W高频子线路设计方案——高频功率放大器设计方案Word格式.docx
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2、课程设计时间为1周。
(1)确定技术方案、电路,并进行分析计算,时间1天;
(2)选择元器件、安装与调试,或仿真设计与分析,时间2天;
(3)总结结果,写出课程设计报告,时间2天。
指导教师签名:
2010年1月 日
系主任(或责任教师)签名:
2010年1月 日
武汉理工大学《高频电子线路课程设计》报告
目录
摘要 I
Abstract II
1高频功率放大器概述 1
1.1基本原理框图 2
1.2放大器工作状态特点 3
2设计原理 4
2.1整体介绍 4
2.2谐振放大器基本原理 4
2.3电路动态特性 6
3单元电路设计与参数计算 8
3.1设计要求及思路 8
3.2丙类功率放大器的设计及参数计算 8
3.2.1确定放大器的工作状态 8
3.2.2基极偏置电路计算 9
3.2.3谐振回路与耦合线圈的参数计算 9
3.2.4电源去耦滤波元件选择 10
3.3甲类功率放大器的设计 10
3.3.1电路性能参数计算 11
3.3.2静态工作点计算 11
4高频功率放大器总电路图 12
5仿真结果及分析 13
5.1甲类放大器、丙类功率放大器静态直流工作点的测量与比较 13
5.2末级谐振功率放大器(丙类)仿真 13
5.3仿真遇到的问题 14
6总结与体会 16
参考文献 17
附录 18
元件清单 18
本科生课程设计成绩评定表 19
摘要
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件,广泛应用在发射机、高频加热装置和微波功率源等待脑子设备中。
高频功率放大器用于发射机的末级时,作用是为了弥补信号在无线传输的过程中的衰耗要求,将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。
按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种,窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路,故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;
宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器其他宽带匹配电路,因此又称为非调谐功率放大器。
高频功率放大器是一种能量转换器件,它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。
高频功率放大器大多工作于丙类。
高频放大器的主要技术指标是输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制。
关键词:
丙类功放高频选频回路功率与效率、技术指标
II
Abstract
High-frequencypoweramplifierforthetransmitterfinalstage,theroleofwirelesstransmissiontocompensateforsignalattenuationintheprocessofrequest,high-frequencysignalshavebeenmodulatedwavepoweramplifier,transmitpowertomeettherequirements,andthenthroughtheantennawillitsradiationintospace,toensureacertainregiontothesatisfactionofthereceivercanreceivethesignallevel,anddoesnotinterferewithadjacentchannelofcommunication.High-frequencycommunicationsystemstosendpoweramplifierisakeycomponentdevices.Theirworkisdividedintonarrowbandwidthofthehigh-frequencypoweramplifiersandbroadbandhigh-frequencypoweramplifiersaretwotypesofnarrow-bandhigh-frequencypoweramplifierusuallyhasafrequency-selectivefilteringeffectoffrequency-selectivecircuitastheoutputcircuit,itisalsoknownastunedpoweramplifier,orresonancepoweramplifier;
broadbandhigh-frequencypoweramplifieroutputcircuitisatransmission-linetransformerotherbroadbandmatchingcircuits,socallednon-tunedpoweramplifier.High-frequencypoweramplifierisanenergyconversiondevice,theDCpowersupplywillbeconvertedintohighfrequencyACpoweroutput.Mosthigh-frequencypoweramplifierworkinClassC.
Keywords:
Chigh-frequencyamplifierpowerandefficiencyoffrequency-selectivecircuit
1高频功率放大器概述
在低频电子线路中,为了获得足够大的输出功率必须采用低频功率放大器。
这种低频功率放大器一般工作在甲类或是乙类(推挽输出)或甲乙类的放大器,效率不会超过78.5%,同样的在高频电子线路中,为了获得足够大的输出功率,也必须采用高频功率放大器。
不过,由于高频功率放大器的特殊性,高频功率放大器既可以工作在甲类或甲乙类状态,也可以工作在丙类或是丁类甚至是戊类,效率可以高过78.5%,比如在调幅信号发射机中,高频功率放大器把已调波的功率放大到足够的大,使调幅广播计划的覆盖地区能够正常的接听。
在通信方面,常常也需要高频功率放大器如闭路电视。
由此可见,高频功率放大器是通信发送设备的重要组成部分,广泛应用在发射机、高频加热装置和微波功率源等待脑子设备中。
高频功率放大器有窄带和宽带放大器两种。
窄带高频功放常采用具有选频功能的谐振网络作为负载,所以又被称为谐振功率放大器。
为了提高效率,谐振功率放大器常工作于乙类或是丙类状态。
带宽高频放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载,它可以实现功率合成。
由于不采用谐振网络,因此这种高频功率放大器可以在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐。
高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率、功率增益。
带宽和谐波抑制等。
这几项指标往往是相互矛盾的,对于不同应用,要有所兼顾。
它的主要技术指标是输出功率和效率。
由于高频功率放大器的输出功率比较大,耗能比较多,所以工作效率就显得比较重要。
放大器的基本原理都是利用输入基极或栅极的信号区控制集电极或是漏极或阳极的直流电源,让这个直流电源输出的功率转变为与输入信号频谱结构相同的输出信号的功率。
显然,这个转换的效率不能到100%,因为电子元器件本身还要消耗功率,比如电阻、晶体管、场效应管、电子管等。
事实上,这个直流电源输出的功率一部分转化为了交流输出,另一部分主要以热能的形式被集电极或是漏极或阳极所消耗。
称为耗散功率。
工作效率的提高意味着更加的节能。
20
1.1基本原理框图
高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。
利用选频网络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。
随着现代通信技术的日益发展高频放大应用的领域也越来越广。
在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。
比如射频手机和高频信号收发机等,都需要用到高频功率放大器,并且作为一项非常重要的技术攻关项目。
特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标。
所以本次课程设计我选择高频功谐振率放大器。
如图1-1所示为高频功放基本原理图,图中,高频扼流圈提供直流通路,C1为隔直流电容,谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。
其中天线等效阻抗,作为输出负载。
与非谐振功放比较,它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率,但有一些区别。
图1-1高频功放基本原理框图
谐振式高频功率放大器的特点是:
①为了提高效率,放大器常工作于丙类状态,晶体管发射结为反向偏置,由Eb(VBB)来保证,流过晶体管的电流为余弦脉冲波形;
②负载为谐振回路,除了确保从电流脉冲波中取出基波分量,获得正弦电压波形外,还能实现放大器的阻抗匹配。
1.2放大器工作状态特点
根据放大器的导通角q的范围可以分为甲类、乙类、丙类、丁类等功放。
电流导通角q的大小和效率有关系如下表2-1所示:
表2-1 各类功放特点
工作状态
半导通角
理想效率
负载
应用
甲类
180°
50%
电阻
低频
乙类
90°
78.5%
推挽,回路
低频,高频
甲乙类
-180°
50%-78.5%
推挽
丙类
大于78.5%
选频回路
高频
丁类
开关状态
90%-100%
高频功率放大器一般工作在丙类,属于非线性电路。
丙类的效率可以达到80%左右。
丙类功放作为发射机的末级,以获得较大的输出功率和较高的输出效率。
在这次的课程
设计的技术指标输出功率Po>
500mw来看,末级功放可采用甲类或丙类功率放大器,但要求总效率η>
50%,显然,只用一级甲类功放是不能达到目的的,故采用两级功率放大器,第一级采用甲类功率放大器,第二级采用丙类功率放大器。
.
2设计原理
2.1整体介绍
基本部分组成,即电子管、谐振回路和电源。
电子管在放大器中起着把直流能量转换为交流能量的作用;
谐振回路是电子管的负载;
电源供给电子管各电极电压,它们共同保证电子管的正常工作。
1
2
1 g a 2
放大器有两个主要电路:
板极电路和栅极电路。
板极电路包括并联振荡回路和直流板极电压Ea的馈电电路。
振荡回路由电感L1、电容C1和电阻r组成。
电路中C'
为高频旁路电容,L'
为高频阻流圈。
在栅极电路中加入直流偏压E,一般E为负值。
和L'
分别是栅极回路的高频旁路电容和高频阻流圈。
2.2谐振放大器基本原理
如下图2-2所示丙类功放基本电路图所示:
5
C
VBB
Vcc
4
3
RA
Vi
图2-1 丙类功放基本电路图
EO
丙类功放的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量I 在射级电阻R上产生的压降来提供,故称为自给偏压降电路。
在电路中:
uBE(t)=VBB+Vi
cos(wt)
(2-1)
uCE(t)=VCC+Vcmcos(wt)
(2-2)
当电路接好并将各电极电压加上时,则在板极电路中就会出现受到栅极电压控制的板流脉冲,脉冲波形如图3-1所示。
ia是周期性函数,由数学知识可知,它可用傅氏级数来表示。
可见,板极电流等于直流分量Ia0、一次谐波(基波)、二次谐波和其他高次谐波之和。
当放大器的输入信号ni
为正弦波时,集电极的输出电流ic
为余弦脉冲波,但只有在欠
压或是临界状态下才是尖顶余弦脉冲,如下图所示:
图2-2 尖顶余弦脉冲波形
若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数即:
ic=Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+.....
(2-3)
其中各系数应满足:
IC0=iCmaxa0(qC)Icm1=iCmaxa1(qC)Icmn=iCmaxan(qC)
(2-4)
其中a0、a1等系数满足的波形如下图:
图2-3尖顶脉冲波的分解系数
由图,兼顾功率与效率,一般高频功率放大器导通角选在70°
左右。
此时的效果最佳。
可以达到80%左右。
2.3电路动态特性
当功率放大器的电源电压+Ucc,基极偏压Ub,输入电压C确定后,如果电容导通角确定,则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rp。
谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。
图2-4谐振功率放大器的负载特性
激励电压ug=Ugcosωt是随时间而变化的。
当Eg、Ea、Roe保持不变时,激励电压振幅Ug的变化对工作状态将产生影响:
当Ug=0时,丙类高频功率放大器将处于截止状态。
g
当Ug由零开始增加,且eg=Eg十Ug≥E¢
时,板ia开始导通,在eg<0时,栅流为零,显然此时为欠压状态。
Ug继续增加,且eg=Eg十Ug≥0时,栅流ig开始出现,并随Ug增加而增大。
所以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。
由此可见,改变Ug大小,就可以改变工作状态。
图2-5 Ug变化对工作状态影响的三组曲线
在谐振功放中,为了提高效率,都在丙类工作状态,或者工作在更高效率的丁类和戊类。
在这种情况下,功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波
形。
为实现不失真放大,必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波(即载波信号)或者在高频附近占有很窄频带的已调波信号。
在这种信号作用下,功率管集电极电流波形为接近余弦的脉冲序列,用傅氏级数将它分解为平均分量,基波分量和各次谐波分量之和,输出滤波匹配网络取出基本波分量,滤除其它无用分量,就能在负载上获得不失真的输出信号。
同理,在功率管输入端,基极电流也是失真脉冲序列,通过输入匹配滤波网络的滤波作用,加到功率管输入端的为不失真的信号电压。
与非谐振功放一样,在特定的偏置条件下,对应于特定大小的输入信号,功率管有一最佳负载,这时,谐振功放的输出功率最大,效率也较高。
因此滤波匹配网络除了滤波作用外,还起到匹配作用,即将输出负载(往往是非电阻性负载)变换为功率管所需的最佳负载。
总之,谐振功放是在限定输入信号波形的情况下,通过滤波匹配网络,使输出负载上得到所需的不失真功率。
3单元电路设计与参数计算
3.1设计要求及思路
65%。
已知:
电源供电为12V,负载电阻,RL=51Ω,晶体管用3DA1,其主要参数:
Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe≥10,功率增益Ap≥13dB(20倍)。
从输出功率Po≥125mW来看,末级功放可采用甲类或丙类功率放大器,但要求总效
率 η>
65%,显然,只用一级甲类或是丙类功放是不能达到目的的,故采用两级功率放
大器,第一级采用甲类功率放大器,第二级采用丙类功率放大器,丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。
因欠压状态效率低,而过压状态严重失真,谐波分量大,所以一般选用临界状态。
在晶体管功率放大器中,可以通过改变激励电压、基极偏压、集电极负载、集电极直流供电电压来改变放大器的工作状态。
3.2丙类功率放大器的设计及参数计算
RE2 CE2
2R2
IN
3DA1 TRAN-2P3S
RL
100pf
VCC
N1
OUT
丙类功率放大器的电路组成如下图3-1:
图3-1丙类功放电路图
3.2.1确定放大器的工作状态
对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率,为兼顾两者,通常选丙类且要求在临界工作状态,其电流流通角qc在600—900范围。
现设qc=700,查表得:
集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数a(700)=0.25,集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数,a(700)=0.44。
设功放的输出功率为0.5W。
)2
2Po
功率放大器集电极的等效电阻为:
p
R=(Vcc-VCES
=(12-1.5)2
2(0.5)W
=110W
集电极基波电流振幅为:
Icm1= =95mA
2Po/Rp
集电极电流脉冲的最大振幅为:
Icmax=Icm1/a1(qc)=95mA/0.44=216mA
集电极电流脉冲的直流分量为:
Ico=Icmax´
ao(qc)=216´
0.25=54mA
电源提供的直流功率为:
集电极的耗散功率为:
PD=VCCICO=12V´
54mA=0.65w
PC=PD-Po=0.65-0.5=0.15w
集电极的效率为:
根据设计要求,已知Ap=13dB
h=Po/PD=0.5/0.65=77%
即Ap=20,则输入功率:
Pi=Po/Ap=0.5/20=25mV
基极余弦脉冲电流的最大值(设3DA1的b=10):
IBm=Icmb=21.6mA
基极基波电流的振幅为:
I =Ia(700)=9.5mA
B1m Bm1
得基极输入的电压振幅为:
VBm=2Pi/IB1m=5.3V
3.2.2基极偏置电路计算
c
因为cosq=VE+VZ
,则基极偏置电压:
V=V cosq-V
=5.3cos700=1.1V
VBm
E bm c Z
因为V=I R,则射极电阻:
R=V/I
=1.1/(54´
10-3)=20W
E COE E E co
高频旁路电容取CE2=0.01pf
3.2.3谐振回路与耦合线圈的参数计算
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:
Z1=
Rbb
(1-cosq)´
a1(q)
= 25W
(1-cos70o)´
0.436
≈87.1Ω
R0
则输出变压器线圈匝数比为:
N3=
≈0.68
这里,我们假设取N3=2和N1=3
若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF,则
L=1´
(
1
2pf0
)2≈100μH
用Φ10mm×
Φ6mm×
5mm磁环来绕制输出变压器,其中:
μ=100H/m,A=10mm2,l=25mm,L=60μH
(A))2
∵ 有L=4P(m)´
cm´
N2´
10-3,∴
N≈26
(l)cm
3.2.4电源去耦滤波元件选择
高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器,滤波电感。
可按经验取
50~100μH,滤波电感一般取0.01μF。
3.3甲类功率放大器的设计
图3-2 甲类功放电路图
3.3.1电路性能参数计算
综上所述,知甲类功率放大器输出功率等与丙类功放的输入功率,即:
PH=P1=25mW
h
输出负载等于丙类功放输入阻抗,即RH=Z1=87.1Ω,设变压器效率hb取0.8:
则集电极输出功率:
PC=pH ≈31mW
b
若取放大器的静态电流:
ICC=ICM=7mA则集电极电压振幅:
UCM=2PC/ICM=8.9V
最佳负载电阻为:
H
R =U
CM
2P
=1.3kΩ
则射极直流负反馈电阻:
RE1
=UCC-UCM
Icq
-UCES
≈357Ω(Icq
≈ICM)
则输出变压器线圈匝数比:
RHhb
N1= ≈3
N2
本级功放采用3DA1晶体管,取β=10
Ar=13dB即20倍放大倍数,则输入功率
Pi=P0/AP=1.55mW,放大器
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