高頻電子線路課程設計

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　在通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，而且通信距離越遠，要求輸出功率越大。所以為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。</p><p>　　高頻功率放大器的主要功用是放大高頻

2、信號，并且以高效輸出大功率為目的。它主要應用于各種無線電發(fā)射機中。發(fā)射機中的振蕩器產(chǎn)生的信號功率很小，需要經(jīng)過多級高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。</p><p>　　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，因此除要求高頻功率放大器產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　應當指出，盡管高頻功

3、放和低頻功放的共同特點都要求輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度相差很大，因此存在著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功放的工作頻率低，但相對頻帶很寬。工作頻率一般在20--20000Hz，高頻端與低頻端之差達1000倍。所以，低頻功放的負載不能采用調(diào)諧負載，而要用電阻，變壓器等非調(diào)諧負載。而高頻功放的工作頻率很高，可由幾百千赫到幾百兆赫，甚至幾萬兆赫，但相對頻帶一般很窄。例如調(diào)幅廣播電臺的頻帶寬度為9kHz，若中心頻率取900kHz，則相

4、對頻帶寬度僅為1%。因此高頻功放一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載，故也稱為諧振功率放大器。近年來，為了簡化調(diào)諧，設計了寬帶高頻功放，如同寬帶小信號放大器一樣，其負載采用傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，寬帶功放常用在中心頻率多變化的通信電臺中。</p><p>　　低頻功率放大器可以工作在甲類狀態(tài)，也可以工作在乙類狀態(tài)，或甲乙類狀態(tài)。乙類狀態(tài)要比甲類狀態(tài)效率高。為了提高效率，高頻功放多工作在丙類狀態(tài)。為了進一步提高高頻功

5、放的效率，近年來又出現(xiàn)了D類，E類和S類等開關(guān)型高頻功率放大器。</p><p>　　1高頻LC諧振功率放大器原理</p><p>　　1.1高頻功率放大器簡介</p><p>　　高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進行功率放大，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)的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道

6、的通信。 </p><p>　　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

7、出。</p><p>　　高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，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

8、殊情況可工作于乙類）。</p><p>　　1.2諧振功率放大器的特點 </p><p>　?。?）放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 </p><p>　?。?）輸出端負載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。 </p><p>　?。?）基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負偏壓，使電路工作在丙類狀

9、態(tài)。 </p><p>　?。?）輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。</p><p>　　1.3高頻諧振功率放大器的工作原理</p><p>　　圖1-1是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高

10、的特征頻率。晶體管作為一個電流控制器件，它在較小的激勵信號電壓作用下，形成基極電流，控制了較大的集電極電流，流過諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在C類狀態(tài)下工作，為了保證在C類工作，基極偏置電壓應使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負值，即靜態(tài)時發(fā)射結(jié)為反偏。此時輸入激勵信號應為大信號，一般在0.5V以上，可達1到2V，甚至更大。就是說，晶體管工作在截止和導通兩種狀態(tài)

11、下，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號。與低頻功放不同的是，高頻功放選用諧振回路作負載，既保證輸出電壓相對于輸入電壓不失真，還具有阻抗變換的作用，這是因為集電極電流是周期性的高頻脈沖，其頻率分量除了有用分量外，還有諧波分量和其他頻率成分，用諧振回路選出有用分量，將其他無用分量濾出；通過諧振回路阻抗的調(diào)節(jié)，從而使諧振回路呈現(xiàn)高頻功放所要求的最佳負載阻抗值，</p><p>　　1.3.1工作原理分析</p&

12、gt;<p>　　(1)外部電路關(guān)系式 </p><p>　　(2)晶體管的內(nèi)部特性 </p><p><b>　　(3)導通角 </b></p><p>　　根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：</p><p><b>　　故得</b></p><p>　?。?/p>

13、4）集電極輸出直流功率：</p><p>　　式中為余弦脈沖的直流分量。</p><p>　　式中，為余弦脈沖的最大值；為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。</p><p>　　式中，為晶體管的導通電壓； 為晶體管的基極偏置；為功率放大器的激勵電壓振幅。</p><p>　?。?）集電極輸出基波功率</p><p>　　式中，為

14、集電極輸出電壓振幅；為余弦電流脈沖的基波分量；為諧振電阻。其中 。</p><p><b>　　（6）集電極效率</b></p><p>　　功率放大器的設計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高的輸出功率和高效率，通常取。</p><p>　　1.3.2功放的特性曲線</p><p>　　必須強調(diào)

15、指出：集電極電流雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。</p><p>　　功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率 ，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?，另一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。</p><p>　　根據(jù)能量守衡定理： 直流功率：</p><

16、;p><b>　　輸出交流功率：</b></p><p>　　為回路兩端的基頻電壓,為基頻電流為回路的負載阻抗 </p><p><b>　　圖解分析法的步驟：</b></p><p>　　(1)測出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線及輸出特性曲線，并將這兩組曲線折線化處理；</p><p>　　(2)作

17、出不同工作狀態(tài)下的動態(tài)特性曲線；</p><p>　　(3)根據(jù)激勵電壓Ub的大小在特性曲線上畫出對應輸出電壓Uc和電流脈沖ic的波形；</p><p>　　(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供電電壓或負載的變化將如何影響輸出電壓、輸出電流、輸出功率、效率等指標的。</p><p>　　晶體管的特性曲線及其特性方程</p><p>

18、　　由圖可見，在放大區(qū)，有轉(zhuǎn)移特性方程：</p><p>　　所以，集電極電流隨激勵而正向變化。</p><p>　　由圖可見，在飽和區(qū)，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關(guān)。</p><p>　　因此有臨界線方程： 在截止區(qū)，有方程：</p><p>　　諧振功率放大器的動態(tài)特性曲線（負載線）高頻放大器的工

19、作狀態(tài)是由負載阻抗、激勵電壓、供電電壓等4個參量決定的。</p><p>　　如果, 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。</p><p>　　所謂動態(tài)特性是和靜態(tài)特性相對應而言的，在考慮了負載的反作用后，所獲得的 uce，ube和ic 的關(guān)系曲線就叫做動態(tài)特性。</p>&l

20、t;p>　　2高頻LC諧振功率放大器電路設計</p><p>　　由任務書知測量高頻功率放大器的主要技術(shù)指標</p><p>　　交流電壓放大倍數(shù)： </p><p>　　輸出交流電壓峰-峰值：</p><p>　　中心頻率：15MHz左右 通頻帶寬：</p><p>　　設計原理電路圖如下所示

21、：</p><p>　　為使輸出不失真可以將輸入信號設置成400mv的余弦信號，負載為2kΩ。此時的放大倍數(shù)由輸出電壓比上輸入電壓。</p><p>　　設定諧振回路為 L=1μH 、C=125pF ,從而由計算諧振頻率公式：</p><p>　　計算諧振頻率f0=14.5MHz ,于是將信號源頻率設置成14MHz 即可。</p><p>　

22、　按設置的參數(shù)運行電路之后，觀察波特圖可讀出通頻帶 B=490KHZ ，滿足要求。</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 EWB仿真軟件簡介</p><p>　　EWB軟件，全稱為ELECTRONICS WORKBENCH 是加拿大Interactive Image Technology 公司推出的用于電子電路仿真

23、的虛擬電子工作臺軟件。它可以對模擬、數(shù)字或混合電路進行仿真。該軟件的特點是采用直觀的圖形界面，在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，用屏幕抓取的方式選用元器件，創(chuàng)建電路連接測量儀器。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。 EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術(shù)訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實

24、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。這里，我們向大家介紹EWB軟件的初步知識，基本操作方法，內(nèi)容僅限于對含有線性RLC元件及通用運算放大器電路的直流、交流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析。</p><p>　　3.1.1元器件和儀器的放置</p><p>　　EWB的電路圖就在工作區(qū)中繪制，繪制時用戶從工具欄的各個按鈕中選取出要放置的元器件和儀器儀表，用鼠標拖放

25、到工作區(qū)中。EWB中圖標所對應的元器件類如圖所示：</p><p>　　3.1.2元器件參數(shù)的編輯與修改及與儀器的連線</p><p>　　用鼠標雙擊要編輯的元器件就會彈出該元器件的參數(shù)對話框，用戶可在該對話框中對它的各種參數(shù)進行修改。</p><p>　　當元器件和儀器放置好后，就可對元器件和儀器開始連線。先移動鼠標到要連接的元器件的端點，此時鼠標會變成一個小黑圓

26、點，按下鼠標并拖動它，當拖動到另一元器件端點時鼠標又變成小黑圓點形狀，此時松開鼠標按鍵，則兩個元器件間就建立了一根連線。當從一個元器件端點往一根連線上連線時，拖動鼠標靠近該線時線上會出現(xiàn)一個小黑圓點，此時松掉鼠標則該元器件會連接到該連線上，并自動產(chǎn)生一個節(jié)點。同樣，當往一個節(jié)點上連線時也是作同樣的操作。只是線與節(jié)點上可以產(chǎn)生不止一個的小黑圓點，分別對應不同的方向，連線時應注意小黑圓點的朝向。</p><p>　　

27、3.1.3對繪制好的電路仿真</p><p>　　在上述步驟完成后，按下啟動按鈕即可進行電路仿真。此時用戶可以對電路的工作進行各種分析，如傅里葉分析，噪聲分析等等，用鼠標雙擊電路中的儀器可以打開儀器面板，通過改變面板上的參數(shù)來改變電路輸入狀態(tài)或查看電路仿真結(jié)果，如改變信號發(fā)生器的輸出波形、幅度和頻率等來改變電路的輸入狀態(tài)，用戶也可以查看它的仿真結(jié)果，如查看萬用表上的指示值，查看示波器上的波形等。</p>

28、;<p>　　EWB中的儀器是非常直觀的，其儀器面板幾乎和我們平時所用的儀器一樣，用戶會發(fā)覺這些儀器比實際使用中的那些儀器還要好用，比如示波器，它不僅無需進行同步調(diào)整，而且它還有波形記憶功能，用戶可以隨時查看仿真過程中任一時該的輸出波形。 </p><p>　　3.2 EWB軟件對LC諧振功放的仿真</p><p>　　3.2.1 LC諧振功放設計電路仿真圖</p>

29、;<p>　　將設計好的電路用EWB軟件進行仿真即可得到LC諧振功放的仿真電路圖</p><p>　　3.2.2 LC諧振功放的輸入輸出信號仿真圖</p><p>　　在EWB軟件中使用示波器觀察LC諧振功放輸入輸出信號的仿真圖</p><p>　　由圖3-4與圖3-5可知輸入電壓峰峰值為800.6690V，輸出電壓峰峰值為20.4016V，所以電壓放

30、大倍數(shù)為25.5倍。 </p><p>　　3.2.3 LC諧振功放仿真波特圖</p><p>　　在EWB軟件中使用儀器觀察LC諧振功放輸入輸出信號仿真波特圖</p><p><b>　　3.3仿真分析</b></p><p>　　3.3.1中心頻率及通頻帶寬</p><p>　　通過仿真波特圖

31、觀察LC諧振功放電路的中心頻率及通頻帶寬</p><p>　　由上圖可知中心頻率：f0=14.39MHZ</p><p>　　由上圖可知下邊頻：f1=14.08MHZ</p><p>　　由上圖可知上邊頻：f2=14.57MHZ</p><p>　　所以通頻帶為:B=f2-f1=490KHZ</p><p>　　3.3

32、.2 高頻功率放大器的負載特性</p><p>　　通過示波器顯示的輸出仿真圖觀察負載對高頻功放的影響。</p><p>　　當負載電阻R=1KΩ,此時Ic0=2.879mA,Ic1=3.808mA,輸出信號電壓如上圖所示，由圖中可知輸出電壓峰峰值為10.5312V</p><p>　　當負載電阻R=2KΩ,此時Ic0=2.886mA,Ic1=3.659mA,輸出信

33、號電壓如上圖所示，由圖中可知輸出電壓峰峰值為20.3526V</p><p>　　當負載電阻R=3KΩ,此時Ic0=2.774mA,Ic1=2.905mA,輸出信號電壓如下圖所示：由圖中可知輸出電壓峰峰值為23.5804V</p><p>　　結(jié)論：隨著負載的增大，其特性由欠壓區(qū)到臨界再到過壓區(qū)，輸出電壓在欠壓區(qū)時隨負載增大而增大，在飽和區(qū)時基本不變。Ic0,Ic1在欠壓區(qū)時基本不變，到過

34、壓區(qū)時隨負載增大而減小</p><p>　　3.3.3輸入信號幅度的變化對功率放大器輸出功率、總效率的影響</p><p>　　由仿真圖觀察輸入信號幅度變化時對功率放大器輸出功率及效率的影響。</p><p>　　如上圖所示：當輸入信號電壓Ub=300mV時，輸出電壓Uc=6.282V，集電極直流電流為Ic0=2.535mA。此時直流輸入功率 P1=30.42 mW

35、,交流輸出功率Po=19.732mW,總效率η=64.86%。</p><p>　　如上圖所示：當輸入信號電壓Ub=400mV時，輸出電壓Uc=7.280V，集電極直流電流為Ic0=2.875mA。此時直流輸入功率 P1=34.5 mW ,交流輸出功率Po=26.50mW,總效率η=76.81%。</p><p>　　如上圖所示：當輸入信號電壓為Ub=500mV時，輸出電壓Uc=8.262

36、V，集電極直流電流為Ic0=3.325mA。此時直流輸入功率 P1=39.9 mW,交流輸出功率Po=34.13mW,總效率η=85.54%。</p><p>　　如上圖所示：當輸入信號電壓Ub=600mv時，輸出電壓Uc=8.344V，集電極直流電流為Ic0=3.565mA。此時直流輸入功率 P1=42.78 mw ,交流輸出功率Po=34.81mw,總效率η=81.37%。</p><p&

37、gt;　　結(jié)論：隨著輸入信號幅度的增大諧振功放電路由欠壓向臨界過渡，放大器的輸出功率及總效率增大，到達欠壓區(qū)時趨于平衡基本不變。</p><p>　　3.3.4直流電源電壓對高頻功率放大器工作狀態(tài)的影響</p><p>　　通過仿真軟件中電壓表、電流表觀察當直流電壓源變化時對高頻功放工作狀態(tài)的影響</p><p>　　如上圖所示：當Vcc=8V時，集電極電流Ic0=

38、1.617mA,Ic1=2.067mA,輸出電壓Uc=4.125V </p><p>　　如上圖所示：當Vcc=10V時，集電極電流Ic0=2.216mA,Ic1=2.822mA,輸出電壓Uc=5.632V </p><p>　　如上圖所示：當Vcc=12V時，集電極電流Ic0=2.877mA,Ic1=3.649mA,輸出電壓Uc=7.283V</p><p>　　

39、如上圖所示：當Vcc=14V時，集電極電流Ic0=3.537mA,Ic1=4.426mA,輸出電壓Uc=8.835V</p><p>　　結(jié)論：隨著直流電源Vcc的增大Ic0,Ic，Uc亦增大最后基本不變，高頻放大器的工作狀態(tài)由過壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)到欠壓狀態(tài)。</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p><b>　　4.

40、1課程設計簡述</b></p><p>　　本次課程設計，是設計一個高頻LC諧振功率放大器。通過分析最大輸出功率與輸出阻抗的關(guān)系從而確定匹配網(wǎng)絡，進而確定電路中的個參數(shù)，從而設計出高頻LC諧振功率放大器的電路圖。</p><p>　　在設計完電路之后，再用EWB去仿真設計完的電路，通過觀察輸出的電壓的波形與幅值進一步求出輸出功率，驗證是否與理論值相一致。觀察不同輸出電阻時的輸出

41、功率，來了解輸出電阻對輸出功率的影響，并驗證理論當中輸出負載對輸出功率的影響；觀察不同輸入電壓幅值對高頻功放輸出電壓、總效率的影響；觀察不同直流電源對高頻功放工作狀態(tài)的影響。</p><p>　　4.2電路設計的優(yōu)缺點</p><p>　　在設計本電路時，本電路有很多的優(yōu)缺點：</p><p>　　(1)采用發(fā)射極下所接電阻R3作為饋電網(wǎng)絡，從而提高了諧振放大器的穩(wěn)

42、定性。</p><p>　　(2)電路沒有采用電容抽頭的諧振電路，不能使現(xiàn)阻抗變換。</p><p>　　(3)沒用電感抽頭作為諧振回路的元件，不利于回路的阻抗匹配。</p><p>　　(4)采用發(fā)射極下所接電阻R3作為饋電網(wǎng)絡，不適合頻率過高的諧振放大器。</p><p><b>　　4.3心得體會</b></

43、p><p>　　從高頻課程設計開始到現(xiàn)在，回顧這一星期的忙碌，感慨多多。更加深刻地認識到理論服務于實踐，而實踐驗證理論，并加深對理論的理解。在這次課設中強烈凸顯了在高頻LC諧振功率放大器中，電路的放大倍數(shù)和通頻帶互相制約和影響，集電極輸出電流為余弦脈沖而真正的輸出信號卻和輸入信號頻率相同的真正原因。</p><p>　　諧振回路具有選頻濾波的作用。集電極輸出電流為一余弦脈沖，它是由若干不同頻率

44、的余弦波疊加而成，當回路的諧振頻率和輸入信號的頻率相同時，通過選頻，諧振回路只允許該頻率的信號通過，從而濾除其他頻率的信號。</p><p>　　課設的重要意義就在于培養(yǎng)學生實際動手能力，獨立思考能力，和同學之間團結(jié)合作的默契。</p><p>　　最后，感謝張老師的殷勤教導和耐心幫助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p

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