丙類高頻功率放大器課程設計.doc

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高頻電子線路課程設計報告 題 目： 丙類功率放大器 院 系： 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 報告成績： 2013年12月20日 目 錄 一、設計目的…………………………………………………………………… 1 二、設計思路…………………………………………………………………… 1 三、設計過程…………………………………………………………………… 2 3.1、系統(tǒng)方案論證 3.1.1 丙類諧振功率放大器電路 3.2、模塊電路設計 3.2.1丙類諧振功率放大器輸入端采用自給偏置電路 3.2.2丙類諧振功率放大器輸出端采用直流饋電電路 3.2.3匹配網(wǎng)絡 3.2.4 VBB 、Vcm、Vbm、VCC對丙類諧振功率放大器性能影響分析 四、整體電路與系統(tǒng)調試及仿真結果…………………………………………11 4.1 電路設計與分析 4.2.仿真與模擬 4.2.1 Multisim 簡介 4.2.2 基于Multisim電路仿真用例 五、主要元器件與設備…………………………………………………………14 5.1 晶體管的選擇 5.1.2 判別三極管類型和三個電極的方法 5.2電容的選擇 六、課程設計體會與建議………………………………………………………17 6.1、設計體會 6.2、設計建議 7、 結論…………………………………………………………………………18 八、參考文獻……………………………………………………………………19 一、設計目的 電子技術迅猛發(fā)展。由分立元件發(fā)展到集成電路，中小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路?；痉糯笃魇墙M成各種復雜放大電路的基本單元。弱電控制強電在許多電子設備中需要用到。放大器在當今和未來社會中的作用日益增加。 高頻功率放大器是發(fā)送設備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗，要求發(fā)射機具有較大的輸出功率，而且，通信距離越遠，要求輸出功率越大。所以，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無線電發(fā)射設備的重要組成部分。丙類諧振功率放大器在人類生活中得到了廣泛的應用，而且能高效率的將電源供給的直流能量轉換為高頻交流輸出，研究它具有很高的社會價值。 設計簡單丙類諧振功率放大器電路并進行仿真，以及對丙類諧振功率放大器發(fā)展的展望。 二、設計思路 丙類諧振功率放大器工作原理 圖2-2-1為丙類諧振功率放大器原理圖,為實現(xiàn)丙類工作,基極偏置電壓VBB應設置在功率的截止區(qū)。 輸入回路 由于功率管處于截止狀態(tài)，基極偏置電壓VBB作為結外電場，無法克服結內電場，沒有達到晶體管門坎電壓，從而，導致輸入電流脈沖嚴重失真，脈沖寬度小于90o。 由iC≈βiB知，iC也嚴重失真，且脈寬小于90o。 輸出回路 若忽略晶體管的基區(qū)寬度調制效應以及結電容影響,在靜態(tài)轉移特性曲線(iC～VBE)上畫出的集電極電流波形是一串周期重復的脈沖序列,脈沖寬度小于半個周期。 圖2-2-1 丙類諧振功率放大器原理圖 由Dirichlet收斂定理可知,可將電流脈沖序列iC分解成平均分量、基波分量和各次諧波分量之和,即 iC =ICO + Ic1mcosωSt+ Ic2m cos2ωSt+… 由于集電極諧振回路調制在輸入信號頻率上因而它對iC中的基波分量呈現(xiàn)的阻抗很大，且為純電阻。而對其他諧波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，這樣，在負載上得到了所需的不失真的信號功率。 三、設計過程 3.1系統(tǒng)方案論證 3.1.1 丙類諧振功率放大器電路 在放大器原理上，功率放大器與其他放大器一樣，都是能量轉換器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允許范圍內）地輸出所需信號功率，為高效率輸出信號且不失真（或失真在允許的范圍內），通常采用丙類諧振功率放大器。本章主要介紹丙類諧振功率放大器的電路組成和工作原理并對各種狀態(tài)進行分析。 在丙類諧振功率放大器中，管外電路由直流饋電電路和自給偏自電路兩部分組成。如圖3-1-1所示為集電極直流饋電電路（串饋），圖中，LC為高頻扼流圈,它與CC構成電源濾波電路,需要在信號頻率上，LC的感抗很大，接近于開路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信號通過直流電源而發(fā)生極間反饋，造成工作不穩(wěn)定。 由于自給偏置效應可以使輸入信號振幅變化時起到自動穩(wěn)定輸出電壓振幅,因此,在基極通常采用自給偏置電路,如圖3-1-2所示，提高的偏置電壓是由基極電流脈沖iB中的平均分量IBO在高頻扼流圈LB中固有直流電阻上產(chǎn)生的壓降，電路中LB為功率管基極電路提供直流通路。濾波匹配網(wǎng)絡介于晶體管和外接負載之間,充分濾除不需要的高次諧波,以保證負載上的輸出基波功率。 圖3-1-1集電極直流饋電電路（串饋） 圖3-1-2 自給偏置電路 圖3-1-3為丙類諧振功率放大器的簡單基本電路,輸入端采用自給偏置電路,輸出端為集電極直流饋電電路(串饋)。 圖3-1-3 丙類諧振功率放大器的簡單基本電路 3.2模塊電路設計 3.2.1丙類諧振功率放大器輸入端采用自給偏置電路 我們知道,丙類諧振功率放大器輸入端通常采用自給偏置電路提供偏置電壓，采用這種方式可以在輸入信號振幅變化時起到自動穩(wěn)定輸出的作用。但要注意,存在自給偏置電路的丙類諧振功率放大器只能適宜等幅信號(載波、調頻信號)而不適宜放大調幅信號，否則調幅信號包絡將會失真。 常用的基極偏置電路見圖3-2-1(輸出回路均以略去)所示。 圖3-2-1 基極偏置電路 現(xiàn)分析基極偏置電壓是怎樣產(chǎn)生的,如圖3-2-1（b）所示，當電源V1電壓處在正半周期且電壓振幅大于PN結門坎電壓時，基極導通，此時，記流經(jīng)C2的電流為i1 ，一個周期內的其他時間處于截止狀態(tài)，此時，記流經(jīng)C1的電流為i2 。顯而易見，基極導通時流經(jīng)C2的電流i1大于截止時的電流i2，即 i1＞i2 。C2兩端的電壓關系為 U i1＞U i2.由于基極相對于地的電壓波形為正半周期幅度小于負半周期幅度,由傅里葉級數(shù)可知，它的平均分量為負，使功率管發(fā)射結正偏，處于截止狀態(tài)。 3.2.2丙類諧振功率放大器輸出端采用直流饋電電路 集電極直流饋電電路有兩種連接方式:串饋和并饋。所謂串饋是指,將直流電源、匹配網(wǎng)絡和放大管串接起來的一種方式。如圖3-2-2(a)所示,圖中LC為高頻扼流圈,CC為電源濾波器,ZL為電抗。要求LC對信號頻率的感抗很大,接近開路, CC的容抗很小,接近短路,是為了避免信號電流通過直流電源造成工作不穩(wěn)定。 圖3-2-2(a) 串饋電路、 圖3-2-2（b）并饋電路 并饋電路是把直流電源、匹配網(wǎng)絡和放大器并接起來的一種饋電方式，如圖2-4-2（b）所示，圖中LC為高頻扼流圈，CC1為隔值電容，CC2為電源濾波電容，要求LC對信號頻率的感抗很大，接近開路， CC1和CC2的電容很小,接近短路。 3.2.3匹配網(wǎng)絡 匹配網(wǎng)絡介于晶體管和負載之間，在丙類諧振功率放大器電路中的作用非常重要，具有阻抗轉換、濾除高次諧波和高頻率傳送能量的作用。 3.2.4 VBB 、Vcm、Vbm、VCC對丙類諧振功率放大器性能影響分析 1 負載特性 所謂諧振功率放大器的負載特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能隨Re變化的特性。 利用準靜態(tài)分析法對負載特性進行分析，畫出電路的特性曲線，如圖3-2-3所示。由圖3-2-3看以看出,當A′沿UBE0曲線由右向左移動(即A′→ A″→A，，，方向移動)時，電路狀態(tài)將發(fā)生變化，曲線①較陡，近似直線斜率絕對值較大，從而，Re較??；曲線②較緩，近似直線斜率絕對值較小，因此，Re較大.所以,在A′→ A″→A，，，移動的過程中Re由小增大，放大器將由欠壓狀態(tài)進入過壓狀態(tài)，相應的iC 由余弦變化脈沖變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波，用傅里葉級數(shù)將電流脈沖iC分解，即 iC =ICO + Ic1mcosωSt+ Ic2m cos2ωSt+…， 可畫出ICO和Ic1m隨Re變化特性,如圖3-2-4所示。 由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC= PD- Po ,ηC= Po /(PD + Po)，可畫出Vcm、Po、PD、PC、ηC隨Re變化曲線,如圖3-2-5所示。 圖3-2-3 諧振功率放大器電路特性曲線 圖3-2-4 ICO和Ic1m隨Re變化特性 圖3-2-5 Vcm、Po、PD、PC、ηC隨Re變化曲線 2 調制特性 集電極調制特性是指VBB 、Vbm 和Re一定，放大器性能隨VCC變化的特性，當VCC由大減小時，放大器性能由欠壓狀態(tài)進入過壓狀態(tài)，iC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波，如圖3-2-6所示。 基極調制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能隨VBB變化的特性。當Vbm一定, VBB自負值向正值方向增大時,集電極電流脈沖不僅寬度增大,而且高度增加，放大器由欠壓狀態(tài)進入過壓狀態(tài)，如圖3-2-7所示。 圖3-2-6 放大器性能隨VCC變化的特性 圖3-2-7 放大器性能隨VBB變化的特性 放大器隨Vbm 變化特性曲線，與放大器性能隨VBB變化的特性曲線類似，如圖3-2-8所示 。 圖3-2-8 放大器性能隨Vbm變化的特性 諧振功率放大器過壓狀態(tài)下集電極電流凹陷分析。 當諧振功率放大器處于過壓狀態(tài)時，晶體管集電極的周期性脈沖電流的頂部會凹陷，晶體管進入飽和區(qū)內，各物理量之間有著復雜的非線性關系，在此用微變量之間的線性關系進行分析。 根據(jù)晶體管特性,管子的集電極電流的微變量可表示為 ΔiC=h1①ΔiB+h2②ΔVCE ⑴ 在放大區(qū)內，iC主要由iB控制，此時，h1﹥h2，在飽和區(qū)內iC主要由反向飽和電流iCEO決定，而iCEO大小取決于UCE電壓，因此，此時h2﹥h1 。 設輸入信號為正弦波uBE=VBB+VbmsinωSt 兩邊取微變量，有 ΔuBE=ΔVbmsinωSt 兩邊同除晶體管動態(tài)輸入電阻rbe,有ΔiB=1／rbeΔVbmsinωSt ⑵ 輸出電壓為 uCE= VCC- Vcm sinωSt 兩邊取微變量，有 ΔuCE =-ΔVcmsinωSt ⑶ 將⑵ ⑶帶入⑴，得 ΔiC=（h1Vbm/rbe-h2Vcm）ΔsinωSt ⑷ 因此，⑷式中, 在放大區(qū)內, h1﹥h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm﹥0, ΔiC與ΔiB同號。 在飽和區(qū)內, ΔiC與ΔiB反號。 由此可知，集電極電流波形會存在頂部凹陷。 四、整體電路與系統(tǒng)調試及仿真結果 4.1 電路設計與分析 發(fā)光二極管顏色與電壓：　 黃色通常為1.8V～2.0V,紅色通常為2V～2.2V，綠色通常為3.0V～3.2V ,正常發(fā)光時額定電流為20mA。 如圖4-2-1所示,為所設計丙類諧振功率放大器電路。 輸入端采用自給偏置電路提供偏置電壓，它提供的偏置電壓是基極電流脈沖iB中的平均分量IBO在電阻R B上產(chǎn)生的壓降，LB是用來避免RB ，CB對輸入濾波匹配網(wǎng)絡的旁路影響。C1 ，C2， C3和L1構成T型濾波匹配網(wǎng)絡。 輸出端，RD1和D1構成構成丙類諧振功率放大器限制功率保護電路，隨著結溫的升高，功率管基極—放射極電壓VCE超過齊納二極管D1的擊穿電壓時（耗散功率限制保護電路中，齊納二極管的反向擊穿電壓應小于晶體管的集電極耐壓額定值），齊納二極管D1擊穿，從而限制了晶體管的耗散功率，防止了晶體管發(fā)生二次擊穿而導致晶體管損壞。D2和RD2是為了防止無意中接入大于晶體管擊穿電壓的電壓造成電路損壞而接入的保護電路（齊納二極管的反向擊穿電壓應小于晶體管的集電極耐壓額定值），當接入VCC電壓大于齊納二極管反向擊穿電壓時，齊納二極管D2導通，放光二極管亮提醒工作人員，整個電路停止工作。直流電源VCC,功率管T和濾波匹配網(wǎng)絡在電路形式上并接成并饋饋電方式，可調整可變電容器C3和C4使其調整在輸入信號頻率上，時期輸出不失真的信號功率，也可同時與輸出電阻構成匹配網(wǎng)絡提高輸出功率。 圖4-1-1 4.2.仿真與模擬 對圖 4-1-1電路用Multisim進行仿真。 4.2.1 Multisim 簡介 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 4.2.2 基于Multisim電路仿真用例 打開Multisim 12，在電路設計窗口調用所需元件并按圖4-1-1進行連線并設計參數(shù)。如圖4-2-1所示。 打開示波器，接通電源進行仿真，仿真波形如圖4-2-2所示，（圖4-2-2仿真波形為反復調試參數(shù)后較滿意波形）。 圖4-2-1 圖4-2-2 五、元件與設備 5.1 晶體管的選擇 任何電子電路都以電子元件為基礎，常用的元件由電阻器、電容器、電感器、半導體器件（二極管、晶體管、場效應管以及集成電路）。半導體二極管和三極管是組成分立元件電子電路的核心元件。二極管具有單向導電性,可用于整流檢波、穩(wěn)壓混頻等電路。晶體管具有放大和開關作用,可用于放大、震蕩、調制等電路。表5-1-1是半導體器件型號的命名方法,可用此表對應型號選擇半導體器件。 表5-1-1 半導體器件型號的命名方法 電極數(shù) 材料與極性 類型 性能序號 規(guī)格號 符號 含義 符號 含義 符號 含義 含義 含義 2 3 二極管 三極管 A B C D A B C D E N型鍺材料 P型鍺材料 N型硅材料 P型硅材料 PNP型鍺材料 NPN型鍺材料 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 普通管 微波管 穩(wěn)壓二極管 參量管 整流管 β隧道管 阻尼管 光電管 開關管 低頻小功率管 高頻小功率管 低頻大功率管 高頻大功率管 反映了管子的直流、交流參數(shù)，極限參數(shù)等性能的差別。 反映了管子承受反向擊穿電壓的能力,按A、B、C、D…編號，A的承受能力最低，依次遞增。 晶體管分NPN型和PNP型兩大類。通過外殼上所標注的規(guī)格和型號,可以區(qū)分出管子的類型、材料、功能大小、頻率高頻等性能。此外,管殼上一般還用色點的顏色來表示管子的電流放大倍數(shù)β的大致范圍。如黃色表示β=30～60，綠色表示β=50～110，藍色表示β=90～160，白色表示β=140～200。 5.1.2 判別三極管類型和三個電極的方法 要弄清管子類型與三個電極。將萬用表至于電阻“R1K”檔，用黑表筆接晶體管的某一腳（假設其為基極），用紅表筆分別接另兩個腳。若兩次顯示阻值都很小,則表示該管是NPN管,且黑表筆所接管腳為基極;若兩次顯示的阻值都很大，則表示是PNP管，且黑表筆所接管腳為基極；若兩次顯示阻值一大一小，則表示黑表筆所接管腳不是基極，按上述方法測量，直到找到為止。若三個管腳測試下來,都不能確定基極。則晶體管可能以損壞。 確定管子的類型和基極后,可進一步判斷發(fā)射極和集電極。用萬用表置于電阻“R1K”擋，兩表筆分別接除基極外的兩個電極。對于NPN管,用手指捏住基極與黑表筆所接管腳，可測得一阻值。然后將兩表筆對換,同樣用手指捏住基極與黑表筆所接管腳，又測得一阻值。所得阻值小的那次測量,黑表筆所接管腳所接的是集電極,而紅表筆所接的是發(fā)射極。對于PNP管,應用手指捏住基極與紅表筆所接管腳,所得阻值小的那次測量,紅表筆所接的管腳為集電極,而黑表筆所接的管腳為發(fā)射極。 5.2電容的選擇 射頻電容的關鍵指標是高Q和低ESR。在功率放大器匹配電路的應用上,射頻功率的消耗與Q值成反比,直接與ESR值成正比。高Q電容是保證功率放大器增益和輸出功率指標的關鍵因素。 另外,電容器不是理想的電容，其模型都是由串聯(lián)的電感、電阻和電容組成，如圖5-2-1所示，因此，高Q電容在不同頻率下所呈現(xiàn)的等效電容值也不一樣。 圖5-2-1不理想電容器 射頻高Q最大的生產(chǎn)廠家當屬ATC（目前已被AVX收購），常用的ATC隔直流電容參數(shù)見表5-2-1所示。 表5-2-1 常用ATC隔值流電容參數(shù) 封裝 電容值（PF） 應用頻率（MHz） ESR（Ω） Q 諧振頻率 等效電容 串聯(lián)電感值（nH） 600S 47 2017.5 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 2017.5 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 2017.5 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、課程設計體會與建議 6.1.1課程設計體會 通過對丙類功率放大器的課程設計，充分掌握了功率放大器的工作原理，與原件的工作特性，掌握了在電路設計過程中元件的選擇與參數(shù)的計算，熟悉了仿真軟件的應用與模塊電路在整體電路中的作用。 此次課程設計為將來實際工作中要進行獨立解決問題的能力得到了鍛煉，將性能問題轉換成數(shù)學計算問題，再將數(shù)算問題回饋為實際問題，最終得以解決實際問題的方法。 6.1.2課程設計建議 在本次課程設計中，暴露了學生們理論知識與實際問題無法相結合的問題，無法快速的將實際問題建模，并得以解決，今后應加強鍛煉學生的將實際問題建立數(shù)學模型并最后解決實際問題的能力。 七、結論 電子技術迅猛發(fā)展。由分立元件發(fā)展到集成電路，中小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路?；痉糯笃魇墙M成各種復雜放大電路的基本單元。弱電控制強電在許多電子設備中需要用到。放大器在當今和未來社會中的作用日益增加。 高頻功率放大器是發(fā)送設備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗，要求發(fā)射機具有較大的輸出功率，而且，通信距離越遠，要求輸出功率越大。所以，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無線電發(fā)射設備的重要組成部分。丙類諧振功率功率放大器由于安全、高效和電路結構簡單的優(yōu)勢在人類生活中得到了廣泛的應用，而且能高效率的將電源供給的直流能量轉換為高頻交流輸出，研究它具有很高的社會價值。 在未來的生活中，諧振功率放大器，會出現(xiàn)在各個領域，充當更重要的角色。尤其通信電路中更是不可缺少。 丙類諧振功率放大器是電子電路的重要單元，其性能和穩(wěn)定性直接影響整個電路，甚至使昂貴的元件損壞。在設計丙類諧振功率放大器時，充分考慮功率管的極限參數(shù)，設置適當?shù)谋Ｗo電路和散熱裝置，各元件參數(shù)經(jīng)過反復仿真和試驗確定。該論文從介紹、分析丙類諧振功率放大器核心部件—晶體管，到基本放大電路，再到丙類諧振功率放大器基本電路和工作原理，最后給出設計用例并進行仿真。由局部到整體，由理論到實際的設計理念。在未來生活中，對丙類諧振功率放大器的要求會越來越高，人類將設計出更為高質量的器件來適應社會需要。 參考文獻 [1] 劉泉 通信電子線路［M］武漢;武漢理工大學出版社,2005. 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