高頻功率放大器課程設(shè)計報告書.doc

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目錄 1 .概述及基本原理 1 2.方案及各部分設(shè)計原理分析 2 2.1整體介紹 2 2.2原理分析 2 2.3具體分析 3 3.參數(shù)的計算和選擇 4 3.1功率放大器輸出功率的計算分析 4 3.2諧振回路的計算分析 5 3.3放大管柵極和板極的電流電壓關(guān)系 6 3.4高頻功率放大器的能量關(guān)系 8 3.5發(fā)射管的工作狀態(tài) 9 4.仿真結(jié)果及分析總結(jié) 10 5.心得體會 13 6.參考文獻 14 1 .概述及基本原理 高頻功率放大器是對載波信號或高頻信號進行功率放大的電路。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展高頻放大應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。在某些場合高頻放大技術(shù)的高低成為制約本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。比如射頻手機和高頻信號收發(fā)機等，都需要用到高頻功率放大器，并且作為一項非常重要的技術(shù)攻關(guān)項目。特別是移動電話機中高頻功率放大器品質(zhì)的高低直接影響其產(chǎn)品的技術(shù)指標。所以本次課程設(shè)計我選擇高頻功諧振率放大器。 如圖1-1所示為高頻功放基本原理圖，圖中，高頻扼流圈提供直流通路，C1為隔直流電容，諧振回路分別為輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。其中天線等效阻抗，作為輸出負載。與非諧振功放比較，它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別。 圖1-1高頻功放基本原理圖 諧振式高頻功率放大器的特點是：①為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為反向偏置，由Eb（VBB）來保證，流過晶體管的電流為余弦脈沖波形；②負載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外，還能實現(xiàn)放大器的阻抗匹配。 2.方案及各部分設(shè)計原理分析 2.1整體介紹 基本部分組成，即電子管、諧振回路和電源。電子管在放大器中起著把直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的作用；諧振回路是電子管的負載；電源供給電子管各電極電壓，它們共同保證電子管的正常工作。 放大器有兩個主要電路：板極電路和柵極電路。板極電路包括并聯(lián)振蕩回路和直流板極電壓Ea的饋電電路。振蕩回路由電感L1、電容C1和電阻r組成。電路中C1為高頻旁路電容，L1為高頻阻流圈。在柵極電路中加入直流偏壓Eg，一般Ea為負值。電路中C2和L2分別是柵極回路的高頻旁路電容和高頻阻流圈。 2.2原理分析 知道前級送來的高頻激勵電壓為 ug=Ugcosωt它加在柵極與陰極之間。其中，ug是激勵電壓的瞬時值，Ug是激勵電壓的振幅值，ω＝2πf是激勵電壓的角頻率，f是激勵電壓的頻率。 當電路接好并將各電極電壓加上時，則在板極電路中就會出現(xiàn)受到柵極電壓控制的板流脈沖，脈沖波形如圖3-1所示。ia是周期性函數(shù)，由數(shù)學知識可知，它可用傅氏級數(shù)來表示，即 ia=Ia0+Ia1cosωt+Ia2cos2ωt+…+Iancosnωt （2.1） 可見，板極電流等于直流分量Ia0、一次諧波(基波)、二次諧波和其他高次諧波之和 圖3-1脈沖波形 板極并聯(lián)諧振回路要調(diào)諧到激勵信號電壓的頻率，并且在實際情況下，振蕩回路的Q值遠大于1(考慮到下級負載引入的電阻)，即回路的諧振性很強。這樣，諧振回路對基波的阻抗很大，而且是純電阻性的，這就是我們熟知的諧振阻抗，一般用Roe來表示。板極回路的直流電阻，可以看成是短路的。同時，因為回路是調(diào)諧到基波，對于高次諧波回路失諧很大，所以回路對于高次諧波也近似于短路。 這樣，板極電流通過回路時，在回路上所引起的只有基波電壓。輸出電壓不是脈沖形狀，而是和輸入激勵電壓一樣的波形。 2.3具體分析 串聯(lián)偏置是說電子器件，負載電路和直流電源三部分串聯(lián)起來的。在上面所提到的電路中LC是 負載賄回路；L‘是高頻厄流圈，它對直流是短路的，但對高頻則呈現(xiàn)很大的阻抗，可以認為是開路的，以阻止高頻電流通過功用電源內(nèi)阻產(chǎn)生高頻能量損耗，特別是避免在個級之間由此而產(chǎn)生的寄生偶合；C’是高頻旁路電容，他們對高頻應(yīng)呈現(xiàn)很小的阻抗，相當于短路。加入這些附屬元件L‘，C’等的目的就是為了使電路能滿足上述組成電路的原則。 偏置電路中都存在著自給偏置效應(yīng)，即當由小增大時，基極電流脈沖中的平均分量相應(yīng)增大，它在偏置電阻上的壓降增大，結(jié)果使基極偏置電壓向負值方向增大。由此表明在輸入信號激勵下，由于自給偏置效應(yīng)，基極偏置電壓將不等于靜態(tài)偏置電壓，且其值隨著輸入激勵幅度增大而向負值方向增大。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是阻抗匹配和選 3.1功率放大器輸出功率的計算分析 令ua=Ia1Roecosωt=Uacosωt (2.2) 其中Ua＝Ia1Roe是回路電壓的幅度。由于ua的正方向與Ea相反，所以板極的瞬時電壓為 ea=Ea-ua=Ea-Uacosωt (2.3) 由LC諧振回路的基本知識可知，當板極回路諧振于激勵信號頻率時，板極回路對基波電流呈現(xiàn)一個純電阻的諧振阻抗為 式中， --回路特性阻抗； --回路有載品質(zhì)因數(shù)； r--回路有載總損耗電阻 由于高次諧波不在回路上產(chǎn)生壓降，所以回路兩端的高頻電壓為 Ua= Ia1Roe (2.5) 其中Ia1為振幅值。 在負載上產(chǎn)生的高頻功率為 由上分析可知，只要在放大器的柵極電路中輸入激勵電壓，便可以在板極負載上獲得高頻輸出功率。同時也可以看出，板流ia雖是脈沖形狀，但由這一電流在回路兩端產(chǎn)生的電壓降卻是正弦形式。其關(guān)鍵是放大器的板極接有一個LC并聯(lián)諧振回路。 3.2諧振回路的計算分析 采用諧振回路作負載是高頻放大器區(qū)別于低頻放大器的特點，它有兩個作用：第一是阻抗變換的作用；第二是濾波作用。 以前邊系統(tǒng)為例，設(shè)板極回路與負載回路之間的互感為M，再設(shè)負載回路已調(diào)至諧振，天線回路的串聯(lián)電阻為RA，則在有載的情況下板極回路的等效阻抗應(yīng)為 對于給定的RA，我們可以調(diào)整M、L、C三個量來滿足下面兩個條件：(1)使等效的并聯(lián)回路諧振于工作頻率；(2)使Roe之值等于電子管所要求的最佳數(shù)值。這樣就實現(xiàn)了阻抗匹配。 回路的濾波作用，就是把我們所需要的放大后的基波信號選出來，把不需要的諧波抑制掉。我們知道，工作于乙類或丙類的放大器，其板流為一脈沖，其中除含直流分量、基波分量外，還有諧波分量。如果負載是個電阻，它決不能把其中的基波分量選出來。但在LC的并聯(lián)諧振回路中，由于線圈的電阻很小，可以認為對直流是短路的。對基波來說，當諧振時，回路的等效阻抗是一個數(shù)值較大的純電阻，其值為L/Cr。對于n次諧波，回路嚴重失諧，故回路對n次諧波呈現(xiàn)的阻抗與基波相比可以忽略不計。因此，盡管ia中含有很多的諧波分量，但在回路兩端只產(chǎn)生很小的諧波電壓，只有基波分量Ia1才能在回路兩端產(chǎn)生足夠大的電壓降。根據(jù)歐姆定律得 式中 ua=Uacosωt 既然Ua是正弦電壓，故通過LC回路的電流必然也是正弦電流。由此得出結(jié)論：由于并聯(lián)LC回路的諧振特性起著濾波作用，盡管板流是脈沖形式的，但回路電流和回路兩端的電壓仍然是正弦形式的。 這一現(xiàn)象也可以從能量的觀點來解釋，即回路是由LC組成的，而L和C都是貯能元件。在板流流通的時間內(nèi)，回路貯存能量，在板流截止的時間內(nèi)，回路又放出能量，這樣就維持了振蕩回路中振蕩電流的連續(xù)性。 3.3放大管柵極和板極的電流電壓關(guān)系 在討論能量關(guān)系之前，有必要了解放大管柵極和板極的電壓、電流工作波形及其相位關(guān)系。圖2-8表示高頻功率放大器在工作時的柵壓、柵流和板壓、板流等的變化曲線以及它們之間的相位關(guān)系。在N1-2(a)中，Eg為電子管的截止偏壓，Eg為工作偏壓。設(shè)電子管柵極上所加的高頻電壓為ug=Ugcosωt，則柵極的瞬時eg為 eg=Eg+Ugcosω 圖4-1丙類放大器工作波形 為了獲得得高的效率，放大器一般工作在丙類狀態(tài)，則偏壓|Eg|大于板流的截止偏壓|Eg|。當eg超過Eg時，即N1-2(a)中的t1～t4期間，電子管的板流流通，ia的波形是余弦脈沖的一部分。其流通時間為2θ，稱θ為板流流通角，如N1-2(b)所示。當eg大于零時，即N1-2(a)中的t2～t3間，電子管出現(xiàn)柵流，其波形也近似于余弦脈沖波，其流通時間為2θg，稱θg為柵流流通角，如N1-2(c)所示。 因板流是個余弦脈沖，可用富氏級數(shù)將其分解，于是就得到ia中的直流分量Ia0和基波分量Ia1，分別如圖(d)、(e)所示。由于板極回路諧振于基波，所以Ia1在回路兩端產(chǎn)生電壓降ua的波形和變化規(guī)律與Ia1相同，如圖(g)所示。由圖(f)可見，瞬時板壓ea的最小值為eamin=Ea-Ua，而最大值為eamax=Ea+Ua。eamin有時也稱為剩余電壓，意思是回路剩給板極的電壓。回路電壓的峰值Ua對直流板壓Ea之比，稱為板壓利用系數(shù)，以符號ξ表示，即 意思是直流饋電電壓Ea中有百分之多少可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l輸出電壓。我們還可以用下式來表示ξ，即 由N1-2(a)、(b)、(c)可見，板流通角θ取決于eg曲線與截止偏壓Eg兩個交點的位置，而柵流通角θg則取決于eg曲線與時間軸的兩個交點的位置，顯而易見θg＜θ。 在大多數(shù)情況下板流脈沖可以近似地用一個余弦脈沖來表示，這是因為板流的動態(tài)特性曲線近似一條直線，如N1-2所示，所以eg作余弦變化時，板流脈沖也跟著作余弦變化。但柵流動態(tài)特性曲線就不能當作一條直線，所以柵流脈沖的形狀也不能當作余弦脈沖，而是近似于余弦平方脈沖或三角形脈沖，如N1-3所示。圖中虛線為理想化動態(tài)特性曲線和柵流脈沖，實線為實際動態(tài)特性曲線和柵流脈沖波形 圖4-2柵流脈沖 從圖4-2還可以看出在任何情況下eg與Ia1是同相變化的，而ua則作反相變化。由此得出結(jié)論：當eg=egmax時，ea=eamin；反之，當eg=egmin時，則ea=eamax，而eamax的極限值是2E。 3.4高頻功率放大器的能量關(guān)系 能量關(guān)系指的是功率放大器能量的來源和分配問題，它對放大器的安全工作、節(jié)約能源、輸出大的功率都非常重要。 在板極電路中主要有三部分能量：直流電源供給的能量，電子管輸送到振蕩回路的能量和電子轟擊板極在板極產(chǎn)生的熱能。顯然后兩種能量是由前一能量轉(zhuǎn)換得來的。根據(jù)能量守恒定律，三者應(yīng)該平衡。諧振時回路呈現(xiàn)一純電阻，流經(jīng)它的基波電流振幅為Ia1，它在回路上引起的基波電壓振幅為Ua，因此，回路從電子管得到的高頻功率為 供給電子管板極電路的唯-能源是直流電壓Ea，所以直流輸入功率為 P0=EaIa0 (2.13) 直流輸入功率P0中的大部分經(jīng)電子管的轉(zhuǎn)換變成輸出功率P~，剩余部分則使電子管的板極發(fā)熱變?yōu)榘鍢O損耗功率Pa，所以 Pa=P0+P~ (2.14) 于是我們就可以得到功率放大器的效率η為 式中, 稱為波形系數(shù)，它是板極流通角的函數(shù)。 由上述公式可以看出，放大器實質(zhì)上是把直流功率P0轉(zhuǎn)化為高頻功率P~的能量轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換效率為η。顯然，提高效率是我們所希望的。為此我們應(yīng)提高板壓利用系數(shù)ξ和減小通角θ[為的是提高γ(θ)]，但過分減小θ，將導(dǎo)致Ia1減小，因而輸出功率P~也會減小，所以θ有一最佳值。 從電子管內(nèi)部的物理過程來進行分析。當電子從陰極向板極運動時，如果受到電場的加速，電子便從電場中吸收能量。如果受到電場的減速，則電子把能量交給電場。電子在向板極的運動過程中，受到直流電場的加速(其大小決定于直流電壓Ea)，增加動能，也就是電子由直流電場取得能量，這部分能量是由直流電源供給的。但是在板極上還疊加有高頻電壓ua它的相位正好與激勵電壓ug相反，因此電子受到高頻電場的排斥而減小了動能，所減小的動能等于電子交給高頻電場的能量，這部分能量就是回路上高頻功率P~的來源。電子以剩余的動能轟擊板極，從而產(chǎn)生板耗。 3.5發(fā)射管的工作狀態(tài) 根據(jù)放大器有無柵流及柵流大小(即動態(tài)工作范圍)分類，可分為緩沖狀態(tài)、欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài)、弱過壓狀態(tài)和強過壓狀態(tài)。 緩沖狀態(tài)是指無柵流工作，此時電子管的板柵動特性只限于負柵壓區(qū)中。如圖4-1（a）所示。 欠壓狀態(tài)是指雖然也有柵流，但和板流相比卻十分微小，因而不至于使板流尖頂脈沖波形嚴重失真。此時板柵動特性延伸到正柵壓區(qū)，但延伸范圍很小。圖4-1(b)所示。 過壓狀態(tài)是指柵流很大，板流脈沖波形有很大凹陷。此時板柵動特性在正柵壓延伸范圍較大，稱為過壓狀態(tài)。過壓狀態(tài)又有弱過壓和強過壓之分。板流脈沖有凹陷，但并不下降到零，稱為弱過壓狀態(tài) 臨界狀態(tài)是指板柵動特性延伸到正柵區(qū)使板流脈沖出現(xiàn)平頂而尚未產(chǎn)生凹陷時的工作狀態(tài)，此時柵流大于欠壓狀態(tài)的柵流。 4.仿真結(jié)果及分析總結(jié) 圖5-1 總電路圖 將電路用Muitisim進行仿真運行，分別記錄負載及激勵電壓Ug對功率放器的影響。 當功率放大器的電源電壓+Ucc，基極偏壓Ub，輸入電壓C確定后，如果電容導(dǎo)通角確定，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Rp。諧振功率放大器的交流負載特性如圖所示。 圖 5-1 諧振功率放大器的負載特性 激勵電壓ug＝Ugcosωt是隨時間而變化的。當Eg、Ea、Roe保持不變時，激勵電壓振幅Ug的變化對工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響： 當Ug＝0時，丙類高頻功率放大器將處于截止狀態(tài)。 當Ug由零開始增加，且eg＝Eg十Ug≥Eg時，板ia開始導(dǎo)通，在eg＜0時，柵流為零，顯然此時為欠壓狀態(tài)。 Ug繼續(xù)增加，且eg＝Eg十Ug≥0時，柵流ig開始出現(xiàn)，并隨Ug增加而增大。所以工作狀態(tài)便由欠壓進入臨界進而轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。由此可見，改變Ug大小，就可以改變工作狀態(tài)。 圖5-2 Ug變化對工作狀態(tài)影響的三組曲線 在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴重失真的脈沖序列波形或周期性的開關(guān)波形。 為實現(xiàn)不失真放大，必須限定輸入信號為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號）或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號。在這種信號作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級數(shù)將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)取出基本波分量，濾除其它無用分量，就能在負載上獲得不失真的輸出信號。 同理，在功率管輸入端，基極電流也是失真脈沖序列，通過輸入匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，加到功率管輸入端的為不失真的信號電壓。 與非諧振功放一樣，在特定的偏置條件下，對應(yīng)于特定大小的輸入信號，功率管有一最佳負載，這時，諧振功放的輸出功率最大，效率也較高。因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用，即將輸出負載（往往是非電阻性負載）變換為功率管所需的最佳負載。 總之，諧振功放是在限定輸入信號波形的情況下，通過濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，使輸出負載上得到所需的不失真功率。 5.心得體會 課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,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),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。通過這次的高頻課設(shè)，加深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 ，能夠正確的使用實驗儀器。 回顧起此次高頻課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了人類的生活。作為新世紀的大學生，應(yīng)當站在時代發(fā)展的前列，掌握現(xiàn)代科學技術(shù)知識，調(diào)整自己的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)社會發(fā)展的要求。新世紀需要既有豐富的現(xiàn)代科學知識，能夠獨立解決面臨的任務(wù)，充滿活力，有創(chuàng)新意識的新型人才。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設(shè)計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！ 6.參考文獻 [1] 張肅文 《高頻電子線路》 高等教育出版社1979年5月第1次印刷。 [2] 管致中 《無線電技術(shù)基礎(chǔ)》高等教育出版社 1963 [3] 董在望 《通信電路原理》 第二版 高等教育出版社 2002 [4] 陽昌漢 《高頻電子線路》 第2版 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學出版社 2001 [5] 曹志剛 錢亞生 《現(xiàn)代通信原理》 北京 清華大學出版社 1992