高频电路设计.docx

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高频电路设计

高频电子线路课程设计报告

题  目：

丙类功率放大器的设计与仿真   

院  系：

培黎工程技术学院电子工程系

专  业：

  电子信息科学与技术  

班  级：

   电信122本    

姓  名：

   张彦梅    

学  号：

  21020602050238    

指导教师：

   赵宇杰     

报告成绩：

2014年9月12日

一  设计目的  3

二   设计思路  3

1.  丙类功率放大器电路原理。

  3

三、设计过程  4

3.1.集电极馈电电路  4

3.2极馈电电路  4

3.3丙类谐振功率放大器电路  5

3.4模块电路设计  6

3.4.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路  6

3.4.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路  7

3.4.3匹配网络  8

3.4.4VBB、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析  8

1负载特性  8

四 整体电路与系统调试及仿真结果  10

五、元件与设备  14

5.1晶体管的选择  14

5.2判别三极管类型和三个电极的方法  15

5.3电容的选择  15

六 课程设计体会与建议  16

七 参考文献  16

      一  设计目的

电子技术迅猛发展。

由分立元件发展到集成电路，中小规模集成电路，大规模集成电路和超大规模集成电路。

基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元。

弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。

放大器在当今和未来社会中的作用日益增加。

高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗，要求发射机具有较大的输出功率，而且，通信距离越远，要求输出功率越大。

所以，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。

高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。

丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛的应用，而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高的社会价值。

设计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真，以及对丙类谐振功率放大器发展的展望。

二   设计思路

1.  丙类功率放大器电路原理。

图1-1为丙类谐振功率放大器原理图,为实现丙类工作,基极偏置电压VBB应设置在功率的截止区。

输入回路

由于功率管处于截止状态，基极偏置电压VBB作为结外电场，无法克服结内电场，没有达到晶体管门坎电压，从而，导致输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度小于90o。

由iC≈βiB知，iC也严重失真，且脉宽小于90o。

输出回路

若忽略晶体管的基区宽度调制效应以及结电容影响,在静态转移特性曲线（iC～VBE）上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列,脉冲宽度小于半个周期。

图1-1 丙类谐振功率放大器原理图

由Dirichlet收敛定理可知,可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即

iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…

由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗很大，且为纯电阻。

而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，这样，在负载上得到了所需的不失真的信号功率。

三、设计过程

3.1.集电极馈电电路

根据直流电源连接方式不同，集电极电路又分为串联馈电和并联馈电两种，如图3-1所示：

图 3-1

（1）串馈电路指直流电源VCC、负载回路、功率管三者首位相接的一种直流馈电电路。

C1、LC为低通滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。

（2）并馈电路指直流电源VCC、负载回路、功率管三者为并联关系的一种馈电电路。

如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，C2为高频输出耦合电容，

3.2极馈电电路

图3-2给出了几种基极馈电形式，基极的负偏压既可以是外加的，也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。

前者称为固定偏压，后者称为自给偏压。

图中a是发射极自给偏压，CB为旁路电容；b为基极组合偏压；c为零偏压。

自给偏压的优点是偏压能随激励大小变化，使晶体管的各极电流受激励变化的影响减小，电路工作较稳定。

c

图3-2 基极馈电形式

3.3丙类谐振功率放大器电路

在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允许范围内）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在允许的范围内），通常采用丙类谐振功率放大器。

本章主要介绍丙类谐振功率放大器的电路组成和工作原理并对各种状态进行分析。

在丙类谐振功率放大器中，管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成。

如图3-3-1所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它与CC构成电源滤波电路,需要在信号频率上，LC的感抗很大，接近于开路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈，造成工作不稳定。

由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅,因此,在基极通常采用自给偏置电路,如图3-3-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生的压降，电路中LB为功率管基极电路提供直流通路。

滤波匹配网络介于晶体管和外接负载之间,充分滤除不需要的高次谐波,以保证负载上的输出基波功率。

图3-3-1集电极直流馈电电路（串馈）

图3-3-2自给偏置电路

图3-3-3为丙类谐振功率放大器的简单基本电路,输入端采用自给偏置电路,输出端为集电极直流馈电电路（串馈）。

图3-3-3 丙类谐振功率放大器的简单基本电路

3.4模块电路设计

3.4.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路

我们知道,丙类谐振功率放大器输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电压，采用这种方式可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出的作用。

但要注意,存在自给偏置电路的丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号（载波、调频信号）而不适宜放大调幅信号，否则调幅信号包络将会失真。

常用的基极偏置电路见图3-4-1（输出回路均以略去）所示。

图3-4-1 基极偏置电路

现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图3-2-1（b）所示，当电源V1电压处在正半周期且电压振幅大于PN结门坎电压时，基极导通，此时，记流经C2的电流为i1，一个周期内的其他时间处于截止状态，此时，记流经C1的电流为i2。

显而易见，基极导通时流经C2的电流i1大于截止时的电流i2，即i1＞i2。

C2两端的电压关系为Ui1＞Ui2.由于基极相对于地的电压波形为正半周期幅度小于负半周期幅度,由傅里叶级数可知，它的平均分量为负，使功率管发射结正偏，处于截止状态。

3.4.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路

集电极直流馈电电路有两种连接方式:

串馈和并馈。

所谓串馈是指,将直流电源、匹配网络和放大管串接起来的一种方式。

如图3-4-2（a）所示,图中LC为高频扼流圈,CC为电源滤波器,ZL为电抗。

要求LC对信号频率的感抗很大,接近开路,CC的容抗很小,接近短路,是为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定。

图3-4-2（a）串馈电路、        图3-4-2（b）并馈电路

并馈电路是把直流电源、匹配网络和放大器并接起来的一种馈电方式，如图2-4-2（b）所示，图中LC为高频扼流圈，CC1为隔值电容，CC2为电源滤波电容，要求LC对信号频率的感抗很大，接近开路，CC1和CC2的电容很小,接近短路。

3.4.3匹配网络

匹配网络介于晶体管和负载之间，在丙类谐振功率放大器电路中的作用非常重要，具有阻抗转换、滤除高次谐波和高频率传送能量的作用。

3.4.4VBB、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析

1负载特性

所谓谐振功率放大器的负载特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能随Re变化的特性。

利用准静态分析法对负载特性进行分析，画出电路的特性曲线，如图3-2-3所示。

由图3-4-3看以看出,当A′沿UBE0曲线由右向左移动（即A′→A″→A，，，方向移动）时，电路状态将发生变化，曲线①较陡，近似直线斜率绝对值较大，从而，Re较小；曲线②较缓，近似直线斜率绝对值较小，因此，Re较大.所以,在A′→A″→A，，，移动的过程中Re由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状态，相应的iC由余弦变化脉冲变为中间凹陷的脉冲波，用傅里叶级数将电流脉冲iC分解，即

iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…，

可画出ICO和Ic1m随Re变化特性,如图3-4-4所示。

由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC=PD-Po,ηC=Po/（PD +Po），可画出Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re变化曲线,如图3-4-5所示。

图3-4-3 谐振功率放大器电路特性曲线

图3-4-4 ICO和Ic1m随Re变化特性

图3-4-5 Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re变化

四 整体电路与系统调试及仿真结果

4-1电路原理图

1.  仿真电路，根据不同的R3的值二变化的波形

图 4-2

图 4-3

图 4-4

参数设置        

图 4-5

五、元件与设备

5.1晶体管的选择

任何电子电路都以电子元件为基础，常用的元件由电阻器、电容器、电感器、半导体器件（二极管、晶体管、场效应管以及集成电路）。

半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心元件。

二极管具有单向导电性,可用于整流检波、稳压混频等电路。

晶体管具有放大和开关作用,可用于放大、震荡、调制等电路。

晶体管分NPN型和PNP型两大类。

通过外壳上所标注的规格和型号,可以区分出管子的类型、材料、功能大小、频率高频等性能。

此外,管壳上一般还用色点的颜色来表示管子的电流放大倍数β的大致范围。

如黄色表示β=30～60，绿色表示β=50～110，蓝色表示β=90～160，白色表示β=140～200。

5.2判别三极管类型和三个电极的方法

要弄清管子类型与三个电极。

将万用表至于电阻“R×1K”档，用黑表笔接晶体管的某一脚（假设其为基极），用红表笔分别接另两个脚。

若两次显示阻值都很小,则表示该管是NPN管,且黑表笔所接管脚为基极;若两次显示的阻值都很大，则表示是PNP管，且黑表笔所接管脚为基极；若两次显示阻值一大一小，则表示黑表笔所接管脚不是基极，按上述方法测量，直到找到为止。

若三个管脚测试下来,都不能确定基极。

则晶体管可能以损坏。

确定管子的类型和基极后,可进一步判断发射极和集电极。

用万用表置于电阻“R×1K”挡，两表笔分别接除基极外的两个电极。

对于NPN管,用手指捏住基极与黑表笔所接管脚，可测得一阻值。

然后将两表笔对换,同样用手指捏住基极与黑表笔所接管脚，又测得一阻值。

所得阻值小的那次测量,黑表笔所接管脚所接的是集电极,而红表笔所接的是发射极。

对于PNP管,应用手指捏住基极与红表笔所接管脚,所得阻值小的那次测量,红表笔所接的管脚为集电极,而黑表笔所接的管脚为发射极。

5.3电容的选择

射频电容的关键指标是高Q和低ESR。

在功率放大器匹配电路的应用上,射频功率的消耗与Q值成反比,直接与ESR值成正比。

高Q电容是保证功率放大器增益和输出功率指标的关键因素。

另外,电容器不是理想的电容，其模型都是由串联的电感、电阻和电容组成，如图5-2-1所示，因此，高Q电容在不同频率下所呈现的等效电容值也不一样。

图5-2-1不理想电容器

六 课程设计体会与建议

在这次高频电子线路课程设计实习中，我们充分的应用了所学的知识，通过去图书馆查阅相关资料和上网搜索相关知识，我们颇有收获，粗略设计出该电路。

优点：

电路简单，电路参数范围宽泛，设计时权衡了功率和效率，达到了较好的效果。

缺点：

输出波形有些误差。

由于学的不够扎实，在课程设计中遇到很多困难。

尤其是在调节输出时确定参量的过程中深感书本知识的重要和自己学习过程对知识掌握的不完备。

同时，在各个功能的设计过程中对好多的问题考虑不够全面，导致出现很多不必要的麻烦。

通过这次课程设计，我充分感受到了Multisim的强大功能，并且通过课设，巩固了我们上课所学的知识，并且有所提高，还可以把它们运用到实际中来。

这次课设也暴露出我平时学习的不足，在今后的学习中要更加努力地学习，更加丰富自己的理论知识，同时增加自己亲身实践的机会。

在这一周里，我总结出善于交流意见也是学习能力的一种体现，每次完成一个任务，我都会和同学们交流一下，找到自己的不足，从而更好的提升自己。

七 参考文献

[1]曾兴文、刘乃安、陈健．高频电子线路．北京：

高等教育出版社，2007

[2]路而红等．虚拟电子实验室．北京：

人民邮电出版社，2006

[3]蒋卓勤,邓玉元.Multisim2001及其在电子设计中的应用[M]

[4]于海勋,郑长明.高频电路实验与仿真[M].北京:

科学出版社,2005.

[5]张肃文,陆兆熊.高频电子线路（第三版）[M].北京:

高等教育出版社,1993.