高頻課設(shè)資料.doc
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一、課程設(shè)計(jì)目的 由于高頻振動(dòng)器所產(chǎn)生的高頻振動(dòng)信號(hào)的功率很小，不能滿足發(fā)射機(jī)天線對(duì)發(fā)射機(jī)的功率要求，所以在發(fā)射之前需要經(jīng)過(guò)功率放大后才能獲得足夠的功率輸出。 本次課程設(shè)計(jì)使通過(guò)已學(xué)的電路基礎(chǔ)知識(shí)，模擬高頻振動(dòng)功率放大器，使發(fā)射機(jī)內(nèi)部各級(jí)電路之間信號(hào)功率能有效傳輸，這就要求放大器輸入端和輸出端都能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。即放大器輸入端阻抗和信號(hào)阻抗匹配，放大器輸出端阻抗和負(fù)載阻抗匹配。我們知道能量是不能放大的，高頻信號(hào)的功率放大，其實(shí)質(zhì)在輸入高頻信號(hào)的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率，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(yīng)要求有盡可能高的轉(zhuǎn)換率。主要是根據(jù)已知數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)丙類(lèi)高頻功率放大器。 二、課程設(shè)計(jì)題目描述和要求 設(shè)計(jì)一高頻功率放大電路；1.要求三極管工作在丙類(lèi)狀態(tài)； 2.主要技術(shù)指標(biāo)：輸入已調(diào)波的峰值為100mV；載波頻率為6.5MHz，輸出功率≧1w，負(fù)載50Ω，效率≧80%； 3.用相關(guān)仿真軟件畫(huà)出電路并對(duì)電路進(jìn)行分析與測(cè)試。 三、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容 3.1 設(shè)計(jì)方案的論證 高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號(hào)，并且以高效輸出大功率為目的，它主要應(yīng)用于各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)中。發(fā)射機(jī)中的振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)功率很小，需要經(jīng)多級(jí)高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。 高頻功率放大器輸出功率范圍，可以小到便捷式發(fā)射機(jī)的毫瓦級(jí)，大到無(wú)線電廣播電臺(tái)的幾十千瓦，甚至兆瓦級(jí)。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，幾百瓦已下的高頻功率放大器則主要采用雙極晶體管和大功率場(chǎng)效應(yīng)管。 如圖所示是一個(gè)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的。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率fT。 由先修課程可知，低頻功率放大器可以工作在甲類(lèi)狀態(tài)，也可以工作在乙類(lèi)狀態(tài)，或甲乙類(lèi)裝態(tài)，乙類(lèi)狀態(tài)要比甲類(lèi)狀態(tài)效率高（甲類(lèi)效率最大可達(dá)到50％；乙類(lèi)效率最大可達(dá)78.5％），為了提高效率，高頻功率放大器多工作于丙類(lèi)狀態(tài)。為工作保證在丙類(lèi)狀態(tài)下工作，基極偏置電壓Eb應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)應(yīng)為大信號(hào)，一般在0.5V以上，可達(dá)1～2V,甚至更大。也就是說(shuō)，晶體管工作在截止和導(dǎo)通（線性放大）兩種狀態(tài)下，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號(hào)。與低頻功放不同的是，高頻功放選用諧振回路作為負(fù)載，既保證輸出電壓相對(duì)于輸入電壓不失真，還具有阻抗變換的作用，這是因?yàn)榧姌O電流是周期性的高頻脈沖，其頻率分量除了有用分量（基波分量）外，還有諧波分量和其他有用頻率成分，用諧振回路選出有用分量，將其他無(wú)用分量濾除；通過(guò)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(fù)載阻抗值，即匹配，使高頻功放高效輸出大功率。 圖2集電極電流波形 我們知道能量（功率）是不能放大的，高頻信號(hào)的功率放大，其實(shí)質(zhì)是在輸入高頻信號(hào)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(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。要想提高效率有兩種途徑，一是提高電壓利用系數(shù)ξ，即提高Uc，這通?？刻岣呋芈返闹C振阻抗Rl來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)是提高波形系數(shù)γ，γ與有關(guān)，即θ越小，γ越大，效率η越高?？梢愿鶕?jù)集電極電流導(dǎo)通角θ的大小劃分功放的工作類(lèi)型。當(dāng)θ=180時(shí)，放大器工作在甲類(lèi)；當(dāng)90<θ<180時(shí)，為甲乙類(lèi)；當(dāng)θ=90，為乙類(lèi)；當(dāng)θ<90時(shí)，則為丙類(lèi)。對(duì)于高頻功放，θ<90，為了兼顧輸出功率P1和效率η，通常選θ在65~75范圍。 圖3γ、α0(θ)、α1(θ)、α2(θ)、α3(θ)與θ的關(guān)系 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可知，本次設(shè)計(jì)需要兩級(jí)放大，但由于丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能采用諧振回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓波形仍然極近于正弦波形，失真很小。因此，第一級(jí)放大為甲類(lèi)放大，放大激勵(lì)信號(hào)，為第二級(jí)丙類(lèi)功率放大器提供大信號(hào)激勵(lì)源；第二級(jí)為丙類(lèi)放大，放大輸出功率。其中甲類(lèi)功放采用晶體管3DG130A(NPN型硅管、最高反向電壓為45V、損耗功率PCM為700mw、電流放大倍數(shù)>40)丙類(lèi)功放采用晶體管3DA89(NPN型硅管、最高反向電壓為40V、損耗功率PCM為750mw、電流放大倍數(shù)>=10)。級(jí)間采用變壓器進(jìn)行耦合，采用12V直流電源作為電源。 圖4高頻功率放大電路總體設(shè)計(jì)框圖 3.2丙類(lèi)諧振功率放大器的效率與功率 功率放大器是依據(jù)激勵(lì)信號(hào)放大電路對(duì)電流的控制，起到把2.3.1丙類(lèi)諧振功率放大器的效率與功率。 集電極電源直流功率變換成負(fù)載回路的交流功率的作用。在同樣的直流功率作用條件下，轉(zhuǎn)換的功率越高，輸出的交流功率越大。 集電極電源0V提供的直流功率： 式中C0I為余弦脈沖的直流分解系數(shù) 式中，CMI為余弦脈沖的最大值：0Caq（）為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。 式中，BBU為晶體管的導(dǎo)通電壓；BBV為晶體管的基極偏置；bmV為功率放 大器的激勵(lì)電壓振幅。 集電極輸出基波功率： 式中CU為回路兩端的基頻電壓，C1I為余弦電流脈沖基頻電流，LR為回路 的諧振阻抗。 集電極效率： 式中，e為集電極電壓利用系數(shù)；1()cqα為余弦脈沖的基波分解系數(shù)。功率放大器的設(shè)計(jì)原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實(shí)際運(yùn)用中，為兼顧高的輸出效率和高效率，通常ooC=6080q～。 3.3丙類(lèi)放大器的負(fù)載特性 欠壓狀態(tài)：在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出電壓CU隨負(fù)載電阻LR的增大而增大，而電流cmaxＩ、C1I、C0I基本不變，輸出電流的振幅基本上不隨CCU變化而變化，故輸出功率基本不變。 臨界狀態(tài)：負(fù)載線和bU正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。其對(duì)應(yīng)的最佳負(fù)載電阻值，用PR表示，即： 當(dāng)PR變小時(shí)，放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如C點(diǎn)所示。集電極輸出電流較大，集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。PR變大時(shí)，放大器處于過(guò)壓工作狀態(tài)，如B點(diǎn)所示。集電極電壓雖然較大，但集電極電流凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。 設(shè)計(jì)諧振功率放大器為臨界工作狀態(tài)的條件是：CCcmcesV-U=U。 式中，cmU為集電極輸出電壓幅度；CCV為電源電壓；cesU為晶體管飽和壓降。 過(guò)壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)載LR的加大，1cI要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。輸出電流的振幅將隨CCV的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。 其負(fù)載特性如圖2諧振功率放大器的負(fù)載特性。 3.4丙類(lèi)高頻功放的振幅特性 高頻功放的振幅特性是指只改變激勵(lì)信號(hào)振幅bU時(shí)，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。由圖3高頻功放的振幅特性可以看出，在欠壓區(qū)，C0I、C1I、CU隨bU的增加而增加， 但并不一定是線性關(guān)系。在過(guò)壓區(qū)，cU基本不隨bU變化，可以認(rèn)為是恒壓區(qū)，放大等幅信號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇在此狀態(tài)。2.3.4欠壓、臨界、過(guò)壓工作狀態(tài)的調(diào)整 調(diào)整欠壓、臨界、過(guò)壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載LR；改變供電電壓CCU；改變偏壓BBU；改變激勵(lì)bU。 方法1:改變LR，但bU、CCU、BBU不變：當(dāng)負(fù)載電阻LR由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過(guò)壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。 方法2:改變CCU，但LR、bU、BBU不變：當(dāng)集電極供電電壓CCU由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過(guò)壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。 方法3:bU變化，但CCU、BBU、LR不變或BBU變化，但CCU、bU、LR不變：這兩種情況所引起放大器工作狀態(tài)的變化是相同的。因?yàn)闊o(wú)論是bU還是BBU的變化，其結(jié)果都是引起beU的變化。當(dāng)BBU或bU由小到大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過(guò)壓。 3.5原理圖分析及參數(shù)計(jì)算 1.確定放大器的工作狀態(tài) 在CCV=+12V的條件下，晶體管2N2219A的參數(shù)：CC VP cm =700mW,ICM=300mA U CES ≤0.6V,β≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB.。為了獲得 較高的效率及最大輸出功率，選丙類(lèi)功率器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，取θ=700，得出諧振回路的最佳負(fù)載電阻RP為： 得集電極基波電流振幅 得集電極電流脈沖的最大值Icm及其直流分量 得電源供給的直流功率P為： 得放大器轉(zhuǎn)換效率為 2.計(jì)算諧振回路 若取諧振回路電容：固定電容C=50PF得回路電感 3. 偏置電路電壓 3.6軟件設(shè)計(jì) Multisim是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA軟件，它具有直觀、方便的操作界面，創(chuàng)建電路、選用元器件和虛擬測(cè)試儀器等均可直接從屏幕圖形中選取，操作簡(jiǎn)便。它具有完備的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析和頻域分析、器件的線性和非線性分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法。在進(jìn)行仿真的過(guò)程中，可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)、測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示的波形。它先進(jìn)的高頻仿真設(shè)計(jì)和功能，是目前眾多仿真電路所不具備的。 Multisim用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。Multisim是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。 Multisim的元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)，而且建庫(kù)所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊(cè)中查到，因此也很方便的在工程設(shè)計(jì)中使用。 Multisim的虛擬測(cè)試儀器儀表種類(lèi)齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。Multisim具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。 Multisim可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等?？梢詫?duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開(kāi)路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。Multisim有豐富的Help功能，其Help系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解說(shuō)，Help中這種元器件功能解說(shuō)有利于使用EWB進(jìn)行CAI教學(xué)。另外Multisim還提供了與國(guó)內(nèi)外流行的印刷電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Protel及電路仿真軟件PSpice之間的文件接口，也能通過(guò)Windows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進(jìn)行編輯排版。支持VHDL和VerilogHDL語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。 利用Multisim可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以完成各種類(lèi)型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類(lèi)和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。Multisim易學(xué)易用，便于電子信息、通信工程、自動(dòng)化、電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生自學(xué)、便于開(kāi)展綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新的能力。 3.7硬件設(shè)計(jì) 3.8測(cè)試結(jié)果 四、結(jié)論 通過(guò)在電腦軟件Multisim上的模擬，和在元件與功能電路的選擇，參數(shù)計(jì)算，此電路基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，優(yōu)點(diǎn)是此電路的效率達(dá)到了82%。 5、 結(jié)束語(yǔ) 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題、鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。這次的高頻課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)電子電路理論知識(shí)的理解，并鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力和基本調(diào)試能力。 回顧起此次高頻課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正學(xué)到屬于自己的知識(shí)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到的問(wèn)題，可以說(shuō)得是多如牛毛，因?yàn)榛A(chǔ)不牢固，再加上缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)及動(dòng)手的經(jīng)驗(yàn)，所以難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多的不足之處，比如說(shuō)發(fā)現(xiàn)自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 不過(guò)，這次實(shí)驗(yàn)的最大收獲就是鍛煉了我獨(dú)立思考的能力，由于參數(shù)的計(jì)算有點(diǎn)復(fù)雜，需要自己獨(dú)立思考各個(gè)參數(shù)的意義和各個(gè)參數(shù)之間的聯(lián)系，這就要求我在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須認(rèn)真思考，絕不能馬虎，否則，算出來(lái)的可能就是錯(cuò)誤答案。而參數(shù)不對(duì)，最終將直接影響到仿真的結(jié)果。 課設(shè)的這段日子真的是給我留下了很深的印象。我總結(jié)出，在每次課設(shè)中，遇到問(wèn)題最好的辦法就是請(qǐng)教別人，因?yàn)槊總€(gè)人掌握的情況都不一樣，一個(gè)人不可能做到處處都懂，必須發(fā)揮群眾的力量，復(fù)雜的事情才能夠簡(jiǎn)單化。這一點(diǎn)我深有體會(huì)，在很多時(shí)候，我遇到的困難或許別人之前就遇到過(guò)，向他們請(qǐng)教遠(yuǎn)比自己在那邊摸索來(lái)得簡(jiǎn)單，來(lái)得快。 雖然我現(xiàn)在已經(jīng)初步學(xué)功率放大器，但是離真正能夠利用已學(xué)的知識(shí)自由設(shè)計(jì)使用電路會(huì)了如何設(shè)計(jì)符合要求的高頻諧振的還有一段的距離。課設(shè)的這段時(shí)間我確實(shí)受益匪淺，不僅是因?yàn)樗l(fā)生在特別的實(shí)踐，更重要的是我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)又有了很大的進(jìn)步。 參 考 文 獻(xiàn) 【1】鄭長(zhǎng)明.《高頻電路實(shí)驗(yàn)與仿真》.科學(xué)出版社 【2】張新喜《Multisiml0電路仿真及應(yīng)用[M]》北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2012 【3】杜武林,李紀(jì)澄,曾興憲.《高頻電路原理與分析(第二版)》.西安電子科技大學(xué)出版社.1994 【4】趙淑范.《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M]》.北京:清華大學(xué)出版社.2009 【5】劉泉主.《通信電子線路》.武漢理工大學(xué)出版社.2007.1 【6】謝自美.《電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試》.華中科技大學(xué)出版社.2007.8 【7】胡宴如.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》.高等教育出版社出版社。 【8】楊志忠.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》.高等教育出版社 【9】曾興雯.《高頻電路原理與分析》.西安電子科技大學(xué)出版社 利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱(chēng)為諧振功率放大器，這是無(wú)線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流 導(dǎo)通角θ的范圍可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi)及丁類(lèi)等不同類(lèi)型的功率放大器。電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類(lèi)功放的θ=180，效率η最高也只能達(dá)到50%，而丙類(lèi)功放的θ<90，效率η可達(dá)到80%，甲類(lèi)功率放大器適合作為中間級(jí)或輸出功率較小的末級(jí)功率放大器。丙類(lèi)功率放大器通常作為末級(jí)功放以獲得較大的 利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱(chēng)為諧振功率放大器，這是無(wú)線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角θ的范圍可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi) 及丁類(lèi)等不同類(lèi)型的功率放大器。電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類(lèi)功放的θ=180，效率η最高也只能達(dá)到50%，而丙類(lèi)功放的θ<90，效率η可達(dá) 到80%，甲類(lèi)功率放大器適合作為中間級(jí)或輸出功率較小的末級(jí)功率放大器。丙類(lèi)功率放大器通常作為末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。 圖3-1高頻功率放大器 圖3-1為由兩級(jí)功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1組成甲類(lèi)功率放大器，晶體管VT2組成丙類(lèi)諧振功率放大器，這兩種功率放大器的應(yīng)用十分廣泛，下面介紹它們的工作原理及基本關(guān)系式。 前言 在高頻范圍內(nèi)為獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻放大器，高頻功率放大器主要用于發(fā)射機(jī)的未級(jí)和中間級(jí)，它將振蕩產(chǎn)生的信號(hào)加以放大，獲得足夠高頻功率后，再送到天線上輻射出去。另外，它也用于電子儀器作未級(jí)功率放大器。 高頻功率放大器要求功率高，輸出功率大。丙類(lèi)放大器它是緊緊圍繞如何提高它的效率而進(jìn)行的。高頻功率放大器的工作頻率范圍一般為幾百KHZ—幾十MHZ。一般都采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載，且一般都是工作于丙類(lèi)狀態(tài)，如果要進(jìn)一步提高效率，也可工作于丁類(lèi)或戊類(lèi)狀態(tài)。 三． 實(shí)驗(yàn)原理及公式推導(dǎo) 高頻諧振放大器的主要作用是使電路輸出功率大，效率高；主要特點(diǎn)是用諧振回路來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，并且為了提高效率常工作在丙類(lèi)狀態(tài)。 高頻功率放大器一般有兩種：1.窄帶高頻功率放大器；2.寬帶高頻功率放大器。前者由于頻帶比較窄，故常用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，所以又稱(chēng)為諧振功率放大器。而寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其它寬帶高頻功率放大器，以高效率，小失真得到較大輸出功率。因此一般都工作在丙類(lèi)狀態(tài)。其導(dǎo)通角小于π，其通角小于π/2。 如圖1所示是丙類(lèi)功率放大器原理圖。圖中LC諧振回路為集電極的負(fù)載，Ec為集電極直流電源，Eb為基極負(fù)偏置電源。Ub是高頻輸入信號(hào)，Ub=Ubmcosωt?？梢?jiàn)，只有輸入信號(hào)電壓足夠大時(shí)，即Ub>Eb+Eb1(Eb1為晶體管截止偏壓)時(shí)晶體管才導(dǎo)通。顯然電流的通腳<π/2，集電極電流Ic呈脈沖形狀，這個(gè)電流經(jīng)集電極諧振回路選出Ic的基波分量Ic1，再經(jīng)過(guò)變壓器耦合，在RL上得到一個(gè)放大的基波功率。從而實(shí)現(xiàn)了丙類(lèi)功率放大。 高頻功率放大器是由輸入回路，晶體管負(fù)載和電源幾部分組成。 1．高頻丙類(lèi)功率放大器的輸出功率和效率。為了便于計(jì)算脈沖電流Ic,將晶體管 的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線ic-Ubc用折線gm表示。如圖2所示，由圖2所知： ic=gm（Ubθ—E＇b）=gm（UbmCosωt+Eb＇—bE＇b） gm為跨導(dǎo)。當(dāng)ωt=θ時(shí)，ic=0 E＇b+--Eb 因?yàn)楸?lèi)工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖，是以ω為角頻率的周期性函數(shù)。故可用付里葉級(jí)數(shù)求系數(shù)方法來(lái)表示它的直流、基波分量，各次諧波分量的數(shù)值。 由付氏級(jí)數(shù)的系數(shù)求得 可以看出減少管耗Pc,或者提高ζ和g1(θ)都可以提高放大器的效率。這是因?yàn)? 1。要減少集電極損耗功率Pc，則要求減少Uce。當(dāng)管內(nèi)有較大電流ic時(shí)，Uce應(yīng)盡量減少，最好在ic整個(gè)流通時(shí)間內(nèi)Uce均很小，或者當(dāng)Uce較大時(shí)，要盡量減少集電極電流ic。 2． 要提高集電極效率，則要求提高集電極電流電壓利用系數(shù)ζ。Uc1m增大，ζ可增大，因?yàn)閁c1m增大使Uce減小。（Uce=Ec-Uc1mcosωt），所以，當(dāng)ic較大時(shí)，Uce的減少使得管子集電極損耗Pc減少，從而提高效率。 3． 要提高效率，也可增大g1(θ)。θ的減少，可使g1(θ)增大，于是提高效率。θ減少，意味著減少ic與Uce均不為零的時(shí)間，從而可用甲，乙，丙3種工作狀態(tài)的集電極電壓，電流波形來(lái)說(shuō)明，如圖3所示。 甲類(lèi)在一個(gè)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。乙類(lèi)ic只有半個(gè)周期流通，而且，當(dāng)放大器的負(fù)載為電阻時(shí)，ic流通半周正好與Uce負(fù)半周相對(duì)應(yīng)，此時(shí)，Uce小，因而效率比甲類(lèi)高。 丙類(lèi)工作時(shí)波形，ic流通時(shí)間小于半個(gè)周期，當(dāng)集電極諧振回路對(duì)激勵(lì)信號(hào)諧振時(shí)，ic僅在Uce負(fù)半周瞬時(shí)值較大時(shí)流過(guò)，此時(shí)Uce較小，所以丙類(lèi)比乙類(lèi)效率高。 當(dāng)θ<π/2，是否可能接近于零，得到最高效率呢？ 當(dāng)θ→0時(shí)，使得輸出功率也顯著下降，為了兼顧輸出功率和不使激勵(lì)功率過(guò)大，因而θ不能太小，從而限制效率提高。一般情況下θ=π/3-7π/18時(shí)，相應(yīng)的集電極效率較大，η在80%-90%之間。 2．丙類(lèi)功率放大器的負(fù)載特性 丙類(lèi)功率放大器的負(fù)載特性是指在Ec,Eb,Ubm不變的條件下，各種電流輸出電壓，功率和效率等隨Re變化的曲線。 因?yàn)楦哳l功率放大器的工作狀態(tài)取決于Rc,Ubm,Eb和Ec四個(gè)參數(shù)。如果保持Ubm,Eb和Ec不變，則工作狀態(tài)僅取決于Rc。 （1）負(fù)載變化對(duì)工作狀態(tài)的影響 如果保持Ubm,Eb和Ec不變則Re變化影響工作狀態(tài)的變化如圖3從圖3看出： 1.動(dòng)特性表示Re較小時(shí)，這時(shí)Uc1m也較小，動(dòng)態(tài)負(fù)載線A1在線性放大區(qū)，這種狀態(tài)稱(chēng)為欠壓狀態(tài)。在欠壓狀態(tài)，ic呈余弦脈沖。 2.動(dòng)特性隨Rc增加，動(dòng)態(tài)負(fù)載線A2在臨界線上，稱(chēng)這種狀態(tài)為臨界狀態(tài)，此時(shí)ic還是呈余鉉脈沖。3.動(dòng)特性隨Rc繼續(xù)增大，A3也進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)ic呈凹脈沖，這種狀態(tài)稱(chēng)過(guò)壓狀態(tài)，在過(guò)壓狀態(tài)，隨Rc增大，ic的幅度也迅速下降，但它的基波輸出電壓振幅基本不變，即Uc1m≈Ec。 （2）負(fù)載Re變化對(duì)Ico,Icm，Uc1m,Pout,Po和η的影響。 當(dāng)維持Ubm,Eb和Ec不變時(shí)，放大器Ico,Icm，Uc1m,Pout,Po，Pc和η隨負(fù)載阻 抗Re變化。因?yàn)?，Uc1m=Ic1m*Re。 如圖5： 在欠壓區(qū)：Ic1m與Ico基本不變，僅隨Re增加略有下降，Uc1m也隨Re增加而直線增加，Pc管耗下降。把放大器看成恒流源。 在過(guò)壓區(qū)：Uc1m幾乎不變，Ico和Ic1m則隨Re的增大也急劇下降。把放大器看成恒流源。 從圖4看出：集電極電源輸入功率Po=Eo*Ico。由于Ec不變，因而Po與Re關(guān)系曲線和Ico曲線的形狀相同。 放大器輸入功率Pout=1/2Ic1m*Uc1m，Pout與Re關(guān)系是根據(jù)Uc1m、Ic1m兩條曲線相乘求出來(lái)。 在臨界狀態(tài)時(shí)，Pout達(dá)到最大值，放大器效率也較高。這就是希望放大器工作在臨界工作狀態(tài)的原因。 集電極損耗功率Pc=Po–Pout，故Pc曲線由Po與Pout曲線相減得出。 在欠壓區(qū)，當(dāng)Re減小，Pc上升很快；當(dāng)Re=0時(shí)，Pc達(dá)到最大值，可能使晶體管燒壞。（這種情況是短路）放大器的效率η=Pout/Po.在欠壓狀態(tài)時(shí)，Po變化小，所以η隨Pout增加而增加，到臨界狀態(tài)后，Pout下降沒(méi)有Po快，在過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，Pout主要是隨Ic1m急劇下降而下降，因而η也略有下降，故在靠近臨界的弱過(guò)壓狀態(tài)η出現(xiàn)最大值。 3．放大器各級(jí)電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響 （1）Ubm對(duì)工作狀態(tài)的影響 在討論激勵(lì)電壓幅度Ubm的變化對(duì)放大器工作狀態(tài)影響，設(shè)Ec,Eb,Re不變。當(dāng)Ubm較小時(shí)，Ubemax=Eb+Ubm也較小，從ic-Ubc動(dòng)態(tài)特性看出：放大器工作在 欠壓狀態(tài)，集電極電流為尖頂余弦脈沖。 當(dāng)Ubm增大時(shí)，Icmax,Ic1m也增大，，而引起Uce=Ec-Ic1m*Rc的減少。從而使放大器由欠壓狀態(tài)過(guò)渡到過(guò)壓狀態(tài)。 如圖6所示： （a）為ic-Ubc此稱(chēng)平面上ic的動(dòng)特性。（b）為集電極電流脈沖波形。 （c）Ic1m,Ico,Icm-Ubm的關(guān)系。 從圖6可看出：在欠壓狀態(tài)時(shí)，隨著Ubm的增加，將引起icmax增加，于是Ic1m,Ico和Uc1m與Ubm幾乎成正比增加。在過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，隨著Ubm的繼續(xù)增加，雖然電流脈沖高度繼續(xù)增大，但其凹度增大。所以Ic1m,Ico在過(guò)壓區(qū)增加不大。在欠壓區(qū)，Uc1m與Ubm成線性關(guān)系。 （2）Eb變化對(duì)工作狀態(tài)影響 設(shè)Ec,Ubm,Re不變。 由于Ubemax=Eb+Ubm。所以Eb變化與Ubm變化一樣，都要引用Ubemax的變化。 當(dāng)Ec，Ubm,Re不變時(shí)，|Eb|減小相當(dāng)于Ubm的增大。這樣，當(dāng)Eb反向偏置向正向偏置變化時(shí)，icmax增大，放大器從欠壓狀態(tài)轉(zhuǎn)入過(guò)壓狀態(tài)。因此，Eb變化對(duì)集電極電流脈沖波以及Ico,Ic1m和Uc1m的影響與Ubm變化引起的影響類(lèi)似。 如圖7，在欠壓狀態(tài)改變Eb,可控制高頻輸出電壓，這就是基極偏壓調(diào)幅的原理。 Eb1下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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