丙類功率放大電路設計與實現開題報告

1、<p><b>　　1論文題目</b></p><p>　　丙類功率放大器電路設計與實現。</p><p><b>　　2課題來源</b></p><p>　　在高頻實驗中，由于丙類功率放大電路（圖2-1）的結構和性能參數設置不太完善，而且改變負載電阻很難得到凹陷的余弦脈沖，導致實驗效果不太理想。希望通過這一課題

2、改變實驗效果不太理想的現狀。</p><p>　　圖2-1丙類功率放大實驗圖</p><p>　　目前高頻電子線路的教學主要采用理論教學和實踐環(huán)節(jié)相結合的方法，兩者在過程上相互融洽。一個很重要的原因在于計算機技術和電子信息技術發(fā)展所帶來的計算機仿真系統(tǒng)，對于電子類課程所用到的計算機仿真系統(tǒng)稱為電子設計自動化（EDA技術）。在眾多的EDA設計軟件中，MULTISIM軟件是一種非常適合電子類課

3、程課堂教學和實踐教學的軟件工具，可以靈活的在課堂和實踐中進行演示和設計仿真，大大提高課堂效果，有利于學生的理解和掌握。</p><p>　　現行高頻電子線路實驗課程中普遍采用高頻電子線路試驗箱，其主要是設計好的模塊電路。因此要提高學生動手設計能力，提高學生的創(chuàng)新意識，就必須增加設計性實驗，既能加強理論知識的掌握，又鍛煉了動手能力。MULTISIM軟件是良好的人機交互式仿真軟件，具有完善的電路模擬、設計、仿真等功能

4、。有效提高學生分析、設計和應用能力。</p><p><b>　　3研究的目的和意義</b></p><p>　　隨著無線通信技術的高速發(fā)展，市場對射頻電路的需求越來越大，同時對射頻電路的性能要求也越來越高。丙類諧振功率放大器是位于無線發(fā)射級末端的重要部件，它通常被作為末級功放，以使發(fā)射信號獲得較大的輸出功率和較高的效率。</p><p>　　

5、在高頻實驗中，丙類功率放大器電路的效果并不理想，通過進一步研究希望可以改善丙類功率放大電路的性能參數。</p><p>　　在課題研究中，必須對完成基本電路的設計，制作與調試，完成從電路設計，器件參數選擇，PCB板設計制作，焊接、安裝調試。雖然電路原理簡單，但通過這一過程會了解電子線路整個的生產過程，為將來到工作單位更快適應工作環(huán)境打下基礎。</p><p>　　通過基礎實驗和課程設計，相

6、信一定會掌握所學各環(huán)節(jié)知識并具備了一定的分析能力、設計能力，通過課程設計，可以使對分析問題、解決問題、設計電路的能力有質的飛躍，由元件到環(huán)節(jié)最終達到了系統(tǒng)級的認識。通過設計、調試，會遇到理論教學中，甚至實驗環(huán)節(jié)中一些意想不到的許多實際問題，從而提高學生的電路設計能力及工程應用能力。</p><p><b>　　4主要研究內容</b></p><p>　　4.1丙類功率

7、放大電路組成結構</p><p>　　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4-1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。</p><p>　　圖4-1集電極直流饋電電路（串饋）&

8、lt;/p><p>　　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4-2所示，提高的偏置電壓是由基極電流脈沖中的平均分量IBO在高頻扼流圈LB中固有直流電阻上產生的壓降，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。</p><p>　　圖4-2自

9、給偏置電路</p><p>　　圖4-3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)。</p><p>　　圖4-3丙類功率放大器的簡單基本電路</p><p>　　4.2丙類諧振功率放大器工作原理</p><p>　　圖4-4為丙類諧振功率放大器原理圖,為實現丙類工作,基極偏置電壓VBB應設

10、置在功率的截止區(qū)。</p><p>　　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。</p><p>　　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(～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。</p&

11、gt;<p>　　圖4-4丙類功率放大器電路原理圖</p><p>　　由Dirichlet收斂定理可知,可將電流脈沖序列分解成平均分量、基波分量和各次諧波分量之和,即 =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中的基波分量呈現的阻抗很大，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

12、真的信號功率。</p><p>　　4.3丙類諧振功率放大器電路分析</p><p>　　本節(jié)主要在丙類諧振功率放大器管外電路進行分析，談論 、 、和對放大器的影響。</p><p>　　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

13、(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。</p><p>　　常用的基極偏置電路見圖4-5(輸出回路均以略去)所示。</p><p>　?。╝） （b）</p><p>　　圖4-5基極偏置電路</p><p>　　現分析基極偏置電壓是怎樣產生的,如圖4-5（b）所示，

14、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C1的電流為i2 。顯而易見，基極導通時流經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)。</p>&

15、lt;p>　　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、匹配網絡和放大管串接起來的一種方式。如圖4-6(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。</p><p>　　圖4-6（a）串聯(lián)電路

16、 圖4-6（b）并聯(lián)電路</p><p>　　并饋電路是把直流電源、匹配網絡和放大器并接起來的一種饋電方式，如圖4-6（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。</p><p><b>　　匹配網絡：</b></p><p>　　匹配

17、網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。</p><p>　　、、、對丙類諧振功率放大器性能影響分析：</p><p>　　負載特性：所謂諧振功率放大器的負載特性是指VBB、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4-7所示。</p>&

18、lt;p>　　圖4-7諧振功率放大器電路特性曲線</p><p>　　由圖4-7可以看出，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)，相應的由余弦變化脈沖變?yōu)橹虚g凹陷的脈

19、沖波，用傅里葉級數將電流脈沖分解，即</p><p>　　=ICO + Ic1mcosωSt+ Ic2m cos2ωSt+…，</p><p>　　由=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC= PD- Po ，ηC= Po /(PD + Po)，可畫出、Po、PD、PC、ηC隨Re變化曲線，如圖4-8所示：</p><p>　　圖4-8

20、、、、、隨變化曲線</p><p>　　調制特性：集電極調制特性是指VBB、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)，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4-9所示。</p><p>　　圖4-9放大器性能隨變化特性</p><p>　　基極調制特性是指VCC、和Re一定，放大器性能隨VBB變

21、化的特性。當一定, 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4-10所示。</p><p>　　圖4-10放大器性能隨變化特性</p><p><b>　　4.4技術指標測試</b></p><p>　　輸出功率:高頻功率放大器的輸出功率是指放大器的負載RL上得到的最大不失真功率

22、。</p><p>　　測量功率放大器主要技術指標的連接電路如圖4-11所示，其中高頻信號發(fā)生器提供激勵信號電壓與諧振頻率，示波器監(jiān)測波形失真，直流毫安表測量集電極的直流電流，高頻電壓表V測量負載RL的端電壓。只有在集電極回路處于諧振狀態(tài)時才能進行各項技術指標的測量。放大的輸出功率可以由下式計算：</p><p>　　式中，VL為高頻電壓表V的測量值。</p><p&g

23、t;　　圖4-11高頻功放的測試電路</p><p>　　集電極效率：高頻功率放大器的總效率由晶體管集電極的效率和輸出網絡的傳輸效率決定。通常將集電極的效率視為高頻功率放大器的效率。利用圖4-11所示電路，可以通過測量來計算功率放大器的效率，集電極回路諧振時，的值由下式計算：</p><p>　　式中，VL為高頻電壓表V的測量值.</p><p><b>

24、　　功率增益：</b></p><p>　　放大器的輸出功率P0與輸入功率Pi之比稱為功率增益，用AP（單位：dB）表示。（）。</p><p>　　4.5 MULTISIM仿真</p><p>　　對丙類功率放大電路的工作原理和電路結構熟悉和了解后，再對電路通過MULTISIM軟件進行分析，比如靜態(tài)工作點分析，交流分析等等?；静襟E為：首先根據原理和設

25、計需要創(chuàng)建仿真電路原理圖（本畢設為丙類功率放大電路），然后根據實際情況設計好電路圖參數，最后設定仿真分析方法，打開仿真開關，借助仿真儀器對所設計的電路進行仿真，即可得到仿真結果。</p><p>　　原理電路圖建立如圖4-12所示：</p><p>　　圖4-12丙類功率放大電路</p><p>　　以丙類功率放大電路前級功放為例，對電路參數進行設置，以滿足靜態(tài)工作

26、點的要求和功率放大等的要求，如圖4-13所示：</p><p>　　圖4-13 丙類功放前級放大</p><p>　　靜態(tài)工作點測量結果為：</p><p><b>　　，，。</b></p><p>　　虛擬示波器顯示輸入輸出波形如圖：</p><p>　　由此可計算出電壓放大倍數。</p

27、><p><b>　　4.6 PCB制板</b></p><p>　　首先在Protel99SE中繪制電路原理圖，繪制流程如下：</p><p>　?。?）設置電路圖紙參數</p><p>　　用戶根據電路圖的復雜程度設置所用圖紙的大小、方向等的參數，這實際是一個建立工作面的過程，用戶只有設置好這個工作面，才能充分發(fā)揮出自己

28、的創(chuàng)造力。</p><p><b>　　裝入和制定元件庫</b></p><p>　　根據電路需要，將所需元件的元件庫裝入設計系統(tǒng)中，以便用戶從中查找和選定所需的元器件，由于Ptotel99SE提供的元件庫很多，查找元件很不方便，因此，用戶可根據實際情況，制定自己的元件庫。</p><p><b>　　（3）放置元件</b>

29、;</p><p>　　根據電路需要，將元件從元件庫中取出放置到工作平面上的位置進行調整，對元件的編號、封裝形式等進行定義和設置，以便為下一步的工作做好準備。</p><p><b>　　原理布線</b></p><p>　　用戶利用Protel99SE提供的各種工具、命令進行布線，將工作平面上的 元件用具用電器意義的導線、符號連接起來，形成一

30、個完整的原理圖。</p><p><b>　　檢查與調整</b></p><p>　　用戶對所繪制的原理圖作進一步的檢查，找到存在的問題，然后利用Protel99SE提供的各種工具對原理圖作進一步的修改和調整。最后，對原理圖做一些相應的說明、標注和修飾，以增加可讀性和可視性。</p><p>　　PCB設計的主要流程：</p>&

31、lt;p>　　系統(tǒng)規(guī)格：首先要先規(guī)劃出該電子設備的各項系統(tǒng)規(guī)格。包含了系統(tǒng)功能，成本限制，大小，運作情形等等。</p><p>　　系統(tǒng)功能區(qū)塊圖：將系統(tǒng)分割幾個PCB 將系統(tǒng)分割數個PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統(tǒng)具有升級與交換零件的能力。系統(tǒng)功能方塊圖就提供了我們分割的依據。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、聲卡、軟盤驅動器和電源等等。 </p><p>　　PC

32、B設計注意事項：</p><p>　　（1）避免在PCB邊緣安排重要的信號線，如時鐘和復位信號等。</p><p>　?。?）機殼地線與信號線間隔至少為4毫米；保持機殼地線的長寬比小于5:1以減少電感效應。</p><p>　?。?）已確定位置的器件和線用LOCK功能將其鎖定，使之以后不被誤動。</p><p>　?。?）導線的寬度最小不宜小

33、于0.2mm（8mil），在高密度高精度的印制線路中，導線寬度和間距一般可取12mil。 </p><p>　　（5)在DIP封裝的IC腳間走線，可應用10－10與12－12原則，即當兩腳間通過2根線時，焊盤直徑可設為50mil、線寬與線距都為10mil，當兩腳間只通過1根線時，焊盤直徑可設為64mil、線寬與線距都為12mil。</p><p>　　(6)當焊盤直徑為1.5mm時，為了增

34、加焊盤抗剝強度，可采用長不小于1.5mm，寬為1.5mm和長圓形焊盤。 </p><p>　　(7)設計遇到焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣焊盤不容易起皮，走線與焊盤不易斷開。 </p><p>　　(8)大面積敷銅設計時敷銅上應有開窗口，加散熱孔，并將開窗口設計成網狀。 </p><p>　　(9)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，減

35、少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。</p><p>　　5研究方案及進度安排，預期達到的目標</p><p>　　2011.11-2012.3 學生調研，完成文獻綜述，開題報告。</p><p>　　2012.3-2012.5 購買元器件，完成電路板的制作。</p><p>　　2

36、012.5-2012.6 硬件系統(tǒng)調試，性能指標測試。</p><p>　　2012.6-2012.7 過程材料整理與修改，畢業(yè)論文撰寫與修改。</p><p>　　預期達到的目標：在高頻丙類功率放大電路的基礎上，對其結構和性能參數進行重新修正，使實驗效果更加理想；同時完成丙類功率放大電路PCB板的制作，撰寫出畢業(yè)論文。</p><p>　　6為完成課題已具備和所需

37、的條件與經費</p><p>　　已具備和掌握了通信電子線路的基本知識，熟悉了MULTISIM、PROTEL等軟件的使用，但電路板設計所需的元器件尚未解決。</p><p><b>　　7主要參考文獻</b></p><p>　　1 王衛(wèi)東.高頻電子線路[M].電子工業(yè)出版社</p><p>　　2 基于MULTIS

38、IM 9的電子系統(tǒng)設計仿真與綜合應用[M]</p><p>　　3 高頻電子線路試驗指導書[M]</p><p>　　4 顧寶良.通信電子線路[M]</p><p>　　5 張寧,辛修芳.MULTISIM在高頻實驗電路中應用[J].商丘師范學院，2009</p><p>　　6 孫霄霄.高頻丙類功率放大電路的設計[J].牡丹江師范學院

39、物理系，2007</p><p>　　7 鄒學玉.丙類諧振功率放大器動態(tài)線性法與應用探討[D].漢江石油學院電子與信息工程系，2008</p><p>　　8 史慶軍.基于multisim2001的高頻丙類功率放大器仿真研究[J].佳木斯大學信息電子技術學院，2007</p><p>　　9 劉葉.淺談功率放大電路的設計[D].陜西省理工學院，2005<