丙类高频功率放大器课程设计.doc

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： 20年1月20日目 录一、设计目得 1二、设计思路三、设计过程 23、1、系统方案论证3、1、1 丙类谐振功率放大器电路、2、模块电路设计3、丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路3、2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路、2、3匹配网络3、2、 VBB 、cm、Vbm、VC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14、1 电路设计与分析、2、仿真与模拟4、2、1Multis 简介4、2、2基于Mtisi电路仿真用例五、主要元器件与设备145、1 晶体管得选择、1、2 判别三极管类型与三个电极得方法5、2电容得选择六、课程设计体会与建议76、设计体会6、2、设计建议七、 结论8八、参考文献19一、设计目得电子技术迅猛发展。由分立元件发展到集成电路,中小规模集成电路，大规模集成电路与超大规模集成电路。基本放大器就是组成各种复杂放大电路得基本单元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器在当今与未来社会中得作用日益增加。高频功率放大器就是发送设备得重要组成部分之一,通信电路中,为了弥补信号在无线传输过程中得衰耗,要求发射机具有较大得输出功率,而且，通信距离越远,要求输出功率越大.所以，为了获得足够大得高频输出功率,必须采用高频功率放大器。高频功率放大器就是无线电发射设备得重要组成部分.丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛得应用,而且能高效率得将电源供给得直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高得社会价值。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得展望。二、设计思路丙类谐振功率放大器工作原理图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应设置在功率得截止区。输入回路由于功率管处于截止状态,基极偏置电压VB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90o。由CiB知,i也严重失真,且脉宽小于0o。输出回路若忽略晶体管得基区宽度调制效应以及结电容影响，在静态转移特性曲线（VE)上画出得集电极电流波形就是一串周期重复得脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期. 图221 丙类谐振功率放大器原理图由iricle收敛定理可知,可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分量与各次谐波分量之与,即 iC=ICO+ cmcos m c2St+由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对i中得基波分量呈现得阻抗很大,且为纯电阻。而对其她谐波分量与平均分量阻抗均很小，可以忽略,这样，在负载上得到了所需得不失真得信号功率.三、设计过程3、系统方案论证、 丙类谐振功率放大器电路在放大器原理上,功率放大器与其她放大器一样,都就是能量转换器件，最主要就是安全、高效与不失真（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(或失真在允许得范围内)，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得电路组成与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，管外电路由直流馈电电路与自给偏自电路两部分组成。如图3-所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中,C为高频扼流圈，它与C构成电源滤波电路，需要在信号频率上，L得感抗很大,接近于开路,C容抗很小，接近于短路,目得就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312所示，提高得偏置电压就是由基极电流脉冲中得平均分量B在高频扼流圈中固有直流电阻上产生得压降,电路中L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与外接负载之间，充分滤除不需要得高次谐波，以保证负载上得输出基波功率。图31集电极直流馈电电路(串馈）图31-2自给偏置电路图3-1-为丙类谐振功率放大器得简单基本电路,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)。图313 丙类谐振功率放大器得简单基本电路3、2模块电路设计3、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得作用。但要注意，存在自给偏置电路得丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号（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。常用得基极偏置电路见图3-21（输出回路均以略去）所示。图321 基极偏置电路现分析基极偏置电压就是怎样产生得，如图32（b)所示,当电源V1电压处在正半周期且电压振幅大于P结门坎电压时，基极导通，此时，记流经C2得电流为i1 ,一个周期内得其她时间处于截止状态，此时，记流经C1得电流为2 。显而易见，基极导通时流经C得电流i1大于截止时得电流i2，即i1i2 。C2两端得电压关系为 1U2、由于基极相对于地得电压波形为正半周期幅度小于负半周期幅度,由傅里叶级数可知，它得平均分量为负,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:串馈与并馈。所谓串馈就是指，将直流电源、匹配网络与放大管串接起来得一种方式。如图3-22（a）所示，图中C为高频扼流圈,C为电源滤波器,ZL为电抗。要求L对信号频率得感抗很大，接近开路, C得容抗很小,接近短路,就是为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定。 图32-2（a） 串馈电路、 图3-2-（b）并馈电路并馈电路就是把直流电源、匹配网络与放大器并接起来得一种馈电方式,如图-4（b)所示,图中C为高频扼流圈,CC为隔值电容，CC2为电源滤波电容,要求LC对信号频率得感抗很大，接近开路， CC1与CC2得电容很小，接近短路。、2、3匹配网络 匹配网络介于晶体管与负载之间，在丙类谐振功率放大器电路中得作用非常重要，具有阻抗转换、滤除高次谐波与高频率传送能量得作用。3、2、4 BB 、Vcm、Vm、VC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得负载特性就是指VBB、Vb与VCC一定,放大器性能随Re变化得特性。利用准静态分析法对负载特性进行分析，画出电路得特性曲线，如图-23所示。由图2-瞧以瞧出，当沿UE曲线由右向左移动（即 A，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，e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，,，移动得过程中e由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状态,相应得iC 由余弦变化脉冲变为中间凹陷得脉冲波，用傅里叶级数将电流脉冲iC分解，即 IC + IcosSt+ Icm co2S,可画出ICO与Ic1m随Re变化特性,如图32-4所示。由Vcm=c1mR，Po=I2c1mRe/2，PD=VCCCO，PC=P Po，C Po( o),可画出Vm、P、PD、PC、随Re变化曲线,如图3-25所示。图323 谐振功率放大器电路特性曲线图2-4 IC与c1m随Re变化特性图325 m、Po、PC、随e变化曲线 2 调制特性集电极调制特性就是指VB 、Vbm 与e一定,放大器性能随C变化得特性,当V由大减小时,放大器性能由欠压状态进入过压状态,波形也将由接近余弦变化得脉冲波变为中间凹陷得脉冲波，如图26所示.基极调制特性就是指VCC、V与Re一定，放大器性能随VBB变化得特性。当Vm一定， B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3-7所示。图3-2- 放大器性能随VCC变化得特性图-2-7 放大器性能随VBB变化得特性放大器随V 变化特性曲线，与放大器性能随BB变化得特性曲线类似，如图328所示 .图32-8 放大器性能随Vbm变化得特性 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,晶体管集电极得周期性脉冲电流得顶部会凹陷,晶体管进入饱与区内，各物理量之间有着复杂得非线性关系，在此用微变量之间得线性关系进行分析。 根据晶体管特性,管子得集电极电流得微变量可表示为iC=h1iBh2VCE 在放大区内，iC主要由iB控制,此时,h1h，在饱与区内i主要由反向饱与电流iCEO决定，而iCEO大小取决于CE电压，因此，此时h2h1。设输入信号为正弦波B=VB+VbmsinSt两边取微变量,有uBEVbmsinSt两边同除晶体管动态输入电阻be,有i=1/rbmsinSt 输出电压为 CE= CC VcmsinS两边取微变量，有 uE =VcmsnSt 将 带入，得 iC=(h1V/reh2Vc）sinSt 因此，式中，在放大区内, 1h2且h1Vm/rbh2Vcm， iC与i同号.在饱与区内, 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、2、0V,红色通常为V、2V，绿色通常为3、03、2V ，正常发光时额定电流为0mA.如图2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，它提供得偏置电压就是基极电流脉冲i中得平均分量IO在电阻RB上产生得压降,L就是用来避免RB,CB对输入滤波匹配网络得旁路影响。 ，C2,C3与1构成型滤波匹配网络。输出端，RD与1构成构成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路，随着结温得升高，功率管基极-放射极电压VE超过齐纳二极管1得击穿电压时（耗散功率限制保护电路中，齐纳二极管得反向击穿电压应小于晶体管得集电极耐压额定值），齐纳二极管D1击穿，从而限制了晶体管得耗散功率，防止了晶体管发生二次击穿而导致晶体管损坏。D2与R2就是为了防止无意中接入大于晶体管击穿电压得电压造成电路损坏而接入得保护电路(齐纳二极管得反向击穿电压应小于晶体管得集电极耐压额定值），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D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与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与使其调整在输入信号频率上，时期输出不失真得信号功率,也可同时与输出电阻构成匹配网络提高输出功率。图4114、2、仿真与模拟对图1-1电路用ultisim进行仿真.4、2、1Mulis 简介Multii就是美国国家仪器（I)有限公司推出得以Widws为基础得仿真工具,适用于板级得模拟/数字电路板得设计工作。它包含了电路原理图得图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富得仿真分析能力。工程师们可以使用Multsi交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPIE仿真得复杂内容,这样工程师无需懂得深入得SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真与分析新得设计，这也使其更适合电子学教育.通过Mutis与虚拟仪器技术,PCB设计工程师与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与测试这样一个完整得综合设计流程。、2 基于Mutisim电路仿真用例打开Multisim 12,在电路设计窗口调用所需元件并按图4-1-进行连线并设计参数。如图41所示。打开示波器，接通电源进行仿真,仿真波形如图2所示，(图4-仿真波形为反复调试参数后较满意波形).图4-21图-2-2五、元件与设备5、1晶体管得选择任何电子电路都以电子元件为基础，常用得元件由电阻器、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)。半导体二极管与三极管就是组成分立元件电子电路得核心元件。二极管具有单向导电性，可用于整流检波、稳压混频等电路。晶体管具有放大与开关作用,可用于放大、震荡、调制等电路.表511就是半导体器件型号得命名方法,可用此表对应型号选择半导体器件。表51-1半导体器件型号得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二极管三极管ABCDADE型锗材料P型锗材料型硅材料型硅材料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PVCZUKGDA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得直流、交流参数,极限参数等性能得差别.反映了管子承受反向击穿电压得能力，按A、B、C、D编号,A得承受能力最低,依次递增。晶体管分NPN型与N型两大类.通过外壳上所标注得规格与型号,可以区分出管子得类型、材料、功能大小、频率高频等性能。此外，管壳上一般还用色点得颜色来表示管子得电流放大倍数得大致范围.如黄色表示=300,绿色表示=50，蓝色表示=160，白色表示=140200. 5、 判别三极管类型与三个电极得方法要弄清管子类型与三个电极.将万用表至于电阻“K档,用黑表笔接晶体管得某一脚（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,则表示该管就是NPN管,且黑表笔所接管脚为基极;若两次显示得阻值都很大,则表示就是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就是基极，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。确定管子得类型与基极后，可进一步判断发射极与集电极。用万用表置于电阻“1挡，两表笔分别接除基极外得两个电极.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接管脚，又测得一阻值.所得阻值小得那次测量,黑表笔所接管脚所接得就是集电极,而红表笔所接得就是发射极。对于P管,应用手指捏住基极与红表笔所接管脚，所得阻值小得那次测量,红表笔所接得管脚为集电极，而黑表笔所接得管脚为发射极. 、2电容得选择射频电容得关键指标就是高与低SR。在功率放大器匹配电路得应用上，射频功率得消耗与值成反比,直接与SR值成正比。高Q电容就是保证功率放大器增益与输出功率指标得关键因素。另外，电容器不就是理想得电容，其模型都就是由串联得电感、电阻与电容组成，如图5-21所示，因此，高Q电容在不同频率下所呈现得等效电容值也不一样。 图2-1不理想电容器射频高最大得生产厂家当属ATC（目前已被AVX收购),常用得ATC隔直流电容参数见表-2所示。表521常用A隔值流电容参数封装电容值（PF）应用频率(MHz)ER()谐振频率等效电容串联电感值(n）600472017、50、11115、2082、87、130、1200S511000、105、4198、0、9、1600S363500、1235、2437、51、50、120F39217、50、11517、202、574、590、15600F719000、1415、182514、420、160723500、120、42414、451、20、1600B102017、50、1638、029、382、160、6200B19000、349、8139、8270、630、6100B、823500、2029、2435、59、59、63六、课程设计体会与建议6、1课程设计体会通过对丙类功率放大器得课程设计,充分掌握了功率放大器得工作原理,与原件得工作特性，掌握了在电路设计过程中元件得选择与参数得计算,熟悉了仿真软件得应用与模块电路在整体电路中得作用.此次课程设计为将来实际工作中要进行独立解决问题得能力得到了锻炼,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得方法.、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得问题,无法快速得将实际问题建模，并得以解决，今后应加强锻炼学生得将实际问题建立数学模型并最后解决实际问题得能力.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，大规模集成电路与超大规模集成电路。基本放大器就是组成各种复杂放大电路得基本单元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器在当今与未来社会中得作用日益增加.高频功率放大器就是发送设备得重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中得衰耗,要求发射机具有较大得输出功率,而且,通信距离越远，要求输出功率越大。所以，为了获得足够大得高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器就是无线电发射设备得重要组成部分。丙类谐振功率功率放大器由于安全、高效与电路结构简单得优势在人类生活中得到了广泛得应用，而且能高效率得将电源供给得直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高得社会价值。在未来得生活中,谐振功率放大器,会出现在各个领域，充当更重要得角色。尤其通信电路中更就是不可缺少.丙类谐振功率放大器就是电子电路得重要单元,其性能与稳定性直接影响整个电路，甚至使昂贵得元件损坏。在设计丙类谐振功率放大器时，充分考虑功率管得极限参数,设置适当得保护电路与散热装置,各元件参数经过反复仿真与试验确定.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与工作原理,最后给出设计用例并进行仿真。由局部到整体，由理论到实际得设计理念.在未来生活中,对丙类谐振功率放大器得要求会越来越高，人类将设计出更为高质量得器件来适应社会需要.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，25、 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,2、3 赵淑范 电子技术实验与课程设计北京：清华大学出版社,206、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，010、 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,005、 杨拴科 模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社,2003、 臧春华 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