课程设计丙类高频功率放大器要点.pdf

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1、1 萍乡高等专科学校 课程设计报告 题目：丙类功率放大器 学校：萍乡高专机电系 专业：应用电子技术 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间： 2012年 6 月 20 日 2 前言 3 1 丙类功放原理 . 4 1.1 丙类谐振功率放大器的功率与效率 4 1.1.1 功率关系 4 1.1.2 放大器的集电极效率 4 1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算 5 1.2 功率放大器的负载特性 5 1.2.1 c u 、 c i随负载变化的波形 5 1.2.2 功率及效率随负载（工作状态）变化的波形 6 1.3 丙类谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路. 7 1.3.1 直流馈电电路 . 7

2、1.3.2 输出回路和级间耦合回路 8 1.3.3 输出耦合回路 9 2 设计电路 10 2.1 开发与设计的总体思想 10 2.2 丙类功放原理图 . 10 2.3 设计过程 10 3 电路的仿真与分析 11 3.1 仿真软件的介绍 11 3.2 放大电路的仿真与分析 13 3.2.1 试验电路参数 . 13 3.2.2 计算谐振回路与耦合回路的参数. 13 3.2.3 主要技术指标的测试 . 15 4 总结 16 参考文献.17 3 前言 高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在接受设备中， 从天线上感应的信号是非常微弱的，高频小信号谐振放大器来完成；在发射设备 中，为了有效

3、地使信号通过信道传送到接收端，需要根据传送距离等因素来确定 发射设备的发射功率， 这就要用高频谐振功率放大器将信号放大到所需的发射功 率。 高频功率放大器的主要功用是发射高频信号，并且以高效输出大功率为目 的。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经多级高频功率放大器才能获 得足够的功率，送到天线辐射出去。 已知能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高 频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功率放大器产 生符合要求的的高频功率外， 还应要求具有尽可能高的转换效率。低频功率放大 器可以工作在 A（甲）类状态，也可以工作在B（乙）类状态，或 AB （甲乙

4、）类 状态。B类状态要比 A类状态效率高（A类最大效率 50% ； B类最大效率为 78.5%） 。 为了提高效率， 高频功率放大器多工作在C类状态。为了进一步提高高频功率放 大器的效率，近年来又出现了D类、E类和 S类等开关型高频功率放大器；还有 利用特殊电路技术来提高放大器效率的F类、G类和 H类高频功率放大器。 本次课程设计主要是针对一些已知数据设计一个丙类高频功率放大器。 4 1 丙类功放原理 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。如图 1 所示。 它是无线电发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角 的范围可以分为 甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通

5、角 愈小放大器的效率 愈高。如甲类功放的 =180 o，效率 最高也只能达 50% ，而丙类功放的 90 o, 效率可达到 80% 。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率 放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效 率。本实验所使用的电路为丙类谐振功率放大器，实验所研究的是丙类功率放大 器的工作原理及基本特性，具体原理图如图1所示： + ub ib + UBB + UCC + uce C + uc L 输出 ie ic ube 1.1 丙类谐振功率放大器的功率与效率 1.1.1 功率关系： 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电

6、源 所供给的直流功率 O P ，使之一部分转变为交流信号功率 1 P 输出去,一部分功率以 热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率 C P 。 根据能量守衡定理： 1oC PPP 直流功率： 输出交流功率： 2 2 111 11 222 c cccL L U PUII R R C U-回路两端的基频电压 c1 I- 基频电流 L R-回路的负载阻抗。 1.1.2 放大器的集电极效率 1 1 0 1 1 2 2 cc oCCc UI P PUI 0ocCC PIU 图 1 谐振高频功率放大器原理图 5 其中集电极电压利用系数： 1ccL CCCC UI R UU 波形系数： 11 00 (

7、 ) ( ) c c I I 为通角的函数；越小越大。 1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算 临界状态下，若已知电源电压Ucc， BB U三极管的参数 C g ， U BB ，设电压利 用系数为，集电极的导通角为。求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效 率等。 1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量 cmax i和 导通角： cos BBBB b UU arc U 功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中， 为兼 顾高效率的输出功率和高效率，通常=6080。 集电极电流脉冲幅值icmax： max (1 cos ) ccb ig U 2） 由值， 查表求得电流余

8、弦脉冲的各谐波分量系数 0 、 1 、， 并求得各个分量的实际值 C0 I、 C1 I。 0max01max ( ) CCcC IiIi 3)根据： 22 1 ()11 22 cCC LL UU P RR 可求得最佳负载电阻： 2 1 () 2 CC LCR U R P 1.2 功率放大器的负载特性 只在其他条件不变 （ CC U、 BB U、Ub为一定） ，只变化放大器的负载电阻 L R 而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。 1.2.1 c u、 c i随负载变化的波形 当负载电阻 L R 由小至大变化时， 1. 负载线的斜率由小变大，如图中123。 2. 放大器的工作状态

9、由欠压过压临界； 3. 输出电压 c u 逐渐增大。 4. 输出电流 c i 的波形由尖顶脉冲凹顶脉冲 具体变化过程如图2 所示： 6 图 2 高频动特性 1.2.2 功率及效率随负载（工作状态）变化的波形： 欠压状态在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压Uc 随负载 电阻 RL 的增大而增大，而电流 cmax i、 C1 I、 C0 I其基本不变，根据 11 1 2 cc PUI 0ocCC PIU c01 PPP 1 o P P 则电源功率 O P 不变、输出功率 1 P 将增加，管耗将减少，如图3 所示： 临界状态 负载线和 b U 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状 图 3

10、 负载特性 态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。 过压状态放大器的负载较大， 在过压区，随着负载 L R 的加大， C1 I要下 降，因此放大器的输出功率和效率也要减小 icic 3 2 1 Icmax 0 180 90 半导通角 t B A C D 3 2 1 负载增大 Ube=Ub UCC Q Uces Uc 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 RL Uc Uc 欠压过压 0 临界 Ic1 Ic0 UC RL 0 Po P1 Pc 欠压过压 临界 RL 7 1.3 丙类谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路 1.3.1 直流馈电电路 1. 集电极馈电电路 根据直流电源连接

11、方式不同，集电极电路又分为串联馈电和并联馈电两种， 如图 4 所示： 图 4 集电极馈电形式 (1) 串馈电路指直流电源 CC V、负载回路 (匹配网络 )、功率管三者首尾相接 的一种直流馈电电路。 1 C 、 C L 为低通滤波电路， A 点为高频地电位，既阻止电 源 CC V中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。 (2) 并馈电路指直流电源 CC V、负载回路 (匹配网络 )、功率管三者为并联连接 的一种馈电电路。如图 C L 为高频扼流圈， 1 C 为高频旁路电容，避免高频信号流 入直流电源， 2 C 为高频输出耦合电容， 2. 基极馈电电路 基极馈电电路也分串馈和并

12、馈两种，如图5 所示： 1）基极偏置常采用自给偏置电路；-串馈 2）由负电源 -U 分压供给基极偏置电压； -串馈 3）零偏压； -串馈 图 5 基极馈电形式 L C C1 LC +VCC A LC C C1 +VCC L C2 (a) 串馈(b) 并馈 8 1.3.2 输出回路和级间耦合回路 1. 级间耦合网络 对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放 稳定的激励电压， 而效率则降为次要问题。 多级功放中间级的一个很大问题是后 级放大器的输入阻抗是变化的， 是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化 而变化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化

13、。此 时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。 2. 输出匹配网络 输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络。这种匹 配网络有 L 型、型、T 型网络及耦合回路。输出匹配网络的主要功能与要求是 匹配、滤波、和高效率。 需要匹配的原因： 当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。 在实 际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载（如天线等） 相匹配。 匹配的原理： 通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗 L R 转换成放大管所要求的最佳负载 阻抗 LCR R，使管子送出的功率 1 P 能尽可能多的馈至负载，如图

14、6 所示： 图 6 负载匹配网络 9 L 型匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数 Q 值很低（通常 Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中常常 用 T 型或型网络作匹配之用。 2 1 1 LCRL RR Q 2 2 1 Q CC Q L QC R 2 1 LCRL RQR（） 2 2 1 Q LL Q L L Q R 1.3.3 输出耦合回路 电路中 AA R C 分别代表天线的辐射电阻与等效电容； n L 、 n C 为天线回路的调 谐元件，它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以获得最大的天线回路电 流 A i ，如图 7 所示： 图 7 输出耦

15、合电路 Ln C1 CA RA Cn L1 r1 L2 10 2 设计电路 2.1 开发与设计的总体思想 本电路主要应用功率放大器的基极和集电极的馈电原理，综合考虑高频信号 的功率和效率，故设计成丙类放大器。其中，基极采用固定偏压，集电极采用串 联馈电形式。 2.2 丙类功放原理图 具体原理电路如图8 所示： 图 8 丙类功放原理图 2.3 设计过程 根据本次试验要求， 首先确定放大器的工作状态： 先设定集电极输出功率Po, 并根据信号源及基极负偏压、截止电压确定导通角，计算输出效率。然后通过负 载和最佳阻抗之间的关系， 得出电路中选频网络的元件取值，进一步勾画出电路 图。 11 3 电路的仿

16、真与分析 3.1 仿真软件的介绍 电子工作平台Electronics Workbench (EWB)(现称为 MultiSim) 软件是加拿大 Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点： 电子工作平台 Electronics Workbench (EWB)(现称为 MultiSim) 软件是加拿大 Interactive Image Technologies公司于八十年代末、 九十年代初推出的电子电路仿 真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点： （1）采用直观的图形界面创建电路：在计算

17、机屏幕上模仿真实实验室的工作台， 绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取； （2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结 果。 （3）EWB 软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。 （4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。 （5）EWB 还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比 实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况， 熟悉常用电子 仪器测量方法。 EWB 的优点： 1、各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元 件焊下而损坏器件和印刷电路板

18、。使电路调试变得快捷方便。对模拟电子技术 基础课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行 验证，也能就用于多级的组合电路。 2、元件库不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件,是一个全开 放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子 技术实验室。 可以在任意组合的实验环境中，搭建实验。通过元件复制或单级电 路的复制来完成整个电路的组装。因此也适用于较大型的设计性实验。 3、EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能 够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。 教师可以在多媒体教室中深入 浅出地分析各种电路的特性， 讲

19、解各种参数改变对电路的影响。学生可结合学习 内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于对加深对理论理解。 特别是一些 大中专院校和广播电视大学， 通过这样的计算机模拟仿真实验，把电子技术的理 论教学和实验教学有机地结合了起来。 下列图像为软件界面和相关介绍： 12 函数信号发生器以及示波器界面介绍如图9 所示： 图 9.1 函数信号发生器和示波器 图 9.2 界面及按键介绍 13 3.2 放大电路的仿真与分析 3.2.1 试验电路参数 已知条件： Vcc=+24V，晶体管为 BC237，管子的饱和压降 Uces0.6V， 30，fT150MHZ，Ap6dB。 主要技术指标：输出功率Po25W，

20、工作频率 100MHZ，效率50%，负 载 RL=51。 确定放大器的工作状态 : 为了获得较高的效率 和最大的输出功率 Po，选丙类放大器的工作状态为临 界状态， =65 o，假设 P o=25W. 3.2.2 计算谐振回路与耦合回路的参数 根据负载电阻和最佳负载可以得出抽头系数P=0.368，同时根据工作频率等 于 100MHZ,可以得出 L=1uh， 1 C =0.1uf， 2 C =0.15uf。 具体实验电路如图10 所示： 具体计算过程如下： 求最佳负载的公式： 得最佳负载为： Rp= 11。 图 10 试验电路原理图 2 0 () 2 CCces P VU R P 0 1 2 c

21、 P P I R 14 基波电流振幅为： 解得： 1c I=25.3mA 集电极电流脉冲的最大值： 解得： IcM=5.3A 直流分量： 0 () cCMc II 0 * 解得： 0c I=1.3A 直流输出功率： =c0 P = *I CC V 其中： CC V=24V 解得： = P=31.2w 功率放大的总效率： =80% 2. 谐振回路及抽头回路的电容比： 由抽头电路知： 总电容： 则由： 抽头系数： 根据负载电阻和最佳负载可以得出抽头系数P=0.368 若取： 3 L =1H 则求的： 1 C =1pF 2 C =15pF 3. 偏置电路 已知 bz U=0.6V，则 bm U=4V

22、取 e R =10，则 bb V =-1V。 则： 通过确定参数后可得出电路输出， 1 () C M CM c I I 1 12 12 (C *C ) C= (C +C ) 0 2 1 W = L*C 00 W =2*f 1 C P= C 2 03 1 C= （） bzbb bm (U-U) cos= U C 15 示波器得到的试验结果如图11 所示： 3.2.3 主要技术指标的测试 1 输出功率 高频功放的输出功率是指在放大器负载 L R51上得到的最大不失真功 率。对于图 4 所示电路，集电极的输出功率为高频功率放大器的输出功率，即 放大器的输入功率为： 0c I为电流计 M1测得的电流。

23、 2 效率 图 11 试验结果图 2 2 111 11 222 c cccL L U PUII R R 0ocCC PIU 2 0LL 1C0CC PUR = PI*V 16 4 总结 在这次高频电子线路的课程设计实习中，充分的应用了所学的知识。通过去 图书馆查阅相关资料和上网搜索相关知识，我们颇有收获，粗略设计出该电路。 总体来说还是比较成功。运用了所学的高频功率放大器的原理与特性分析。 优点：电路结构简明扼要， 电路参数的可调范围宽泛。 电路权衡效率和功率， 使其达到比较良好的效果。 缺点：输出波形仍有一定的误差，但不影响电路的整体性能 在这次课程设计的是实习中，充分的应用了所学的知识。通

24、过去图书馆查阅 相关资料和上网搜索相关知识，我们颇有收获，粗略设计出该系统。总体来说还 是比较成功。运用了所学的设计方法等实现功能。 当然，由于学的不够扎实， 在课程设计过程中遇到很多困难。尤其是在调节输出 以及确定参量的过程中， 耗费了很多的时间与精力。同时，在各功能的设计过程 中好多问题的考虑还不够全面。 通过这次课程设计，我感受到了电脑实验设计的” 伟大” ，享受到了其中的乐趣。 通过这次课程设计，使我感受到了什么是“纸上得来终觉浅， 觉知此事要躬行”， 平时不下一番苦功夫是学不好的。我们必须要养成严谨求学的态度，这样才能做 起程序来得心应手。才能在以后的实践中，提升自己。在课程设计过程

25、中，我遇 到了很多的问题， 这些问题暴露了我平时学习的不足，因此我需要在今后的学习 中更加努力地去学习有关高频的知识，使自己能够很好的掌握此项课程。 在这一周的时间里，我总结出善于交流意见，也是学习能力的一种体现，每次完 成一个编程任务， 我都会和同学们交流一下，找到自己的不足，从而更好的提升 自己。 也许这就是成长，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒 不变的话题。通过实际动手做，我们才真正领略到 “ 艰苦奋斗 ” 这一词的真正含义， 我们想说，编程确实有些辛苦，但苦中也有乐，在这个团队的任务中，一起的工 作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契。对我们而言，知识上的收获虽然

26、重要，但精神上的收获则更是可喜的。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次 实际操作必将成为我们大学生涯中一段美好的回忆！ 与此同时， 在老师的身上，我也看到了什么叫做老师是园丁的内涵。老师们 辛勤工作，耐心讲解，更是深深的教育了我。我要秉承老师们的精神，在以后的 学习工作中，奉献出自己的一份力量。 17 参考文献 1 曾兴文、刘乃安、陈健高频电子线路北京：高等教育出版社，2007 2 张肃文等高频电子线路（第四版） 北京：高等教育出版社，2004 3 路而红等虚拟电子实验室北京：人民邮电出版社，2006 4蒋敦斌高频电子线路上海：上海交通大学出版社.2003.1 5 杜武林、李纪澄、曾兴雯编高频电路原理与分析（第二版）西安：西安 电子科技大学出版社， 1994 6 武秀玲、沈伟慈编高频电子线路西安：西安电子科技大学出版社，1995 7 清华大学通信教研组高频电路上册北京：人民邮电出版社，1979 8 胡建堂等电子线路（第二版） 西安：西安电子科技大学出版社，1994 9阳昌汉高频电子线路学习与解题指导哈尔滨：哈尔滨工程大学出版 社2002 10 栾华东高频电子线路典型题解析及自测试题西安：西安工业大学出版 社2003