丙类谐振功 率放大器在人类生活中得到了广泛的应用，而且能高效率的将电源供给的直流能 量转换为高频交流输出，研究它具有很高的社会价值。 设计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真，以及对丙类谐振功率放大器 发展的展望。 二、设计思路 丙类谐振功率放大器工作原理 图 2-2-1 为丙类谐振功率放大器原理图, 为实现丙类工作 , 基极偏置电压VBB 应设置在功率的截止区。 输入回

4、路 由于功率管处于截止状态，基极偏置电压VBB作为结外电场，无法克服结内 电场，没有达到晶体管门坎电压，从而，导致输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度 小于 90 o。 由 iCiB知，iC也严重失真，且脉宽小于90 o。 输出回路 若忽略晶体管的基区宽度调制效应以及结电容影响, 在静态转移特性曲线 (i CVBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列, 脉冲宽度小于半 个周期。 2 图 2-2-1 丙类谐振功率放大器原理图 由 Dirichlet收敛定理可知 , 可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分 量和各次谐波分量之和 , 即 iC =ICO + Ic1mcosSt+ Ic2m

5、cos2 St+ 由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现 的阻抗很大，且为纯电阻。而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略， 这样，在负载上得到了所需的不失真的信号功率。 三、设计过程 3.1 系统方案论证 3.1.1丙类谐振功率放大器电路 在放大器原理上， 功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主 要是安全、高效和不失真（失真在允许范围内）地输出所需信号功率，为高效率 输出信号且不失真（或失真在允许的范围内），通常采用丙类谐振功率放大器。 本章主要介绍丙类谐振功率放大器的电路组成和工作原理并对各种状态进行分 析。 在丙类谐振功率放大器中，管外电路由

6、直流馈电电路和自给偏自电路两部 分组成。如图3-1-1 所示为集电极直流馈电电路（串馈） ，图中， LC为高频扼流 圈, 它与 CC构成电源滤波电路 , 需要在信号频率上， LC的感抗很大，接近于开路， 3 CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈，造成 工作不稳定。 由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅, 因此, 在基极通常采用自给偏置电路, 如图 3-1-2 所示，提高的偏置电压是由基极 电流脉冲 iB中的平均分量 IBO在高频扼流圈 LB中固有直流电阻上产生的压降，电 路中 LB为功率管基极电路提供直流通路。 滤波匹配网络介于晶体管和

7、外接负载之 间, 充分滤除不需要的高次谐波, 以保证负载上的输出基波功率。 图 3-1-1 集电极直流馈电电路（串馈） 图 3-1-2 自给偏置电路 图 3-1-3 为丙类谐振功率放大器的简单基本电路, 输入端采用自给偏置电路, 输出端为集电极直流馈电电路( 串馈)。 4 图 3-1-3 丙类谐振功率放大器的简单基本电路 3.2 模块电路设计 3.2.1 丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路 我们知道 , 丙类谐振功率放大器输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电 压，采用这种方式可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出的作用。但要注 意, 存在自给偏置电路的丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号

8、( 载波、调频信号 ) 而不适宜放大调幅信号，否则调幅信号包络将会失真。 常用的基极偏置电路见图3-2-1( 输出回路均以略去 ) 所示。 图 3-2-1 基极偏置电路 现分析基极偏置电压是怎样产生的, 如图 3-2-1 （b）所示，当电源 V1电压处 5 在正半周期且电压振幅大于PN结门坎电压时，基极导通，此时，记流经C2的电 流为 i1，一个周期内的其他时间处于截止状态，此时，记流经C1的电流为 i2 。 显而易见，基极导通时流经C2的电流 i1大于截止时的电流i2，即 i1i2。C2两 端的电压关系为 U i1U i2. 由于基极相对于地的电压波形为正半周期幅度小于负 半周期幅度 , 由

9、傅里叶级数可知，它的平均分量为负，使功率管发射结正偏，处 于截止状态。 3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路 集电极直流馈电电路有两种连接方式: 串馈和并馈。所谓串馈是指 , 将直流电 源、匹配网络和放大管串接起来的一种方式。如图 3-2-2(a) 所示, 图中 LC为高频 扼流圈 ,CC为电源滤波器 ,ZL为电抗。要求 LC对信号频率的感抗很大 , 接近开路 , CC 的容抗很小 , 接近短路 , 是为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定。 图 3-2-2(a) 串馈电路、图 3-2-2 （b）并馈电路 并馈电路是把直流电源、 匹配网络和放大器并接起来的一种馈电方式，如图

10、2-4-2 （b）所示，图中LC为高频扼流圈， CC1为隔值电容， CC2为电源滤波电容， 要求 LC对信号频率的感抗很大，接近开路， CC1和 CC2的电容很小 , 接近短路。 3.2.3 匹配网络 6 匹配网络介于晶体管和负载之间，在丙类谐振功率放大器电路中的作用非 常重要，具有阻抗转换、滤除高次谐波和高频率传送能量的作用。 3.2.4 VBB、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析 1 负载特性 所谓谐振功率放大器的负载特性是指VBB、Vbm和 VCC一定，放大器性能随 Re 变化的特性。 利用准静态分析法对负载特性进行分析，画出电路的特性曲线，如图3-2-3 所示。由图

11、 3-2-3 看以看出 , 当 A沿 UBE0曲线由右向左移动 ( 即 A AA ， ， ， 方向移动 )时，电路状态将发生变化，曲线较陡，近似直线斜率绝对值较大， 从而， Re较小；曲线较缓，近似直线斜率绝对值较小，因此，Re较大. 所以, 在 A AA ， ， ，移动的过程中 Re由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状 态，相应的 iC由余弦变化脉冲变为中间凹陷的脉冲波，用傅里叶级数将电流脉 冲 iC分解，即 iC =ICO + Ic1mcosSt+ Ic2m cos2 St+， 可画出 ICO和 Ic1m随 Re变化特性 , 如图 3-2-4 所示。 由 Vcm=Ic1mRe,Po=I2

12、c1mRe/2,PD=VCCICO，PC= PD- Po , C= Po /(PD + Po) ，可画出 Vcm、Po、PD、PC、C随 Re变化曲线 , 如图 3-2-5 所示。 7 图 3-2-3 谐振功率放大器电路特性曲线 图 3-2-4 I CO和 Ic1m随 Re变化特性 8 图 3-2-5 Vcm、Po、PD、PC、C随 Re变化曲线 2 调制特性 集电极调制特性是指VBB、Vbm和 Re一定，放大器性能随 VCC变化的特性， 当 VCC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，iC波形也将由接近余弦变 化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波，如图3-2-6 所示。 基极调制特性是指V

13、CC、Vbm和 Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。当 Vbm 一定 , VBB自负值向正值方向增大时, 集电极电流脉冲不仅宽度增大, 而且高度增 加，放大器由欠压状态进入过压状态，如图3-2-7 所示。 图 3-2-6 放大器性能随VCC变化的特性 9 图 3-2-7 放大器性能随VBB变化的特性 放大器随 Vbm变化特性曲线， 与放大器性能随VBB变化的特性曲线类似， 如图 3-2-8 所示 。 图 3-2-8 放大器性能随Vbm变化的特性 10 谐振功率放大器过压状态下集电极电流凹陷分析。 当谐振功率放大器处于过压状态时， 晶体管集电极的周期性脉冲电流的顶部 会凹陷，晶体管进入饱和区

14、内， 各物理量之间有着复杂的非线性关系，在此用微 变量之间的线性关系进行分析。 根据晶体管特性 , 管子的集电极电流的微变量可表示为 i C=h1 i B+h2 V CE 在放大区内， iC主要由 iB控制，此时， h1h2，在饱和区内 iC主要由反向饱 和电流 iCEO决定，而 iCEO大小取决于 UCE电压，因此，此时h2h1 。 设输入信号为正弦波uBE=VBB+Vbmsin St 两边取微变量，有uBE=Vbmsin St 两边同除晶体管动态输入电阻rbe, 有iB=1rbeVbmsin St 输出电压为 uCE= VCC- Vcm sin St 两边取微变量，有uCE=-Vcmsin

15、 St 将 带入， 得iC= （h1Vbm/rbe-h2Vcm） sin St 因此，式中, 在放大区内 , h1 h2 且 h1Vbm/rbe-h2Vcm0, iC与iB同号。 在饱和区内 , iC与iB反号。 由此可知，集电极电流波形会存在顶部凹陷。 四、整体电路与系统调试及仿真结果 4.1 电路设计与分析 发光二极管颜色与电压： 黄色通常为 1.8V2.0V, 红色通常为 2V2.2V，绿色通常为3.0V3.2V , 正常发光时额定电流为20mA 。 如图 4-2-1 所示, 为所设计丙类谐振功率放大器电路。 输入端采用自给偏置电路提供偏置电压，它提供的偏置电压是基极电流脉冲 iB中的平

16、均分量 IBO在电阻 R B上产生的压降， LB是用来避免 RB，CB对输入滤波匹 配网络的旁路影响。 C1 ，C2， C3 和 L1 构成 T 型滤波匹配网络。 输出端， RD1和 D1构成构成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路，随着结 11 温的升高，功率管基极放射极电压VCE超过齐纳二极管D1的击穿电压时（耗散 功率限制保护电路中， 齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额 定值） ，齐纳二极管 D1击穿，从而限制了晶体管的耗散功率，防止了晶体管发生 二次击穿而导致晶体管损坏。D2和 RD2是为了防止无意中接入大于晶体管击穿电 压的电压造成电路损坏而接入的保护电路（齐纳二极管的

17、反向击穿电压应小于晶 体管的集电极耐压额定值） ，当接入 VCC电压大于齐纳二极管反向击穿电压时，齐 纳二极管D2导通，放光二极管亮提醒工作人员，整个电路停止工作。直流电源 VCC, 功率管 T 和滤波匹配网络在电路形式上并接成并馈馈电方式，可调整可变电 容器 C3和 C4使其调整在输入信号频率上， 时期输出不失真的信号功率， 也可同 时与输出电阻构成匹配网络提高输出功率。 图 4-1-1 4.2. 仿真与模拟 对图 4-1-1电路用 Multisim进行仿真。 4.2.1 Multisim 简介 Multisim是美国国家仪器（ NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真 工具，适用于

18、板级的模拟/ 数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形 输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 12 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图， 并对电路进行仿真。 Multisim提炼了 SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技 术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。 通过 Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从 理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 4.2.2 基于 Multisim电路仿真用例 打开 Multisim 12，在电

19、路设计窗口调用所需元件并按图4-1-1 进行连线 并设计参数。如图4-2-1 所示。 打开示波器，接通电源进行仿真，仿真波形如图4-2-2 所示， （图 4-2-2 仿真波 形为反复调试参数后较满意波形） 。 图 4-2-1 13 图 4-2-2 五、元件与设备 5.1 晶体管的选择 任何电子电路都以电子元件为基础，常用的元件由电阻器、电容器、电感器、 半导体器件（二极管、晶体管、场效应管以及集成电路）。半导体二极管和三极 管是组成分立元件电子电路的核心元件。二极管具有单向导电性, 可用于整流检 波、稳压混频等电路。晶体管具有放大和开关作用, 可用于放大、震荡、调制等 电路。表 5-1-1 是

20、半导体器件型号的命名方法, 可用此表对应型号选择半导体器 件。 表 5-1-1 半导体器件型号的命名方法 电极数材料与极性类型性能序 号 规格号 符 号 含义符号含义符号含义含义含义 14 2 3 二极管 三极管 A B C D A B C D E N型锗材料 P型锗材料 N型硅材料 P型硅材料 PNP型锗材 料 NPN型锗材 料 PNP型硅材 料 NPN型硅材 料 化合物材料 P V W C Z S N U K X G D A 普通管 微波管 稳压二极管 参量管 整流管 隧道管 阻尼管 光电管 开关管 低频小功率 管 高频小功率 管 低频大功率 管 高频大功率 管 反映了 管子的 直流、 交

21、流参 数，极 限参数 等性能 的差 别。 反 映 了 管 子 承 受 反 向 击 穿 电 压 的 能 力, 按 A、 B、 C、 D 编号， A 的 承 受 能 力 最 低，依次 递增。 晶体管分 NPN 型和 PNP 型两大类。通过外壳上所标注的规格和型号, 可以区分 15 出管子的类型、材料、功能大小、频率高频等性能。此外, 管壳上一般还用色点 的颜色来表示管子的电流放大倍数的大致范围。如黄色表示=3060，绿色 表示=50110，蓝色表示 =90160，白色表示 =140200。 5.1.2 判别三极管类型和三个电极的方法 要弄清管子类型与三个电极。将万用表至于电阻“R1K”档，用黑表笔

22、接 晶体管的某一脚（假设其为基极） ，用红表笔分别接另两个脚。若两次显示阻值 都很小 , 则表示该管是 NPN管, 且黑表笔所接管脚为基极 ; 若两次显示的阻值都很 大，则表示是 PNP管，且黑表笔所接管脚为基极；若两次显示阻值一大一小，则 表示黑表笔所接管脚不是基极，按上述方法测量，直到找到为止。若三个管脚测 试下来 , 都不能确定基极。则晶体管可能以损坏。 确定管子的类型和基极后, 可进一步判断发射极和集电极。用万用表置于电 阻“R 1K”挡，两表笔分别接除基极外的两个电极。对于NPN 管, 用手指捏住基 极与黑表笔所接管脚，可测得一阻值。然后将两表笔对换, 同样用手指捏住基极 与黑表笔所

23、接管脚，又测得一阻值。所得阻值小的那次测量, 黑表笔所接管脚所 接的是集电极 , 而红表笔所接的是发射极。 对于 PNP管, 应用手指捏住基极与红表 笔所接管脚 , 所得阻值小的那次测量 , 红表笔所接的管脚为集电极, 而黑表笔所接 的管脚为发射极。 5.2电容的选择 射频电容的关键指标是高Q和低 ESR 。在功率放大器匹配电路的应用上, 射 频功率的消耗与Q值成反比 , 直接与 ESR值成正比。高 Q电容是保证功率放大器 增益和输出功率指标的关键因素。 另外, 电容器不是理想的电容， 其模型都是由串联的电感、 电阻和电容组成， 如图 5-2-1 所示，因此，高 Q电容在不同频率下所呈现的等效

24、电容值也不一样。 16 图 5-2-1 不理想电容器 射频高 Q最大的生产厂家当属ATC （目前已被 AVX收购） ，常用的 ATC隔直流 电容参数见表 5-2-1 所示。 表 5-2-1 常用 ATC隔值流电容参数 封装 电容值 （PF ） 应用频率 （MHz ） ESR（）Q 谐振频 率 等效电 容 串联电 感值 （nH ） 600S 47 2017.5 0.111 15.2 2082.8 761.13 0.12 600S 51 1900 0.106 15.4 1984.9 608.94 0.13 600S 36 2350 0.123 15.3 2437.3 511.85 0.12 600

25、F 39 2017.5 0.115 17.5 2072.5 744.59 0.15 600F 47 1900 0.114 15.6 1918 2514.42 0.15 600F 27 2350 0.123 20.4 2414.4 513.2 0.16 100B 10 2017.5 0.163 48.4 2029.3 862.16 0.62 100B 11 1900 0.153 49.8 1939.8 270.63 0.61 100B6.8 2350 0.202 49.4 2435.5 98.59 0.63 17 六、课程设计体会与建议 6.1.1 课程设计体会 通过对丙类功率放大器的课程设计，

26、充分掌握了功率放大器的工作原理，与 原件的工作特性， 掌握了在电路设计过程中元件的选择与参数的计算，熟悉了仿 真软件的应用与模块电路在整体电路中的作用。 此次课程设计为将来实际工作中要进行独立解决问题的能力得到了锻炼，将 性能问题转换成数学计算问题，再将数算问题回馈为实际问题，最终得以解决实 际问题的方法。 6.1.2 课程设计建议 在本次课程设计中， 暴露了学生们理论知识与实际问题无法相结合的问题， 无法快速的将实际问题建模， 并得以解决 ，今后应加强锻炼学生的将实际问题建 立数学模型并最后解决实际问题的能力。 18 七、结论 电子技术迅猛发展。 由分立元件发展到集成电路，中小规模集成电路，

27、大规 模集成电路和超大规模集成电路。 基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单 元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器在当今和未来社会中的作 用日益增加。 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中， 为了弥补信 号在无线传输过程中的衰耗，要求发射机具有较大的输出功率，而且，通信距离 越远，要求输出功率越大。所以，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高 频功率放大器。 高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。丙类谐振功 率功率放大器由于安全、 高效和电路结构简单的优势在人类生活中得到了广泛的 应用，而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，研究它具有

28、很高的社会价值。 在未来的生活中， 谐振功率放大器， 会出现在各个领域， 充当更重要的角色。 尤其通信电路中更是不可缺少。 丙类谐振功率放大器是电子电路的重要单元，其性能和稳定性直接影响整个 电路，甚至使昂贵的元件损坏。 在设计丙类谐振功率放大器时，充分考虑功率管 的极限参数， 设置适当的保护电路和散热装置，各元件参数经过反复仿真和试验 确定。该论文从介绍、 分析丙类谐振功率放大器核心部件晶体管，到基本放大 电路，再到丙类谐振功率放大器基本电路和工作原理，最后给出设计用例并进行 仿真。由局部到整体，由理论到实际的设计理念。在未来生活中，对丙类谐振功 率放大器的要求会越来越高，人类将设计出更为高

29、质量的器件来适应社会需要。 19 参考文献 1 刘泉 通信电子线路M 武汉 ; 武汉理工大学出版社,2005. 2 谢自美电子线路设计实验测试M 武汉 : 华中科技大学出版社,2006. 3 赵淑范电子技术实验与课程设计M 北京 : 清华大学出版社,2006. 4 谢嘉奎电子线路 ( 非线性部分 ) M 北京 : 高等教育出版社,2000. 5 张新喜 Multisim12电路仿真及应用M 北京 : 机械工业出版社,2010. 6 杨翠娥高频电子线路实验与课程设计M 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社,2005. 7 杨拴科模拟电子技术基础M 北京 : 高等教育出版社,2003. 8 臧春华电子线路设计与应用M 北京 : 高等教育出版社,2004. 9 北京工业学院半导体电路基础（上册第一分册）M 北京 : 科学出版社 ,1978. 10 王忠勇射频电路设计M 北京 : 人民邮电出版社,2009. 11 胡宴如高频电子线路 M 北京：高等教育出版社，2009.