高頻電子線路課程設計說明書

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，通信距離越遠，要求輸出功率越大。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。高頻功率放大器是無線電發(fā)射沒備的重要組成部分。在無線電信號發(fā)射過程中，發(fā)射機的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號功率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大，如緩沖級、中間放大級、

2、末級功率放大級等，獲得足夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。這里提到的放大級都屬于高頻功率放大器的范疇。實際上高頻功率放大器不僅僅應用于各種類型的發(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備中都得到了廣泛的應用。</p><p>　　高頻功率放大器的主要功能是放大高頻信號，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)過多級功率放大器才

3、能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。</p><p>　　高頻功放的輸出功率范圍，可以小到便攜式發(fā)射機的毫瓦級，大到無線電廣播電臺的幾十千瓦，甚至兆瓦級。目前，功率為幾百瓦以上的高頻功率放大器，其有源器件大多為電子管，幾百瓦以下的高頻功率放大器則主要采用雙極晶體管和大功率場效應管。</p><p>　　高頻信號的功率放大的實質(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

4、高頻功放產(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

5、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，則相對頻帶寬度僅為1%。中心頻率越高，則相對頻寬越小。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。由于這一特點，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）。近年來，為了簡化調(diào)

6、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。為了進一步提高高頻功放的效率，近年來又出現(xiàn)了D類，E類和S類等開關型高頻功率放大器。</p><p>　　1 高頻LC諧振功率放大器原理</p><p><b>　　1.1原理電路</b></p><p>　　圖

7、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

8、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。</p><p>　　晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關控制作用。</p><p>　　線路特點：(1)諧振回路LC是晶體管的負載(2)電路工作在丙類工作狀態(tài)；基極負偏壓（或零偏壓）</p>

9、<p>　　關系式：(1)外部電路關系式：</p><p>　　(2)晶體管的內(nèi)部特性</p><p>　　(3)（半）導通角 </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>　　1.2功放的特性曲線</p>

10、;<p>　　必須強調(diào)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瘦敵鋈ィ硪徊糠止β室詿崮艿男问较脑诩姌O上，成為集電極耗散功率。</p><p>　　根據(jù)能量守衡定理：

11、 直流功率：</p><p><b>　　輸出交流功率：</b></p><p>　　-回路兩端的基頻電壓 -基頻電流 -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

12、化處理；</p><p>　　2.作出不同工作狀態(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

13、線及其特性方程</p><p>　　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。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）

14、高頻放大器的工作狀態(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 的關系曲線就叫做動態(tài)特性。</p><p

15、>　　2 高頻LC諧振功率放大器電路設計</p><p>　　2.1實驗電路參數(shù)計算</p><p>　　晶體管3GD12的主要參數(shù)為，管子的飽和管壓降。但是軟件的庫里邊沒有該類型的管子，所以本次設計用D40C1來代替。</p><p>　　主要技術指標：輸出功率,工作頻率6.5Mhz，效率>50%，負載。</p><p>　　2

16、.2確定放大器的工作狀態(tài)</p><p>　　為了獲得較高的效率和輸出功率，選丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，θc=70°，設輸出功率為Po=150mW，所以諧振回路的最佳負載電阻Rp= </p><p>　　=433 ，所以集電極基波電流振幅為</p><p><b>　　因為</b></p><p>&l

17、t;b>　　所以</b></p><p>　　所以集電極電流脈沖的最大值和直流分量分別為</p><p>　　所以直流功率為 功率放大器的總效率為</p><p>　　2.3計算諧振回路的參數(shù)</p><p>　　諧振回路的自身諧振頻率為</p><p>　　若采用電容抽頭的電路，設</p&g

18、t;<p>　　則負載RL等效 已知最佳負載阻抗是諧振電阻和回路諧振電阻的并聯(lián)，由此可以求得諧振電阻為 ,所以回路的無載 ，滿足要求。</p><p>　　2.4基極偏置電路的選擇</p><p>　　選取射極電阻和旁路電容的

19、并聯(lián)電路作為基極負偏壓電路，取Re=20</p><p><b>　　，則</b></p><p>　　，并且取旁路電容和各個耦合電容的值均為0.02，各個電感的值為50。 </p><p>　　參數(shù)確定后的實驗電路如圖5所示。</p><p>　　3 高頻LC諧振功率放大器電路的仿真與分析</p>&l

20、t;p>　　3.1 EWB軟件簡介</p><p>　　隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。電子設計自動化（EDA）技術，使得電子線路的設計人員能在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測試直至印刷電路板的自動設計。EDA是在計算機輔助設計（CAD）技術的基礎上發(fā)展起來的計算機設計軟件系統(tǒng)。與早

21、期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動化程度更高、功能更完善、運行速度更快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性?！　‰娮庸ぷ髌脚_Electronics Workbench (EWB)(現(xiàn)稱為MultiSim) 軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺軟件，它具有這樣一些特點： （1）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

22、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?。唬?）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。（3）EWB軟件帶有豐富的</p><p>　?。?）用EWB進行仿真模擬實驗，實驗過程非常接近實際操作的效果。各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會象實際操作那樣多次地把元件焊下而損壞器件和印刷電路板。使電路調(diào)試變得快捷方便。<

23、/p><p>　?。?）不但提供了各種豐富的分立元件和集成電路等元器件, 還提供了各種豐富的調(diào)試測量工具：各種電壓表、電流表、示波器、指示器、分析儀等。是一個全開放性的仿真實驗和課件制作平臺,給我們提供了一個實驗器具完備的綜合性電子技術實驗室。</p><p>　?。?）EWB（電子學工作平臺）為我們提供了一個很好的實用工具，使我們能夠在教學過程中隨時提供實驗、演示和電路分析。　</p&

24、gt;<p>　　因此非常適合電子類課程的教學和實驗。這次課程設計，我們將了解EWB軟件的初步知識和基本操作方法。</p><p><b>　　3.2軟件界面介紹</b></p><p>　　3.2.1EWB主窗口</p><p><b>　　3.2.2元件庫</b></p><p>

25、　　3.2.3基本器件庫</p><p><b>　　3.2.4信號源庫</b></p><p>　　3.2.5指示器件庫</p><p><b>　　3.2.6儀器庫</b></p><p><b>　　3.2.7二極管庫</b></p><p>&l

26、t;b>　　3.3使用儀器</b></p><p>　　3.3.1 電壓表和電流表</p><p>　　從指示器件庫中，選定電壓表或電流表，用鼠標拖拽到電路工作區(qū)中，通過旋轉(zhuǎn)操作可以改變其引出線的方向。雙擊電壓表或電流表可以在彈出對話框中設置工作參數(shù)。電壓表和電流表可以多次選用。</p><p>　　3.3.2 數(shù)字多用表</p>&

27、lt;p>　　數(shù)字多用表的量程可以自動調(diào)整,其圖標和面板如圖13所示：</p><p>　　圖13數(shù)字多用表圖標和面板</p><p>　　其電壓、電流檔的內(nèi)阻，電阻檔的電流和分貝檔的標準電壓值都可以任意設置。從打開的面板上選Setting 按鈕可以設置其參數(shù).</p><p><b>　　3.3.3示波器</b></p>

28、<p>　　示波器為雙蹤模擬式，其圖標和面板如圖14所示：</p><p>　　圖14 示波器圖標和面板</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　Expand ---- 面板擴展按鈕；</p><p>　　Time base ---- 時基控制；</p><p>

29、　　Trigger ---- 觸發(fā)控制；包括：</p><p>　?、貳dge ---- 上（下）跳沿觸發(fā)</p><p>　?、贚evel ---- 觸發(fā)電平</p><p>　　③觸發(fā)信號選擇按鈕：Auto（自動觸發(fā)按鈕）；A、B（A、B通道觸發(fā)按鈕）；Ext（外觸發(fā)按鈕）</p><p>　　X（Y）position ---- X（Y）

30、軸偏置；</p><p>　　Y/T、B/A、A/B ---- 顯示方式選擇按鈕（幅度/時間、B通道/A通道、A通道/B通道）；</p><p>　　AC、0、DC ---- Y軸輸入方式按鈕（AC、0、DC）。 </p><p>　　3.3.4信號發(fā)生器</p><p>　　信號發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦、三角波和方波信號，可調(diào)節(jié)方波和三角波的占空

31、比。其圖標和面板如圖15所示：</p><p>　　圖15信號發(fā)生器圖標和面板</p><p><b>　　3.3.5波特儀</b></p><p>　　波特儀類似于實驗室的掃頻儀，可以用來測量和顯示電路的幅度頻率特性和相位頻率特性。波特圖儀的圖標和面板如圖16所示：</p><p>　　圖16波特圖儀圖標和面板<

32、/p><p>　　波特儀類似于實驗室的掃頻儀，可以用來測量和顯示電路的幅度頻率特性和相位頻率特性。波特圖儀的圖標和面板如下圖所示。　　波特儀有IN和OUT兩對端口，分別接電路的輸入端和輸出端。每對端口從左到右分別為+V端和-V端，其中IN端口的+V端和-V端分別接電路輸入端的正端和負端，OUT端口的+V端和-V端分別接電路輸出端的正端和負端。此外在使用波特圖儀時，必須在電路的輸入端接入AC（交流）信號源，但對其信號

33、頻率的設定并無特殊要求，頻率測量的范圍由波特圖儀的參數(shù)設置決定。 </p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　Magnitude（Phase）---- 幅頻（相頻）特性選擇按鈕；</p><p>　　Vertical（Horizontal）Log/Lin ---- 垂直（水平）坐標類型選擇按鈕（對數(shù)/線性）；</p&

34、gt;<p>　　F（I）---- 坐標終點（起點）。</p><p>　　3.4 EWB軟件對高頻LC諧振功放的仿真</p><p><b>　　3.4.1電路仿真</b></p><p><b>　　3.4.2輸入仿真</b></p><p><b>　　3.4.3輸出仿

35、真</b></p><p>　　3.5電路參數(shù)的測試及效率的計算</p><p>　　3.6不同負載情況下工作狀態(tài)及輸出功率分析</p><p><b>　　3.6.1設計電路</b></p><p>　　3.6.2輸出波形仿真</p><p>　　3.6.3不同負載情況下工作狀態(tài)及輸

36、出功率分析</p><p>　　當負載電阻小于時，放大器工作在欠壓狀態(tài)，增大電阻，輸出電壓增大，輸出電流也增大，故輸出功率增大。</p><p>　　當負載電阻等于51時，放大器正好工作在臨界狀態(tài)，此時，輸出電壓和電流基本達到最大，故輸出功率最大，效率也比較高。</p><p>　　當負載電阻大于時，放大器工作在過壓狀態(tài)，繼續(xù)增大電阻，輸出電壓基本不變，而輸出電流變

37、小，所以輸出功率減小。</p><p>　　綜上，當負載電阻是時，輸出功率最大，當負載電阻大于或小于時，輸出功率都將減小。</p><p>　　3.7 高頻LC諧振功率放大器的放大倍數(shù)</p><p><b>　　觀察可得：</b></p><p>　　3.8 高頻LC諧振功率放大器的通頻帶寬</p>&l

38、t;p>　　由波特圖觀察可得： 中心頻率為：</p><p>　　3.9高頻功率放大器的振幅特性 </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。</p><p>　　3.9.1 輸入電壓不同時的輸出電壓</p><p>　　當輸入為40mV時的輸出電壓為829.3mV，&l

39、t;/p><p>　　當輸入為80mV時的輸出電壓為1.1520V，</p><p>　　當輸入為120mV時的輸出電壓為1.2812V，</p><p>　　3.9.2輸入電壓不同時放大器的工作狀態(tài)及輸出功率分析</p><p>　　由測得的情況可知，隨著輸入電壓的增加，放大器由欠壓區(qū)進入到過壓區(qū)，在欠壓區(qū)UOIC0IC1都隨著輸入電壓的增加而

40、增加，效率也隨之增加，欠壓區(qū)保持基本不變。放大器工作在臨界狀態(tài)時輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。</p><p>　　3.10高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性 </p><p>　　高頻功放的集電極調(diào)制特性是指只改變集電極電壓時, 放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。</p><p>　　3.10.1集電極電壓不同時的輸出電壓</p>

41、<p>　　3.6.2輸入電壓不同時放大器的工作狀態(tài)及輸出功率分析</p><p>　　集電極電壓由小變大構(gòu)成中功放工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界到欠壓狀態(tài)，在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><

42、p><b>　　4.1課程設計簡述</b></p><p>　　這次課程設計主要是對高頻電路中放大器這部分知識的應用。通過設計高頻放大器，進一步將理論轉(zhuǎn)化成實踐，并在實踐中檢驗理論。本次課程設計，是設計一個丙類諧振功率放大器。通過分析最大輸出功率與輸出阻抗的關系從而確定匹配網(wǎng)絡，進而確定電路中的個參數(shù)，從而設計出丙類諧振放大器的電路圖。</p><p>　　在設

43、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。通過觀察不同輸出電阻時的輸出功率，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。</p><p><b>　　4.2心得體會</b></p><p>　　不知不覺中，一周的課程設計實習已經(jīng)接近尾聲了。此刻，真是感慨萬千??！現(xiàn)在

44、我可以自豪的說，這次實習我達到了預期的目標。因為在實習期間，我每天都在接觸新的東西，每天都會有新的問題等待我去探討去解決，每天都有新收獲。</p><p>　　回想課設第一天，我們坐在電腦前，不知道自己能干點什么，對于指導老師的講解也是云里霧里的。因為頭一回接觸EWB這個軟件。但是我相信，只要自己用心了，沒有辦不成的事。于是，我靜下心來，仔細研究老師下發(fā)的文字和視頻教程。我珍惜每一次的上機機會，勤加練習，課下積極

45、研究手冊和相關書籍。兩天過后，才算有點眉目了。到這時心里才算稍微安穩(wěn)了一些，再加上以前學過Protel的電路設計軟件，所以我的自信心加強了。在課設過程中，遇到了自己解決不了的困難大家就圍起來一起研究，一起探討，一起學習，有時候甚至會引發(fā)一連串的爭論，這時候最有意思了，因為只有在別人提出了不同觀點而感覺自己的觀點沒有說服力的時候，你才會去質(zhì)疑自己所學的知識，才會想辦法證明自己是對的，這個過程中你才能改正舊的知識，學到新的知識。有時候，通過

46、探討發(fā)現(xiàn)自己離真理又進了一步，但是新問題接踵而至，這真是讓人興奮不已。最害怕的時刻是下課，看著未完成的作業(yè)，想著一連串的問題，心里有些惋惜和不快。</p><p>　　總而言之，在這一周的時間里，我學到了很多知識，長了很多見識。在以后的學習中，我一定會繼續(xù)發(fā)揚這種鉆研精神。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1

47、] 曾興文，劉乃安，陳健.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2007</p><p>　　[2] 張肅文等.高頻電子線路[M](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[M].北京：人民郵電出版社，2006</p><p>　　[4] 華成英，童詩白.模擬電子技術[M](第四版).北京：高等教育出版社，2

48、006</p><p>　　[5] 清華大學通信教研組.高頻電路[M].北京：人民郵電出版社，1979</p><p>　　[6] 楊欣，王玉鳳.電子設計從零開始[M].北京：清華大學出版社，2009</p><p>　　[7] 謝嘉奎.高頻電子線路[M](第二版).北京：高等教育出版社，1984</p><p>　　[8] 武秀玲，沈偉慈.