丙类高频功率放大器专业课程设计.doc

高频电子线路课程设计汇报

题 目： 丙类功率放大器
院 系：
专 业： 电子信息科学和技术
班 级：
姓 名：
学 号：
指导老师：
汇报成绩：

12月20日

目 录

一、设计目标…………………………………………………………………… 1

二、设计思绪…………………………………………………………………… 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取自给偏置电路
3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采取直流馈电电路
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、整体电路和系统调试及仿真结果…………………………………………11
4.1 电路设计和分析
4.2.仿真和模拟
4.2.1 Multisim 介绍
4.2.2 基于Multisim电路仿真用例

五、关键元器件和设备…………………………………………………………14
5.1 晶体管选择
5.1.2 判别三极管类型和三个电极方法
5.2电容选择

六、课程设计体会和提议………………………………………………………17
6.1、设计体会
6.2、设计提议

七、 结论…………………………………………………………………………18

八、参考文件……………………………………………………………………19

一、设计目标
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。基础放大器是组成多种复杂放大电路基础单元。弱电控制强电在很多电子设备中需要用到。放大器在当今和未来社会中作用日益增加。
高频功率放大器是发送设备关键组成部分之一，通信电路中，为了填补信号在无线传输过程中衰耗，要求发射机含有较大输出功率，而且，通信距离越远，要求输出功率越大。所以，为了取得足够大高频输出功率，必需采取高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备关键组成部分。丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛应用，而且能高效率将电源供给直流能量转换为高频交流输出，研究它含有很高社会价值。
设计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真，和对丙类谐振功率放大器发展展望。

二、设计思绪
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应设置在功率截止区。
输入回路
因为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，没有达成晶体管门坎电压，从而，造成输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度小于90o。
由iC≈βiB知，iC也严重失真，且脉宽小于90o。
输出回路
若忽略晶体管基区宽度调制效应和结电容影响,在静态转移特征曲线(iC～VBE)上画出集电极电流波形是一串周期反复脉冲序列,脉冲宽度小于半个周期。

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 + Ic1mcosωSt+ Ic2m cos2ωSt+…
因为集电极谐振回路调制在输入信号频率上所以它对iC中基波分量展现阻抗很大，且为纯电阻。而对其它谐波分量和平均分量阻抗均很小，能够忽略，这么，在负载上得到了所需不失真信号功率。

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，功率放大器和其它放大器一样，全部是能量转换器件，最关键是安全、高效和不失真（失真在许可范围内）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在许可范围内），通常采取丙类谐振功率放大器。本章关键介绍丙类谐振功率放大器电路组成和工作原理并对多种状态进行分析。
在丙类谐振功率放大器中，管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成。图3-1-1所表示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它和CC组成电源滤波电路,需要在信号频率上，LC感抗很大，靠近于开路，CC容抗很小，靠近于短路，目标是避免信号经过直流电源而发生极间反馈，造成工作不稳定。
因为自给偏置效应能够使输入信号振幅改变时起到自动稳定输出电压振幅,所以,在基极通常采取自给偏置电路,图3-1-2所表示，提升偏置电压是由基极电流脉冲iB中平均分量IBO在高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生压降，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外接负载之间,充足滤除不需要高次谐波,以确保负载上输出基波功率。

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简单基础电路,输入端采取自给偏置电路,输出端为集电极直流馈电电路(串馈)。

图3-1-3 丙类谐振功率放大器简单基础电路
3.2模块电路设计
3.2.1丙类谐振功率放大器输入端采取自给偏置电路
我们知道,丙类谐振功率放大器输入端通常采取自给偏置电路提供偏置电压，采取这种方法能够在输入信号振幅改变时起到自动稳定输出作用。但要注意,存在自给偏置电路丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号(载波、调频信号)而不宜放大调幅信号，不然调幅信号包络将会失真。
常见基极偏置电路见图3-2-1(输出回路均以略去)所表示。

图3-2-1 基极偏置电路

现分析基极偏置电压是怎样产生,图3-2-1（b）所表示，当电源V1电压处于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电流为i1 ，一个周期内其它时间处于截止状态，此时，记流经C1电流为i2 。显而易见，基极导通时流经C2电流i1大于截止时电流i2，即 i1＞i2 。C2两端电压关系为 U i1＞U i2.因为基极相对于地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取直流馈电电路
集电极直流馈电电路有两种连接方法: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一个方法。图3-2-2(a)所表示,图中LC为高频扼流圈,CC为电源滤波器,ZL为电抗。要求LC对信号频率感抗很大,靠近开路, CC容抗很小,靠近短路,是为了避免信号电流经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一个馈电方法，图2-4-2（b）所表示，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对信号频率感抗很大，靠近开路， CC1和CC2电容很小,靠近短路。

3.2.3匹配网络
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作用很关键，含有阻抗转换、滤除高次谐波和高频率传送能量作用。
3.2.4 VBB 、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析
1 负载特征
所谓谐振功率放大器负载特征是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能随Re改变特征。
利用准静态分析法对负载特征进行分析，画出电路特征曲线，图3-2-3所表示。由图3-2-3看以看出,当A′沿UBE0曲线由右向左移动(即A′→ A″→A，，，方向移动)时，电路状态将发生改变，曲线①较陡，近似直线斜率绝对值较大，从而，Re较小；曲线②较缓，近似直线斜率绝对值较小，所以，Re较大.所以,在A′→ A″→A，，，移动过程中Re由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状态，对应iC 由余弦改变脉冲变为中间凹陷脉冲波，用傅里叶级数将电流脉冲iC分解，即
iC =ICO + Ic1mcosωSt+ Ic2m cos2ωSt+…，
可画出ICO和Ic1m随Re改变特征,图3-2-4所表示。
由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC= PD- Po ,ηC= Po /(PD + Po)，可画出Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re改变曲线,图3-2-5所表示。

图3-2-3 谐振功率放大器电路特征曲线

图3-2-4 ICO和Ic1m随Re改变特征

图3-2-5 Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re改变曲线
2 调制特征
集电极调制特征是指VBB 、Vbm 和Re一定，放大器性能随VCC改变特征，当VCC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，iC波形也将由靠近余弦改变脉冲波变为中间凹陷脉冲波，图3-2-6所表示。
基极调制特征是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能随VBB改变特征。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，图3-2-7所表示。

图3-2-6 放大器性能随VCC改变特征

图3-2-7 放大器性能随VBB改变特征

放大器随Vbm 改变特征曲线，和放大器性能随VBB改变特征曲线类似，图3-2-8所表示 。

图3-2-8 放大器性能随Vbm改变特征

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，晶体管集电极周期性脉冲电流顶部会凹陷，晶体管进入饱和区内，各物理量之间有着复杂非线性关系，在此用微变量之间线性关系进行分析。
依据晶体管特征,管子集电极电流微变量可表示为
ΔiC=h1①ΔiB+h2②ΔVCE ⑴
在放大区内，iC关键由iB控制，此时，h1﹥h2，在饱和区内iC关键由反向饱和电流iCEO决定，而iCEO大小取决于UCE电压，所以，此时h2﹥h1 。
设输入信号为正弦波uBE=VBB+VbmsinωSt
两边取微变量，有 ΔuBE=ΔVbmsinωSt
两边同除晶体管动态输入电阻rbe,有ΔiB=1／rbeΔVbmsinωSt ⑵
输出电压为 uCE= VCC- Vcm sinωSt
两边取微变量，有 ΔuCE =-ΔVcmsinωSt ⑶
将⑵ ⑶带入⑴，得 ΔiC=（h1Vbm/rbe-h2Vcm）ΔsinωSt ⑷
所以，⑷式中,
在放大区内, h1﹥h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm﹥0, ΔiC和ΔiB同号。
在饱和区内, ΔiC和ΔiB反号。
由此可知，集电极电流波形会存在顶部凹陷。
四、整体电路和系统调试及仿真结果
4.1 电路设计和分析
发光二极管颜色和电压：　
黄色通常为1.8V～2.0V,红色通常为2V～2.2V，绿色通常为3.0V～3.2V ,正常发光时额定电流为20mA。
图4-2-1所表示,为所设计丙类谐振功率放大器电路。
输入端采取自给偏置电路提供偏置电压，它提供偏置电压是基极电流脉冲iB中平均分量IBO在电阻R B上产生压降，LB是用来避免RB ，CB对输入滤波匹配网络旁路影响。C1 ，C2， C3和L1组成T型滤波匹配网络。
输出端，RD1和D1组成组成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路，伴随结温升高，功率管基极—放射极电压VCE超出齐纳二极管D1击穿电压时（耗散功率限制保护电路中，齐纳二极管反向击穿电压应小于晶体管集电极耐压额定值），齐纳二极管D1击穿，从而限制了晶体管耗散功率，预防了晶体管发生二次击穿而造成晶体管损坏。D2和RD2是为了预防无意中接入大于晶体管击穿电压电压造成电路损坏而接入保护电路（齐纳二极管反向击穿电压应小于晶体管集电极耐压额定值），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法，可调整可变电容器C3和C4使其调整在输入信号频率上，时期输出不失真信号功率，也可同时和输出电阻组成匹配网络提升输出功率。

图4-1-1
4.2.仿真和模拟
对图 4-1-1电路用Multisim进行仿真。
4.2.1 Multisim 介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）推出以Windows为基础仿真工具，适适用于板级模拟/数字电路板设计工作。它包含了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方法，含有丰富仿真分析能力。
工程师们能够使用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仿真复杂内容，这么工程师无需知道深入SPICE技术就能够很快地进行捕捉、仿真和分析新设计，这也使其更适合电子学教育。经过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者能够完成从理论到原理图捕捉和仿真再到原型设计和测试这么一个完整综合设计步骤。

4.2.2 基于Multisim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4-1-1进行连线并设计参数。图4-2-1所表示。
打开示波器，接通电源进行仿真，仿真波形图4-2-2所表示，（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

图4-2-2
五、元件和设备
5.1 晶体管选择
任何电子电路全部以电子元件为基础，常见元件由电阻器、电容器、电感器、半导体器件（二极管、晶体管、场效应管和集成电路）。半导体二极管和三极管是组成份立元件电子电路关键元件。二极管含有单向导电性,可用于整流检波、稳压混频等电路。晶体管含有放大和开关作用,可用于放大、震荡、调制等电路。表5-1-1是半导体器件型号命名方法,可用此表对应型号选择半导体器件。

表5-1-1 半导体器件型号命名方法

电极数
材料和极性
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
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
一般管
微波管
稳压二极管
参量管

整流管
β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
反应了管子直流、交流参数，极限参数等性能差异。
反应了管子承受反向击穿电压能力,按A、B、C、D…编号，A承受能力最低，依次递增。

晶体管分NPN型和PNP型两大类。经过外壳上所标注规格和型号,能够区分出管子类型、材料、功效大小、频率高频等性能。另外,管壳上通常还用色点颜色来表示管子电流放大倍数β大致范围。如黄色表示β=30～60，绿色表示β=50～110，蓝色表示β=90～160，白色表示β=140～200。
5.1.2 判别三极管类型和三个电极方法
要搞清管子类型和三个电极。将万用表至于电阻“R×1K”档，用黑表笔接晶体管某一脚（假设其为基极），用红表笔分别接另两个脚。若两次显示阻值全部很小,则表示该管是NPN管,且黑表笔所接管脚为基极;若两次显示阻值全部很大，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,全部不能确定基极。则晶体管可能以损坏。
确定管子类型和基极后,可深入判定发射极和集电极。用万用表置于电阻“R×1K”挡，两表笔分别接除基极外两个电极。对于NPN管,用手指捏住基极和黑表笔所接管脚，可测得一阻值。然后将两表笔对换,一样用手指捏住基极和黑表笔所接管脚，又测得一阻值。所得阻值小那次测量,黑表笔所接管脚所接是集电极,而红表笔所接是发射极。对于PNP管,应用手指捏住基极和红表笔所接管脚,所得阻值小那次测量,红表笔所接管脚为集电极,而黑表笔所接管脚为发射极。
5.2电容选择
射频电容关键指标是高Q和低ESR。在功率放大器匹配电路应用上,射频功率消耗和Q值成反比,直接和ESR值成正比。高Q电容是确保功率放大器增益和输出功率指标关键原因。
另外,电容器不是理想电容，其模型全部是由串联电感、电阻和电容组成，图5-2-1所表示，所以，高Q电容在不一样频率下所展现等效电容值也不一样。

图5-2-1不理想电容器

射频高Q最大生产厂家当属ATC（现在已被AVX收购），常见ATC隔直流电容参数见表5-2-1所表示。

表5-2-1 常见ATC隔值流电容参数

封装
电容值（PF）
应用频率（MHz）
ESR（Ω）
Q
谐振频率
等效电容
串联电感值（nH）
600S
47
.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
600F
39
.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
.5
0.163
48.4
2029.3
862.16
0.62
100B
11
1900
0.153
49.8
1939.8
270.63
0.61
100B
6.8
2350
0.202
49.4
2435.5
98.59
0.63

六、课程设计体会和提议
6.1.1课程设计体会
经过对丙类功率放大器课程设计，充足掌握了功率放大器工作原理，和原件工作特征，掌握了在电路设计过程中元件选择和参数计算，熟悉了仿真软件应用和模块电路在整体电路中作用。
此次课程设计为未来实际工作中要进行独立处理问题能力得到了锻炼，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，最终得以处理实际问题方法。
6.1.2课程设计提议
在此次课程设计中，暴露了学生们理论知识和实际问题无法相结合问题，无法快速将实际问题建模，并得以处理，以后应加强锻炼学生将实际问题建立数学模型并最终处理实际问题能力。

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，大规模集成电路和超大规模集成电路。基础放大器是组成多种复杂放大电路基础单元。弱电控制强电在很多电子设备中需要用到。放大器在当今和未来社会中作用日益增加。
高频功率放大器是发送设备关键组成部分之一，通信电路中，为了填补信号在无线传输过程中衰耗，要求发射机含有较大输出功率，而且，通信距离越远，要求输出功率越大。所以，为了取得足够大高频输出功率，必需采取高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备关键组成部分。丙类谐振功率功率放大器因为安全、高效和电路结构简单优势在人类生活中得到了广泛应用，而且能高效率将电源供给直流能量转换为高频交流输出，研究它含有很高社会价值。
在未来生活中，谐振功率放大器，会出现在各个领域，充当更关键角色。尤其通信电路中更是不可缺乏。
丙类谐振功率放大器是电子电路关键单元，其性能和稳定性直接影响整个电路，甚至使昂贵元件损坏。在设计丙类谐振功率放大器时，充足考虑功率管极限参数，设置合适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关键部件—晶体管，到基础放大电路，再到丙类谐振功率放大器基础电路和工作原理，最终给出设计用例并进行仿真。由局部到整体，由理论到实际设计理念。在未来生活中，对丙类谐振功率放大器要求会越来越高，人类将设计出更为高质量器件来适应社会需要。

参考文件
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