高频课设资料.doc

一、课程设计目的由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射机的功率要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。本次课程设计使通过已学的电路基础知识，模拟高频振动功率放大器，使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输，这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗匹配。我们知道能量是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换为高频功率，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求有尽可能高的转换率。主要是根据已知数据设计一个丙类高频功率放大器。二、课程设计题目描述和要求设计一高频功率放大电路；1.要求三极管工作在丙类状态；2.主要技术指标：输入已调波的峰值为100mV；载波频率为6.5MHz，输出功率1w，负载50，效率80%；3.用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试。三、课程设计报告内容 3.1 设计方案的论证 高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。高频功率放大器输出功率范围，可以小到便捷式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦已下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。如图所示是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路，除电源和偏置电路外，它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。由先修课程可知，低频功率放大器可以工作在甲类状态，也可以工作在乙类状态，或甲乙类装态，乙类状态要比甲类状态效率高（甲类效率最大可达到50；乙类效率最大可达78.5），为了提高效率，高频功率放大器多工作于丙类状态。为工作保证在丙类状态下工作，基极偏置电压Eb应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达12V,甚至更大。也就是说，晶体管工作在截止和导通（线性放大）两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是，高频功放选用谐振回路作为负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量（基波分量）外，还有谐波分量和其他有用频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放高效输出大功率。图2集电极电流波形我们知道能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此，除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。要想提高效率有两种途径，一是提高电压利用系数，即提高Uc，这通常靠提高回路的谐振阻抗Rl来实现，另一个是提高波形系数，与有关，即越小，越大，效率越高。可以根据集电极电流导通角的大小划分功放的工作类型。当=180时，放大器工作在甲类；当90180时，为甲乙类；当=90，为乙类；当90时，则为丙类。对于高频功放，40)丙类功放采用晶体管3DA89(NPN型硅管、最高反向电压为40V、损耗功率PCM为750mw、电流放大倍数=10)。级间采用变压器进行耦合，采用12V直流电源作为电源。图4高频功率放大电路总体设计框图3.2丙类谐振功率放大器的效率与功率功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制，起到把2.3.1丙类谐振功率放大器的效率与功率。集电极电源直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下，转换的功率越高，输出的交流功率越大。集电极电源0V提供的直流功率：式中C0I为余弦脉冲的直流分解系数式中，CMI为余弦脉冲的最大值：0Caq（）为余弦脉冲的直流分解系数。式中，BBU为晶体管的导通电压；BBV为晶体管的基极偏置；bmV为功率放大器的激励电压振幅。集电极输出基波功率：式中CU为回路两端的基频电压，C1I为余弦电流脉冲基频电流，LR为回路的谐振阻抗。集电极效率：式中，e为集电极电压利用系数；1()cq为余弦脉冲的基波分解系数。功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出效率和高效率，通常ooC=6080q。3.3丙类放大器的负载特性欠压状态：在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压CU随负载电阻LR的增大而增大，而电流cmax、C1I、C0I基本不变，输出电流的振幅基本上不随CCU变化而变化，故输出功率基本不变。临界状态：负载线和bU正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。其对应的最佳负载电阻值，用PR表示，即：当PR变小时，放大器处于欠压工作状态，如C点所示。集电极输出电流较大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。PR变大时，放大器处于过压工作状态，如B点所示。集电极电压虽然较大，但集电极电流凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是：CCcmcesV-U=U。式中，cmU为集电极输出电压幅度；CCV为电源电压；cesU为晶体管饱和压降。过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载LR的加大，1cI要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。输出电流的振幅将随CCV的减小而下降，故输出功率也随之下降。其负载特性如图2谐振功率放大器的负载特性。3.4丙类高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅bU时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。由图3高频功放的振幅特性可以看出，在欠压区，C0I、C1I、CU随bU的增加而增加，但并不一定是线性关系。在过压区，cU基本不随bU变化，可以认为是恒压区，放大等幅信号时，应选择在此状态。2.3.4欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载LR；改变供电电压CCU；改变偏压BBU；改变激励bU。方法1:改变LR，但bU、CCU、BBU不变：当负载电阻LR由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。方法2:改变CCU，但LR、bU、BBU不变：当集电极供电电压CCU由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。方法3:bU变化，但CCU、BBU、LR不变或BBU变化，但CCU、bU、LR不变：这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是bU还是BBU的变化，其结果都是引起beU的变化。当BBU或bU由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。3.5原理图分析及参数计算1.确定放大器的工作状态在CCV=+12V的条件下，晶体管2N2219A的参数：CCVPcm=700mW,ICM=300mAUCES0.6V,30，fT150MHz，放大器功率增益AP6dB.。为了获得较高的效率及最大输出功率，选丙类功率器的工作状态为临界状态，取=700，得出谐振回路的最佳负载电阻RP为：得集电极基波电流振幅得集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量得电源供给的直流功率P为：得放大器转换效率为2.计算谐振回路若取谐振回路电容：固定电容C=50PF得回路电感3. 偏置电路电压3.6软件设计Multisim是一个专门用于电子电路仿真和设计的EDA软件，它具有直观、方便的操作界面，创建电路、选用元器件和虚拟测试仪器等均可直接从屏幕图形中选取，操作简便。它具有完备的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、器件的线性和非线性分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。在进行仿真的过程中，可以存储测试点的数据、测试仪器的工作状态、显示的波形。它先进的高频仿真设计和功能，是目前众多仿真电路所不具备的。Multisim用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。Multisim是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。Multisim的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。Multisim有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外Multisim还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。利用Multisim可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。Multisim易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。3.7硬件设计3.8测试结果四、结论通过在电脑软件Multisim上的模拟，和在元件与功能电路的选择，参数计算，此电路基本达到设计要求，优点是此电路的效率达到了82%。5、 结束语课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。这次的高频课程设计，加深了我对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力。回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学到属于自己的知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏实际设计及动手的经验，所以难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处，比如说发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。不过，这次实验的最大收获就是锻炼了我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要求我在设计过程中必须认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。而参数不对，最终将直接影响到仿真的结果。课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。我总结出，在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。虽然我现在已经初步学功率放大器，但是离真正能够利用已学的知识自由设计使用电路会了如何设计符合要求的高频谐振的还有一段的距离。课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步。参 考 文 献【1】郑长明.高频电路实验与仿真.科学出版社【2】张新喜Multisiml0电路仿真及应用M北京:机械工业出版社.2012【3】杜武林,李纪澄,曾兴宪.高频电路原理与分析(第二版).西安电子科技大学出版社.1994【4】赵淑范.电子技术实验与课程设计M.北京:清华大学出版社.2009【5】刘泉主.通信电子线路.武汉理工大学出版社.2007.1【6】谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社.2007.8【7】胡宴如.模拟电子技术基础.高等教育出版社出版社。【8】杨志忠.数字电子技术基础.高等教育出版社【9】曾兴雯.高频电路原理与分析.西安电子科技大学出版社利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的=180，效率最高也只能达到50%，而丙类功放的Eb+Eb1(Eb1为晶体管截止偏压)时晶体管才导通。显然电流的通脚/2，集电极电流Ic呈脉冲形状，这个电流经集电极谐振回路选出Ic的基波分量Ic1，再经过变压器耦合，在RL上得到一个放大的基波功率。从而实现了丙类功率放大。高频功率放大器是由输入回路，晶体管负载和电源几部分组成。1高频丙类功率放大器的输出功率和效率。为了便于计算脉冲电流Ic,将晶体管的动态转移特性曲线ic-Ubc用折线gm表示。如图2所示，由图2所知：ic=gm（UbEb）=gm（UbmCost+EbbEb）gm为跨导。当t=时，ic=0Eb+-Eb因为丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲，是以为角频率的周期性函数。故可用付里叶级数求系数方法来表示它的直流、基波分量，各次谐波分量的数值。 由付氏级数的系数求得可以看出减少管耗Pc,或者提高和g1()都可以提高放大器的效率。这是因为1。要减少集电极损耗功率Pc，则要求减少Uce。当管内有较大电流ic时，Uce应尽量减少，最好在ic整个流通时间内Uce均很小，或者当Uce较大时，要尽量减少集电极电流ic。2 要提高集电极效率，则要求提高集电极电流电压利用系数。Uc1m增大，可增大，因为Uc1m增大使Uce减小。（Uce=Ec-Uc1mcost），所以，当ic较大时，Uce的减少使得管子集电极损耗Pc减少，从而提高效率。3 要提高效率，也可增大g1()。的减少，可使g1()增大，于是提高效率。减少，意味着减少ic与Uce均不为零的时间，从而可用甲，乙，丙3种工作状态的集电极电压，电流波形来说明，如图3所示。甲类在一个周期中都有ic流通，因而Uce正半周，也有ic，所以管耗大，效率低。乙类ic只有半个周期流通，而且，当放大器的负载为电阻时，ic流通半周正好与Uce负半周相对应，此时，Uce小，因而效率比甲类高。丙类工作时波形，ic流通时间小于半个周期，当集电极谐振回路对激励信号谐振时，ic仅在Uce负半周瞬时值较大时流过，此时Uce较小，所以丙类比乙类效率高。当/2，是否可能接近于零，得到最高效率呢？当0时，使得输出功率也显著下降，为了兼顾输出功率和不使激励功率过大，因而不能太小，从而限制效率提高。一般情况下=/3-7/18时，相应的集电极效率较大，在80%-90%之间。2丙类功率放大器的负载特性丙类功率放大器的负载特性是指在Ec,Eb,Ubm不变的条件下，各种电流输出电压，功率和效率等随Re变化的曲线。因为高频功率放大器的工作状态取决于Rc,Ubm,Eb和Ec四个参数。如果保持Ubm,Eb和Ec不变，则工作状态仅取决于Rc。（1）负载变化对工作状态的影响如果保持Ubm,Eb和Ec不变则Re变化影响工作状态的变化如图3从图3看出：1.动特性表示Re较小时，这时Uc1m也较小，动态负载线A1在线性放大区，这种状态称为欠压状态。在欠压状态，ic呈余弦脉冲。2.动特性随Rc增加，动态负载线A2在临界线上，称这种状态为临界状态，此时ic还是呈余铉脉冲。3.动特性随Rc继续增大，A3也进入饱和区，此时ic呈凹脉冲，这种状态称过压状态，在过压状态，随Rc增大，ic的幅度也迅速下降，但它的基波输出电压振幅基本不变，即Uc1mEc。（2）负载Re变化对Ico,Icm，Uc1m,Pout,Po和的影响。当维持Ubm,Eb和Ec不变时，放大器Ico,Icm，Uc1m,Pout,Po，Pc和随负载阻抗Re变化。因为，Uc1m=Ic1m*Re。如图5：在欠压区：Ic1m与Ico基本不变，仅随Re增加略有下降，Uc1m也随Re增加而直线增加，Pc管耗下降。把放大器看成恒流源。在过压区：Uc1m几乎不变，Ico和Ic1m则随Re的增大也急剧下降。把放大器看成恒流源。从图4看出：集电极电源输入功率Po=Eo*Ico。由于Ec不变，因而Po与Re关系曲线和Ico曲线的形状相同。放大器输入功率Pout=1/2Ic1m*Uc1m，Pout与Re关系是根据Uc1m、Ic1m两条曲线相乘求出来。在临界状态时，Pout达到最大值，放大器效率也较高。这就是希望放大器工作在临界工作状态的原因。集电极损耗功率Pc=PoPout，故Pc曲线由Po与Pout曲线相减得出。在欠压区，当Re减小，Pc上升很快；当Re=0时，Pc达到最大值，可能使晶体管烧坏。（这种情况是短路）放大器的效率=Pout/Po.在欠压状态时，Po变化小，所以随Pout增加而增加，到临界状态后，Pout下降没有Po快，在过压状态时，Pout主要是随Ic1m急剧下降而下降，因而也略有下降，故在靠近临界的弱过压状态出现最大值。3放大器各级电压对工作状态的影响（1）Ubm对工作状态的影响在讨论激励电压幅度Ubm的变化对放大器工作状态影响，设Ec,Eb,Re不变。当Ubm较小时，Ubemax=Eb+Ubm也较小，从ic-Ubc动态特性看出：放大器工作在欠压状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲。当Ubm增大时，Icmax,Ic1m也增大，而引起Uce=Ec-Ic1m*Rc的减少。从而使放大器由欠压状态过渡到过压状态。如图6所示：（a）为ic-Ubc此称平面上ic的动特性。（b）为集电极电流脉冲波形。（c）Ic1m,Ico,Icm-Ubm的关系。从图6可看出：在欠压状态时，随着Ubm的增加，将引起icmax增加，于是Ic1m,Ico和Uc1m与Ubm几乎成正比增加。在过压状态时，随着Ubm的继续增加，虽然电流脉冲高度继续增大，但其凹度增大。所以Ic1m,Ico在过压区增加不大。在欠压区，Uc1m与Ubm成线性关系。（2）Eb变化对工作状态影响设Ec,Ubm,Re不变。由于Ubemax=Eb+Ubm。所以Eb变化与Ubm变化一样，都要引用Ubemax的变化。当Ec，Ubm,Re不变时，|Eb|减小相当于Ubm的增大。这样，当Eb反向偏置向正向偏置变化时，icmax增大，放大器从欠压状态转入过压状态。因此，Eb变化对集电极电流脉冲波以及Ico,Ic1m和Uc1m的影响与Ubm变化引起的影响类似。如图7，在欠压状态改变Eb,可控制高频输出电压，这就是基极偏压调幅的原理。Eb1Eb2Eb3Eb4Ec2时，放大器工作在欠压状态。由于Ubemax不变，所以Ec减小而使得Ucem减小时，icmax略有下降，变化也很小，故Ic1m,Ico随Ec减小而略有下降。这样，欠压状态，Ec对Ic1m不能有效控制。当EcEc2时，工作在过压状态。集电极电流脉冲的凹度就越深，这样，Ic1m,Ico随Ec降低而明显减小，并且Ec=0时，Ic1m,Ico均为0。由于过压状态改变Ec能明显改变Ic1m的大小，从而也能改变高频输出电压Uc1m，这就是集电极调幅的原理。通过上述分析，得出下列结论：第一.在欠压区，输出功率随Re增大而增大，集电极损耗功率随Re减小而增大，（Pc=Po-Pout）,当Re较小时，有可能使Pc上升超过晶体管的最大管耗Pcmax而损坏晶体管，因此，在调试放大器功率电路时，为了防止集电极谐振回路失谐而损坏晶体管，常采用降低电流电压Ec值的办法便于放大器工作在过压状态下进行调试。第二在过压区，Ico随Re的减少而迅速增加，这对集电极谐振回路的调谐提供了一个标准。在调谐时，适当降低Ec的值，使放大器工作在过压状态。调节谐振回路，当Ico为最小时，说明电路谐振于工作频率。四实验电子线路如图8所示，输入信号频率为4MHZ，电源电压为Ec=15V,输入信号由高频信号发生器产生，经过BG1,BG2三极管放大推动未级功放管BG3。BG1集电极输出信号经L1、C7、C8组成的T型匹配电路接BG3基极。输出是由L和C10组成的谐振回路，谐振于4MHZ频率。当开关K1拨在“天线”时,其负载就是天线。当开关K1拨到R时，表示以电阻作为输出负载。本实验要求在75负载电阻上，使信号Ub=0.6V，输出功率最大值。