丙类高频功率放大器课程设计

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：2013年12月20日目录一、设计目的……………………………………………………………………1二、设计思路……………………………………………………………………1三、设计过程……………………………………………………………………2、系统方案论证丙类谐振功率放大器电路、模块电路设计丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路匹配网络VBB、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析四、整体电路与系统调试及仿真结果…………………………………………11电路设计与分析.仿真与模拟Multisim简介基于Multisim电路仿真用例五、主要元器件与设备…………………………………………………………14晶体管的选择判别三极管类型和三个电极的方法电容的选择六、课程设计体会与建议………………………………………………………17、设计体会、设计建议七、结论…………………………………………………………………………18八、参考文献……………………………………………………………………19一、设计目的电子技术迅猛发展。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。基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器在当今和未来社会中的作用日益增加。高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗，要求发射机具有较大的输出功率，而且，通信距离越远，要求输出功率越大。所以，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛的应用，而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高的社会价值。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的展望。二、设计思路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应设置在功率的截止区。输入回路由于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的基区宽度调制效应以及结电容影响,在静态转移特性曲线(iC～VBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列,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+Ic2mcos2ωSt+…由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗很大，且为纯电阻。而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，这样，在负载上得到了所需的不失真的信号功率。三、设计过程系统方案论证丙类谐振功率放大器电路在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主要是安全、高效和不失真（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（或失真在允许的范围内），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的电路组成和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和自给偏自电路两部分组成。如图3-1-1所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它与CC构成电源滤波电路,需要在信号频率上，LC的感抗很大，接近于开路，CC容抗很小，接近于短路，目的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3-1-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生的压降，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,充分滤除不需要的高次谐波,以保证负载上的输出基波功率。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的简单基本电路,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3-1-3丙类谐振功率放大器的简单基本电路模块电路设计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的作用。但要注意,存在自给偏置电路的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。常用的基极偏置电路见图3-2-1(输出回路均以略去)所示。图3-2-1基极偏置电路现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图3-2-1（b）所示，当电源V1电压处在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的电流为i1，一个周期内的其他时间处于截止状态，此时，记流经C1的电流为i2。显而易见，基极导通时流经C2的电流i1大于截止时的电流i2，即i1＞i2。C2两端的电压关系为Ui1＞Ui2.由于基极相对于地的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，它的平均分量为负，使功率管发射结正偏，处于截止状态。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的一种方式。如图3-2-2(a)所示,图中LC为高频扼流圈,CC为电源滤波器,ZL为电抗。要求LC对信号频率的感抗很大,接近开路,CC的容抗很小,接近短路,是为了避免信号电流通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的一种馈电方式，如图2-4-2（b）所示，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对信号频率的感抗很大，接近开路，CC1和CC2的电容很小,接近短路。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的作用非常重要，具有阻抗转换、滤除高次谐波和高频率传送能量的作用。VBB、Vcm、Vbm、VCC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的负载特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能随Re变化的特性。利用准静态分析法对负载特性进行分析，画出电路的特性曲线，如图3-2-3所示。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，电路状态将发生变化，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，因此，Re较大.所以,在A′→A″→A，，，移动的过程中Re由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状态，相应的iC由余弦变化脉冲变为中间凹陷的脉冲波，用傅里叶级数将电流脉冲iC分解，即iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…，可画出ICO和Ic1m随Re变化特性,如图3-2-4所示。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变化曲线,如图3-2-5所示。图3-2-3谐振功率放大器电路特性曲线图3-2-4ICO和Ic1m随Re变化特性图3-2-5Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re变化曲线2调制特性集电极调制特性是指VBB、Vbm和Re一定，放大器性能随VCC变化的特性，当VCC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，iC波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波，如图3-2-6所示。基极调制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。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，如图3-2-7所示。图3-2-6放大器性能随VCC变化的特性图3-2-7放大器性能随VBB变化的特性放大器随Vbm变化特性曲线，与放大器性能随VBB变化的特性曲线类似，如图3-2-8所示。图3-2-8放大器性能随Vbm变化的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，晶体管集电极的周期性脉冲电流的顶部会凹陷，晶体管进入饱和区内，各物理量之间有着复杂的非线性关系，在此用微变量之间的线性关系进行分析。根据晶体管特性,管子的集电极电流的微变量可表示为ΔiC=h1①ΔiB+h2②ΔVCE⑴在放大区内，iC主要由iB控制，此时，h1﹥h2，在饱和区内iC主要由反向饱和电流iCEO决定，而iCEO大小取决于UCE电压，因此，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／rbeΔVbmsinωSt⑵输出电压为uCE=VCC-VcmsinωSt两边取微变量，有ΔuCE=-ΔVcmsinωSt⑶将⑵⑶带入⑴，得ΔiC=（h1Vbm/rbe-h2Vcm）ΔsinωSt⑷因此，⑷式中,在放大区内,h1﹥h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm﹥0,ΔiC与ΔiB同号。在饱和区内,ΔiC与ΔiB反号。由此可知，集电极电流波形会存在顶部凹陷。四、整体电路与系统调试及仿真结果电路设计与分析发光二极管颜色与电压：黄色通常为～,红色通常为2V～，绿色通常为～,正常发光时额定电流为20mA。如图4-2-1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，它提供的偏置电压是基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在电阻RB上产生的压降，LB是用来避免RB，CB对输入滤波匹配网络的旁路影响。C1，C2，C3和L1构成T型滤波匹配网络。输出端，RD1和D1构成构成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路，随着结温的升高，功率管基极—放射极电压VCE超过齐纳二极管D1的击穿电压时（耗散功率限制保护电路中，齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值），齐纳二极管D1击穿，从而限制了晶体管的耗散功率，防止了晶体管发生二次击穿而导致晶体管损坏。D2和RD2是为了防止无意中接入大于晶体管击穿电压的电压造成电路损坏而接入的保护电路（齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值），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式，可调整可变电容器C3和C4使其调整在输入信号频率上，时期输出不失真的信号功率，也可同时与输出电阻构成匹配网络提高输出功率。图4-1-1.仿真与模拟对图4-1-1电路用Multisim进行仿真。Multisim简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用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仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和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和测试这样一个完整的综合设计流程。基于Multisim电路仿真用例打开Multisim12，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。如图