高頻電子線路課程設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍1</p><p>　　1 高頻LC諧振功率放大器原理﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍2</p><p>　　1.1 集電極電源提供的的直流功率﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍2</p&

2、gt;<p>　　1.2 集電極的輸出功率﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍2</p><p>　　1.3 集電極效率﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍3</p><p>　　1.4 諧振功率放大器的負載特性﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍3</p><p>　　1.5 諧振功率放大器的實際線路﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍

3、﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍4</p><p>　　2 高頻LC諧振功率放大器電路設(shè)計﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍5</p><p>　　2.1 實驗電路參數(shù)計算﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍5</p><p>　　2.2 實驗原理電路﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍6</p><p>　　3 高頻LC諧振功率放

4、大器電路的仿真與分析﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍7</p><p>　　3.1 仿真軟件EWB簡介﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍7</p><p>　　3.2 高頻LC諧振功率放大器的仿真與分析﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍8</p><p>　　3.2.1 高頻LC諧振功率放大器的主要技術(shù)指標﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍9</p><p&

5、gt;　　3.2.2 EWB軟件對高頻LC諧振功率放大器的仿真﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍9</p><p>　　3.2.3 觀察高頻功率放大器的負載特性﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍12</p><p>　　3.2.4 輸入信號幅度變化對高頻功放輸出功率、總效率的影響﹍﹍﹍﹍14</p><p>　　3.2.5 直流電源電壓對功率放大器工作狀態(tài)的影響﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍1

6、6</p><p>　　4 總結(jié)﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍18</p><p>　　參考文獻﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍19</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　高頻諧振放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)中，如在發(fā)射設(shè)備中，為了有

7、效地使信號通過信道傳送到接收端，需要根據(jù)傳送距離等因素來確定發(fā)射設(shè)備的發(fā)射功率，這就要用高頻諧振功率放大器將信號放大到所需的功率；在接收設(shè)備中，從天線上感應(yīng)的信號是很微弱的，要將傳輸?shù)男盘柣謴?fù)出來，需將信號放大，這就需要高頻小信號功率放大器來完成。</p><p>　　已知功率是不能放大的，高頻信號的功率放大，其實質(zhì)是在輸入高頻信號的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功放器產(chǎn)生符合要求的高頻功率外

8、，還要求盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。 </p><p>　　頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負載，故通常工作在丙類，通過諧振回路的選頻功能，可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分，選出基波分量從而基本消除了非線性失真。所以，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)

9、。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計算準確度較低。以上討論的各類高頻功率放大器中，窄帶高頻功率放大器：用于提供足夠強的以載頻為中心的窄帶信號功率，或放大窄帶已調(diào)信號或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能，通常工作于乙類、丙類狀態(tài)。</p><p>　　實際上高頻功率放大器不僅僅應(yīng)用于各種類型的發(fā)射機中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)用。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸

10、出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大， 決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。 高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。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

11、帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，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；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。</p><p>　　1 高頻LC諧振功率放大器原理</p><p>　　利

12、用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。如圖1所示。它是無線電發(fā)射機中的重要組成部件。根據(jù)放大器的電流導(dǎo)通角的范圍可以分為甲類、甲乙類、乙類、丙類和丁類等不同類型功率放大器。當時就是丙類功率放大器。</p><p>　　諧振功率放大器是依靠激勵信號對放大管電流的控制起到把集電極的直流功率變換為負載回路的交流功率的作用。在同樣的直流功率的條件下，轉(zhuǎn)換效率越高，輸出的交流功率越大。</p>

13、<p>　　1.1 集電極電源提供的直流功率</p><p>　　集電極電源提供的直流功率。</p><p>　　式中的為余弦脈沖的直流分量；是基極直流電源電壓。</p><p>　　。式中為余弦脈沖的最大值；是余弦脈沖的直流分解系數(shù)。</p><p>　　式中是三極管的導(dǎo)通電壓；是三極管的基極偏置；是激勵電壓的振幅。</p

14、><p>　　1.2 集電極的輸出功率</p><p><b>　　集電極輸出功率。</b></p><p>　　式中是集電極輸出電壓振幅；是余弦脈沖的基波分量；是諧振電阻。</p><p><b>　　1.3 集電極效率</b></p><p>　　集電極效率。式中是電壓利用系

15、數(shù)；是波形系數(shù)。</p><p>　　功率放大器的設(shè)計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際中，為兼顧功率和效率，通常取導(dǎo)通角在60度到80度之間。</p><p>　　1.4 諧振功率放大器的負載特性</p><p>　　當LC諧振功率放大器的電源電壓，基極偏置電壓，激勵電壓確定后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻。放大器

16、的交流負載特性如圖2所示。</p><p>　　由圖可見當交流負載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點B時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和電壓，集電極電流脈沖接近最大值。此時集電極輸出功率和效率都較高，放大器處于臨界狀態(tài)。是對應(yīng)的值稱為最佳負載電阻。在、、不變的條件下，對不同的負載電阻，放大器的電流、電壓功率和效率的負載特性由圖3所示。</p><p>　　1.5 諧振功率放大器的實際線路&

17、lt;/p><p>　　高頻功率放大器和其他放大器一樣，其輸入和輸出端的管外電路均由直流饋電線路和匹配網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。直流饋電線路由集電極饋電線路和基極饋電線路組成，常用的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)主要有兩種類型：LC匹配網(wǎng)絡(luò)和耦合回路。常用的饋電線路如下圖所示。下圖中的圖a是利用集電極電流的分量在R上的壓降得到偏置電壓，圖中的電容是高頻旁路電容。圖b是利用基極電流在基區(qū)擴展電阻r上的壓降作為偏置壓降。其缺點是偏壓小且不穩(wěn)定。圖c

18、是利用發(fā)射極電流的直流分量在R上建立偏壓，圖中的電容是旁路電容，避免R上產(chǎn)生交流反饋。</p><p>　　2 高頻LC諧振功率放大器的電路設(shè)計</p><p>　　高頻LC諧振功率放大器的根本目的是提高功率和效率，使其放大電路的消耗功率最小。因此基極采用基極偏置的形式，從而能夠使偏置電壓能夠隨輸入電壓及激勵電壓的變化而變化，這樣可以實現(xiàn)電壓的自動調(diào)節(jié)。并且基極偏置電路要滿足交流有交流通路

19、，直流有直流通路，并且交流不流過直流偏置電壓的原則。</p><p>　　晶體管的放大要實現(xiàn)實驗要求的放大，實現(xiàn)電流的放大，從而使效率有所提高。</p><p>　　2.1 實驗電路參數(shù)計算</p><p>　　本課程設(shè)計所設(shè)計的高頻LC諧振功率放大器，其輸入信號為信號發(fā)生器產(chǎn)生的15兆赫茲的高頻信號，其交流放大倍數(shù)大于25，輸出交流電壓峰-峰值大于2伏，通頻帶寬大

20、于等于250千赫茲。所以選高頻LC諧振功率放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，諧振回路的負載電阻為2千歐姆，由圖中電壓表和電流表可得到相應(yīng)的參數(shù)：</p><p>　　由電流表的示數(shù)可得到集電極基波電流振幅：=3.168mA；</p><p>　　直流電源的電壓：Ucc =12V；</p><p>　　功率放大器的總功率為：=38.016mW；</p><

21、;p>　　由電壓表的示數(shù)可得到集電極的輸出電流為：Uc =7.525V；</p><p>　　諧振回路的負載電阻為R=2K；</p><p>　　功率放大器的輸出功率為：P1==28.313mW；</p><p>　　功率放大器的總效率為η=74.5%；</p><p>　　由上述結(jié)果可知設(shè)計結(jié)果與要求基本符合，電路設(shè)計符合要求。<

22、;/p><p>　　2.2 實驗原理電路</p><p>　　各器件的參數(shù)如圖中所示，R3和R5作為直流偏置，用來調(diào)整電路的靜態(tài)工作點，R1是反饋電阻，起穩(wěn)定三極管的靜態(tài)工作點的作用，L1、C3、C4組成選頻網(wǎng)絡(luò)，其諧振頻率為15兆赫茲。</p><p>　　3 高頻LC諧振功率放大器電路的仿真與分析</p><p>　　3.1 仿真軟件EWB簡

23、介</p><p>　　ELECTRONICS WORKBENCH EDA（以下簡稱EWB）：EWB軟件是交互圖像技術(shù)有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在九十年代初推出的EDA軟件，但在國內(nèi)開始使用卻是近幾年的事，現(xiàn)在普遍使用的是在WIN95環(huán)境下工作的EWB5.0（在國內(nèi)曾見過6.0的演示版，注：EWB5.0也可以在WINDOWS3.1環(huán)境下使用，但需安裝WING3

24、2工具），相對其它EDA軟件而言，它是個較小巧的軟件，只有16M，功能也比較單一，就是進行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，它的仿真功能十分強大，可以幾乎100％地仿真出真實電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，容易上手，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內(nèi),如下為它的工作界面，</p><p>　　對于電子設(shè)計工作者來說，

25、它是個極好的EDA工具，許多電路你無需動用烙鐵就可得知它的結(jié)果，而且若想更換元器件或改變元器件參數(shù)，只需點點鼠標即可，它也可以作為電學(xué)知識的輔助教學(xué)軟件使用，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形。EWB的兼容性也較好，其文件格式可以導(dǎo)出成能被ORCAD或PROTEL讀取的格式，該軟件只有英文版，在中文版的WINDOWS98下它的一些圖標會偏移兩個位置（在WINDOWS95下正常），但不影響它的使用，由于EWB的容量小，而且直接拷

26、貝到別的機子上就可以使用， </p><p>　　EWB建立在SPICE基礎(chǔ)上，它具有以下突出的特點：</p><p>　?。?）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取；</p><p>　　（2）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結(jié)果。<

27、/p><p>　?。?）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。</p><p>　?。?）作為設(shè)計工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。</p>

28、<p>　　3.2 高頻LC諧振功率放大器的仿真與分析</p><p><b>　　電路仿真原理圖：</b></p><p>　　3.2.1 高頻LC諧振功率放大器的主要技術(shù)指標</p><p>　　高頻LC諧振功率放大器的仿真電路如圖7所示，各器件的參數(shù)如圖7所示，負載兩端的電壓如圖9所示。</p><p>

29、;　　由上面實驗電路參數(shù)的計算可知，P0=38.016mW；P1=28.313mW；</p><p>　　由公式計算得效率η=74.5%。將計算所得的結(jié)果與設(shè)計要求比較可得該仿真電路符合設(shè)計要求。</p><p>　　3.2.2 EWB軟件對高頻LC諧振功率放大器的仿真</p><p><b>　　輸入信號參數(shù)：</b></p>

30、<p>　　輸入信號的的中心頻率為15MHz，輸入信號的幅度為0.2V。</p><p><b>　　輸出端波形：</b></p><p>　　由輸入信號參數(shù)和輸出端波形可計算出輸出電壓放大倍數(shù)為97倍，雖然放大倍數(shù)有些偏大，但滿足題目所給的大于等于25倍的技術(shù)指標，符合題目的設(shè)計要求。</p><p><b>　　通頻帶仿

31、真：</b></p><p>　　通過通頻帶的仿真圖可以較為直觀的觀察出通頻帶的寬度；由圖中可以讀出放大器的通頻帶為98.07MHz；圖中所標注的位置雖然與理想的有偏差，通頻帶的寬度有些偏大，但是符合題目的設(shè)計要求。</p><p><b>　　中心頻率仿真：</b></p><p>　　中心頻率的仿真圖可以直觀的觀察出諧振的中心頻

32、率，本圖中的中心頻率f0=14.225MHz,與理想的15MHz有些偏差，但符合題目的設(shè)計要求。</p><p><b>　　幅頻特性仿真：</b></p><p><b>　　相頻特性仿真：</b></p><p>　　通過波特圖可以觀察輸出信號的幅頻特性和相頻特性，對電路設(shè)計的結(jié)果有較好的觀察，對進一步分析電路的輸出波

33、形有較好的幫助。</p><p>　　3.2.3 觀察高頻功率放大器的負載特性</p><p>　　高頻功放的負載特性是指只改變負載電阻R，高頻功放的電流、電壓、功率及效率變化的特性，當R較小時，高頻功放工作在欠壓狀態(tài)，當R增加到最佳負載電阻時，此時R=2.5K，放大器進入臨界狀態(tài)，在臨界狀態(tài)下再增大R時，這樣會使晶體管在導(dǎo)通區(qū)間進入到飽和區(qū)，從而使放大器工作在過壓狀態(tài)。</p>

34、;<p>　　對比圖14、圖15、圖16，當R的值由小變大時，高頻LC諧振功率放大器的工作狀態(tài)由欠壓狀態(tài)經(jīng)臨界狀態(tài)向過壓狀態(tài)變化。與預(yù)期的實驗結(jié)果接近，符合設(shè)計要求。</p><p>　　3.2.4 輸入信號幅度變化對高頻功放輸出功率、總效率的影響</p><p>　　高頻功放的振幅特性是指只改變激勵信號振幅時，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。當輸入電壓的幅度增大時，

35、放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界再到過壓，在欠壓狀態(tài)，輸出電壓、輸出功率隨輸入信號幅度的增大而增大，在過壓狀態(tài)，輸出電壓、輸出功率穩(wěn)定，不再隨輸入信號的幅度變化。以下三個圖為改變輸入信號幅度對放大器參數(shù)的影響；由圖中的參數(shù)可以觀察出放大器的電壓的變化，從而推出放大器的輸出功率、效率的變化及工作狀態(tài)的變化。</p><p>　　3.2.5 直流電源電壓對功率放大器工作狀態(tài)的影響</p><p>

36、　　當集電極供電電壓Ucc由小到大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。</p><p>　　集電極的調(diào)制特性是指只改變Ucc，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性，當電路的其他參數(shù)不變時，當Ucc由大到小變化時，功放的工作狀態(tài)由欠壓狀態(tài)到臨界，在進入到過壓狀態(tài)，集電極的電流從一完整的余弦脈沖變化到凹頂脈沖。</p><p>　　觀察以上三個圖的輸出電壓變化情況可得到集電極電流的

37、變化，從而推出高頻功放的輸出功率，效率的變化情況，經(jīng)分析可知高頻功率放大器的工作狀態(tài)的變化情況與預(yù)期的情況基本接近，說明電路的設(shè)計符合要求。</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　課程設(shè)計是培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對我們實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次的高頻課設(shè)，使我加深

38、了對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計能力和基本調(diào)試能力。</p><p>　　本課程設(shè)計是高頻LC諧振功率放大器的設(shè)計，給出了具體的要求，設(shè)計的電路如上所述。該電路采用的是基極饋電電路，并且是并聯(lián)饋電電路。其選頻網(wǎng)絡(luò)采用的是LC并聯(lián)諧振回路，該放大器的有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的功能和保護直流電源不受高頻分量影響的功能，滿足所有的設(shè)計要求。</p><p>

39、　　該放大器的優(yōu)點是容易搭建，尤其是其選頻網(wǎng)絡(luò)，能滿足設(shè)計要求；該放大器有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的功能和保護直流電源不受高頻分量影響的功能。其缺點是因沒有選用抽頭選頻網(wǎng)絡(luò)而造成的阻抗匹配能力較差，帶負載能力不強。</p><p>　　為期一周的高頻課設(shè)讓我感想很多，從理論計算到實際電路的確立和仿真，其中遇到了很多的困難，但是通過解決這些問題，不僅使我鞏固了以前學(xué)過的知識，我還學(xué)到了很多新的知識，通過這次課程設(shè)計使我體會到

40、了理論與實踐相結(jié)合的重要性，平時我們所做的高頻都是在理想條件下且做了一定的近似，但仿真設(shè)計卻是在實際情況下的操作，若是器件的參數(shù)選的不恰當，就會使最后的仿真結(jié)果不理想。所以只有理論與實踐相結(jié)合起來，理論中得出結(jié)論，才能真正提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 曾興文、劉乃安、陳健. 高頻電子

41、線路. 北京: 高等教育出版社, 2007</p><p>　　[2] 張肅文等. 高頻電子線路（第四版）. 北京: 高等教育出版社, 2004</p><p>　　[3] 路而紅等. 虛擬電子實驗室. 北京: 人民郵電出版社, 2006</p><p>　　[4] 鐘蘇,劉守義,馬曉明. 高頻電子技術(shù). 西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2007</p&g