高频功率放大器的设计 2.docx
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高频功率放大器的设计 2.docx
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高频功率放大器的设计2
东北石油大学
课程设计
课程高频电子线路
题目高频功率放大器的设计
院系电子科学学院
专业班级电信0
学生姓名
学生学号070
指导教师
2011年3月4日
东北石油大学课程设计任务书
课程高频电子线路
题目高频功率放大器的设计
专业电子信息工程姓名学号07090
主要内容、基本要求、主要参考资料等
1、主要内容
利用所学的高频电路知识,设计一个高频功率放大器。
通过本次电路设计,掌握高频谐振功率放大器的设计方法、电路调谐及测试技术。
加深对高频电子线路课程理论知识的理解,提高电路设计及电子实践能力。
2、基本要求
设计一个高频功率放大器,主要技术指标为:
(1)工作中心频率
;
(2)输出功率
;
(3)负载电阻
;
(4)效率
。
3、主要参考资料
[1]阳昌汉。
高频电子线路。
哈尔滨:
高等教育出版社,2006。
[2]张肃文,陆兆雄。
高频电子线路(第三版)。
北京:
高等教育出版社,1993。
[3]谢自美。
电子线路设计·实验·测试。
武汉:
华中科技大学出版社,2000。
[4]高吉祥。
电子技术基础实验与课程设计。
北京:
电子工业出版社,2002。
完成期限2月28日-3月4日
指导教师
专业负责人
2011年2月25日
一、电路原理
1.电路原理及用途
在通信电路中,高频功率放大器的效率是一个突出的问题,其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。
放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等,提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态,但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。
低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大,不能采用谐振回路作负载,因此一般工作在甲类状态;采用推挽电路时可以工作在乙类状态;高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小,可以采用谐振回路作负载,故通常工作在丙类状态,通过谐振回路的选频作用,可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分,选出基波从而消除非线性失真。
因此,高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。
根据放大器电流导通角
的范围,电流导通角
越小,放大器的效率
越高。
基于这一特点,高频功率放大器一般都工作在丙类状态。
工作状态
半导通角
理想效率
负载
应用
甲类
c=180
50%
电阻
低频
乙类
c=90
78.5%
推挽,回路
低频,高频
甲乙类
90<c<180
50%<<78.5%
推挽
低频
丙类
c<90
>78.5%
选频回路
高频
丁类
开关状态
90%~100%
选频回路
高频
表1不同工作状态时放大器的特点
2.主要技术指标
高频功率放大器的主要技术指标有:
输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。
这几项指标要求是互相矛盾的,在设计放大器时应根据具体要求,突出一些指标,兼顾其他一些指标。
本次课程设计的主要技术指标要求如下:
(1)工作中心频率
;
(2)输出功率
;
(3)负载电阻
;
(4)效率
。
+VCC=+12V,晶体管3DG12的主要参数为PCM=700mW,ICM=300mA,VCE(sat)≤0.6V,hfe≥30,fT≥150MHz,放大器功率增益AP≥6dB。
晶体管3DA1的主要参数为PCM=1W,ICM=750mA, VCE(sat)≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。
从输出功率P0≥500mW来看,末级功放可以采用甲类或乙类或丙类功率放大器,但要求总效率η>50%,显然不能只用一级甲类功放,但可以只用一级丙类功放。
为使读者对应用较多的甲类功放与丙类功放均有所了解,所以本题采用了如图4所示的电路,其中甲类功放选用晶体管3DG12,丙类功放选用3DA1。
首先设计丙类功率放大器,再设计甲类功率放大器。
二、设计步骤和调试过程
1、总体设计电路
图1总体设计框图
整个电路的原理图如图2所示:
图2高频功率放大器电路原理图
2、电路工作状态或元件参数的确定
(1)所需器件:
器件类别
主要参数
1、晶体管
3DG12
3DA1
2、电阻
各阻值电阻若干
3、电容
各值电容若干
4、高频磁环
镍锌铁氧体磁环(NX-100),Φ10mm×Φ6mm×5mm
5、漆包线
Φ0.31mm
6、电源
+UCC=12V
表2元件类别及参数
(2)丙类功率放大器的设计
①确定放大器工作状态:
为获得较高的效率η及最大输出功率P0。
放大器的工作状态选为临界状态,取
,得谐振回路的最佳负载电阻Re为
得集电极基波电流振幅
为
得集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ic0,即
Icm= Ic1m / α1(
)=216mA
Ic0= Icm ·α0(
)=54mA
得电源供给的直流功率PD为
PD=VCCIc0=0.65W
得集电极的耗散功率PC'为
PC'=PD-P0=0.15W
得放大器的转换效率η为
η=P0/PD=77%
若设本级功率增益AP=13dB(20倍),输入功率Pi为
Pi=P0/AP=25mW
得基极余弦脉冲电流的最大值为Ibm(设晶体管3DA1的直流β=10)
Ibm=Icm/β=21.6mA
得基极基波电流的振幅Ib1m 为
Ib1m=Ib1mα1(
)=9.5mA
得输入电压的振幅Vbm为
②计算谐振回路和耦合回路参数
丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式,其中基极体电阻Rbb<25Ω,
则输入阻抗
≈87.1Ω
则输出变压器线圈匝数比为:
≈0.37
则这里,我们假设取N3=3和N1=8
若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF,则
≈60μH
用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器,
所以有
其中μ=100H/m,A=
,
=25mm,L=60μH
所以
≈20
(3)甲类功率放大器的设计
①计算电路性能参数
由丙类功率放大器的计算结果可得甲类功率放大器的输出功率PO'应等于丙类功放的输入功率Pi,输出负
载Re'应等于丙类功放的输入阻抗|Zi|,即PO'=Pi=25mW,Re'=|Zi|=86Ω。
设甲类功率放大器的电路如图4所示的激励级电路,得集电极的输出功率P0为(若取变压器效率ηT=0.8)
P0=PO'/ηT≈31mW
若取放大器的静态电流ICQ=Icm=7mA,得集电极电压的振幅Vcm及最佳负载电阻Re分别为
Vcm=2P0/Icm=8.9V
因射极直流负反馈电阻RE1为
取标称值360Ω
得输出变压器匝数比为
若取二次侧匝数N2=2,则一次侧匝数N1=6
本级功放采用3DG12晶体管,设β=30,若取功率增益AP=13dB(20倍),则输入功率Pi为
Pi=P0/AP=1.55mW
得放大器的输入阻抗Ri为
Ri≈rb'b+βR3=25Ω+30×R3
若取交流负反馈电阻R3=10Ω,则Ri=335Ω
得本级输入电压的振幅Vim为
②计算静态工作点
综上可知Ui=0时,晶体管射极电位Ueq=Icq*RE1=8.9V,Ubo=9.5V
Ibo=Ico/β=0.17mA
若基极偏置电流I1=5Ibo,则R2=Ubo/5Ibo≈11.2kΩ
所以有
≈2.95kΩ
3、仿真及仿真结果分析
将上述设计的元件参数,按图1所示电路进行安装(上述未标出的器件参数,以图上标注为准)。
先安装第一级放大器,测量调整其静态工作点,使其满足或近似到理论设计值,再安装第二级放大器。
测得晶体管3DA1静态时,基极偏置电压Ube=0,静态工作点调整后在进行动态调试。
先假定谐振回路已经处于谐振状态,即集电极的负载电阻为纯阻抗。
但是回路的初始状态或者在调谐过程中,回路出现失谐状态,即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性,将使回路的等效阻抗下降。
这时集电极输出电压减小,集电极电流增大,集电极的耗散功率增加,严重时可能损毁晶体管。
图3高频功率放大器输入输出波形仿真图
4、设计电路的性能评测
利用电子设计工具软件Multisism设计了高频功率放大器,并对所设计的功率放大器性能进行了仿真实验,仿真结果表明所设计的放大器性能良好,满足设计要求,即
(1)工作中心频率
;
(2)输出功率
;(3)负载电阻
;(4)效率
。
三、结论及心得体会
经过这次将近一周的高频课程设计,不仅使我巩固了以前所学过的知识,更使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正学到属于自己的知识,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中我发现了自己的很多的不足之处,比如说发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
通过这次实习,我掌握了高频放大器的基本原理,甲类放大器和丙类放大器的基本技术指标,充分融会贯通达到熟练运用的地步。
课程设计的这段时间我确实受益匪浅,不仅提升了我的实践能力,更重要的是我的专业知识又有了很大的进步。
参考资料
[1]阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨:
高等教育出版社,2006.
[2]张肃文,陆兆雄.高频电子线路(第三版).北京:
高等教育出版社,1993.[3]谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉:
华中科技大学出版社,2000.
[4]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京:
电子工业出版社,2002.
[5]陈松,金鸿.电子设计自动化技术Multisim2001&Protel99se.南京:
东南大学出版社,2001.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
高频电子线路
题目名称
高频功率放大器的设计
学生姓名
学号
指导教师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务,难易程度和工作量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率高,工作作风严谨,善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理,计算过程简练准确,分析问题思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写规范,图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识,对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语:
指导教师:
2011年3月8日
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