課程設(shè)計報告----高頻功率放大器

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　課程設(shè)計題目：高頻功率放大器</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件，用于發(fā)射機(jī)地末端。</p><p>　　本課程設(shè)計的高頻功率放大器電路由兩極功率放大器

2、組成，第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。分別對甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計，通過給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計的工作狀態(tài)和計算出電路中各器件參數(shù)，從而設(shè)計出完整高頻功率放大器電路，再利用電子設(shè)計軟件multisim對電路仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：甲類功率放大器、丙類功率放大器、multisim仿真。</p><p><

3、;b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1設(shè)計要求1</b></p><p>　　1.1已知條件1</p><p>　　1.2主要技術(shù)參數(shù)1</p><p>　　1.3具體要求1</p><p><b>　　2原理分析2</b&

4、gt;</p><p><b>　　3電路設(shè)計3</b></p><p>　　3.1電路概要設(shè)計3</p><p>　　3.2丙類功率放大器設(shè)計3</p><p>　　3.2.1放大器的工作狀態(tài)3</p><p>　　3.2.2諧振回路及耦合回路的參數(shù)4</p>

5、<p>　　3.2.3基極偏置電路參數(shù)計算5</p><p>　　3.3甲類功率放大器設(shè)計5</p><p>　　3.3.1電流性能參數(shù)5</p><p>　　3.3.2靜態(tài)工作點(diǎn)5</p><p>　　4高頻功率放大器完整電路圖7</p><p><b>　　5電路仿真8&

6、lt;/b></p><p><b>　　6設(shè)計心得10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p><b>　　設(shè)計要求</b></p><p><b>　　已知條件</b></p><p&g

7、t;　　+VCC=+12V,晶體管3DG130的主要參數(shù)為PCM=700mW，ICM=300mA，VCES≤0.6V，hfe≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB。晶體管3DA1的主要參數(shù)為PCM=1W，ICM=750mA， VCES≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。</p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù)</b></p><p

8、>　　輸出功率P0≥500mW，工作中心頻率f0≈5MHz，效率η＞50%，負(fù)載RL=50Ω。</p><p><b>　　具體要求</b></p><p>　　分析高頻功率放大器原理，通過給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計的工作狀態(tài)和計算出電路中各器件參數(shù)，利用電子設(shè)計工具軟件multisim對電路進(jìn)行仿真測試，分析電路的特性。<

9、;/p><p><b>　　原理分析</b></p><p>　　高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大， 以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi) 的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。 高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃 分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大

10、器兩種，窄帶高頻功率放大器 通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大 器或諧振功率放大器。</p><p>　　利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角θ的范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ=180，效率η最高也只能達(dá)到50%，而丙類功放的θ&l

11、t; 90º，效率η可達(dá)到80%，甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。圖1為丙類諧振功率放大器。</p><p>　　圖 1 丙類諧振功率放大器</p><p><b>　　電路設(shè)計</b></p><p><b>　　電路概要設(shè)計<

12、;/b></p><p>　　本課程設(shè)計的高頻功率放大器由兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1 組成甲類功率放大器，晶體管VT2 組成丙類諧振功率放大器。從輸出功率P0≥500mW來看，末級功放可以采用甲類或乙類或丙類功率放大器，但要求總效率η＞50%，顯然不能只用一級甲類功放，但可以只用一級丙類功放。本課程設(shè)計采用的電路甲類功放選用晶體管3DG130,丙類功放選用3DA1。首先設(shè)計丙類功率放

13、大器，再設(shè)計甲類功率放大器。</p><p><b>　　丙類功率放大器設(shè)計</b></p><p><b>　　放大器的工作狀態(tài)</b></p><p>　　為獲得較高的效率η及最大輸出功率P0。放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)，取，得諧振回路的最佳負(fù)載電阻Re為 ，集電極基波電流振幅為 ，集電極電流脈沖的最大值Icm及其直

14、流分量Ic0，即 Icm= Ic1m / α1（）=216mA， Ic0= Icm ·α0（）=54mA。</p><p>　　電源供給的直流功率PD為： PD=VCCIc0=0.65W。</p><p>　　集電極的耗散功率PC'為： PC'=PD-P0=0.15W。</p><p>

15、;　　放大器的轉(zhuǎn)換效率η為：η=P0/PD=77%。</p><p>　　若設(shè)本級功率增益AP=13dB（20倍），輸入功率Pi為Pi=P0/AP=25mW，基極余弦脈沖電流的最大值為Ibm（設(shè)晶體管3DA1的直流β=10）Ibm=Icm/β=21.6mA，基極基波電流的振幅Ib1m 為Ib1m=Ib1mα1()=9.5mA，輸入電壓的振幅Vbm為 。</p><p>　　諧振回路及耦合回

16、路的參數(shù)</p><p>　　在諧振功率放大器中，為滿足結(jié)它的輸出功率和效率的要求，并有較高的功率增益，除正選擇放大器的工作狀態(tài)外，還必須正確設(shè)計輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在諧振功率放大器中的連接情況如圖2所示。無論是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它們都具有傳輸有用信號的作用，故又稱為耦合電路。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在求它具有濾波和阻抗變換功能，即濾除各次分量，使負(fù)載上只有基波電壓；將外接負(fù)載RL 變換成

17、諧振功放所要求的負(fù)載電阻R，以保證放大器輸出所需的功率。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)也稱濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，要求它把放大器的輸入阻抗變換為前級信號源所需的負(fù)載阻抗，使電路能從前級信號源獲得盡可能大的激勵功率。</p><p>　　圖 2丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　丙類功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸入阻抗|Zi|可計算， 　　 ，輸出變壓器線圈

18、匝數(shù)比為，，取N3=2,N1=3。若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容C=100pF，得回路電感為。</p><p>　　若采用的的NXO-100鐵氧體磁環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，可以計算變壓器一次線圈的總匝數(shù)N2，即由可得N2≈8。需要指出的是，變壓器的匝數(shù)N1、N2、N3的計算值只能作為參考值，由于電路高頻工作時分布參數(shù)的影響，與設(shè)計值可能相差較大。為調(diào)整方便，通常采用磁心位置可調(diào)節(jié)的高頻變壓器。</p>

19、<p>　　基極偏置電路參數(shù)計算</p><p>　　基極直流偏置電壓VB為 ?！　∩錁O電阻RE2為 RE2=|VB|/ICO=20Ω。　　取高頻旁路電容CE2=0.01μF。</p><p><b>　　甲類功率放大器設(shè)計</b></p><p><b>　　電流性能參數(shù)</b></p>&

20、lt;p>　　由丙類功率放大器的計算結(jié)果可得甲類功率放大器的輸出功率PO'應(yīng)等于丙類功放的輸入功率Pi，輸出負(fù)載Re'應(yīng)等于丙類功放的輸入阻抗|Zi|，即PO'=Pi=25mW,Re'=|Zi|=86Ω。集電極的輸出功率P0為(若取變壓器效率ηT=0.8) P0=PO'/ηT≈31mW。</p><p>　　若取放大器的靜態(tài)電流ICQ=Icm=7mA，得集電極電壓的振

21、幅Vcm及最佳負(fù)載電阻Re分別為 Vcm=2P0/Icm=8.9V， 。</p><p>　　因射極直流負(fù)反饋電阻RE1為 ，取標(biāo)稱值360Ω，得輸出變壓器匝數(shù)比為 ，若取二次側(cè)匝數(shù)N2=2，則一次側(cè)匝數(shù)N1=6。</p><p>　　本級功放采用3DG12晶體管，設(shè)β=30，若取功率增益AP=13dB（20倍），則輸入功率Pi為 Pi=P0/AP=1.55mW，得放大器的輸入阻抗Ri為R

22、i≈rb'b+βR3=25Ω+30×R3</p><p>　　若取交流負(fù)反饋電阻R3=10Ω則Ri=335Ω，得本級輸入電壓的振幅Vim為。</p><p><b>　　靜態(tài)工作點(diǎn)</b></p><p>　　由上述計算結(jié)果得到靜態(tài)時(Vi=0)晶體管的射極電位VEQ為VEQ=ICQRE1=2.5V，則VBQ=VEQ+0.7V

23、=3.2V，IBQ=ICQ/β=0.23mA，若取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則R2=VBQ/5IBQ=2.8kΩ，取標(biāo)稱值3kΩ。 在實(shí)驗(yàn)時可以調(diào)整時取R1=5.1kΩ+10kΩ電位器。取高頻旁路電容CE1=0.022μF，輸入耦合電容C1=0.02μF。</p><p>　　高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π形C1=0.002μFLC低通濾波器，L10,L20可按經(jīng)驗(yàn)取50~100μH，C10，C11

24、，C20，C21按經(jīng)驗(yàn)取0.01μF。L10,L20可以采用色碼電感，也可以用環(huán)形磁心繞制。</p><p>　　高頻功率放大器完整電路圖</p><p>　　將上述設(shè)計計算的元件參數(shù)按照圖所示電路進(jìn)行安裝，然后再逐級進(jìn)行調(diào)整。最好是安裝一級調(diào)整一級，然后兩級進(jìn)行級聯(lián)。所示可先安裝第一級甲類功率放大器，并測量調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)使其基本滿足設(shè)計要求，如測得VBQ=2.8V,VEQ=2.2V，則I

25、CQ=6mA。再安裝第二級丙類功率放大器。測得晶體管3DA1的靜態(tài)時基極偏置VBE=0。</p><p>　　圖所示3為完整的高頻功率放大器電路圖。第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。</p><p>　　圖 3完整的高頻功率放大器電路圖</p><p><b>　　電路仿真</b></p><p>　　

26、利用電子設(shè)計軟件multisim對電路仿真，根據(jù)圖3高頻功率放大器電路圖在軟件multisim中繪制出仿真電路圖，如圖4所示。</p><p>　　圖 4高頻功率放大器仿真電路圖</p><p>　　對電路進(jìn)行仿真測試高頻放大器的放大效果，在輸入端輸入1KHZ的正弦波信號，由仿真電路圖在仿真示波器選擇B通道觀察輸入的1KHZ的正弦波信號，如圖5所示，輸入電壓Vi=326mV。</p&

27、gt;<p>　　圖 5 1KHZ的正弦波信號</p><p>　　再觀察仿真示波器A通道的波形，即經(jīng)高頻功率放大器放大的信號波形，如圖6所示，由仿真示波器可得輸出電壓Vo=2.282V。放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV =7, 20LgA=20Lg7=16.9dB,故由Multism仿真測得設(shè)計的高頻功率放大器的電壓放大增益Av=16.9dB。</p><p&g

28、t;　　圖 6高頻功率放大器放大后的信號</p><p><b>　　設(shè)計心得</b></p><p>　　高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件,經(jīng)過一周的對高頻功率放大器電路的設(shè)計使我對高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。此次的高

29、頻課設(shè)，不僅讓我加深了對電子電路理論知識的理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設(shè)計出的電路經(jīng)過Multisim軟件仿真達(dá)到預(yù)期的放大效果，不僅讓小組所有成員共同獲得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism軟件的使用。種種在此次學(xué)習(xí)到的知識或是能力必將有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來的工作，這也是此次課程設(shè)計的目的所在。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b