高频电子线路课程设计-调相调制电路的设计--功率放大电路(2).doc

目录目录2摘要3第一章 绪论41、设计的目的及意义41.1 设计的目的41.2 设计的意义42、设计内容52.1 问题的提出52.2 主要技术指标63、设计要求8第二章 基本原理分析91、原理电路92、谐振功率放大器的功率关系和效率123、谐振功率放大器折线分析法133.1 折线分析法的主要步骤133.2 晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线143.3 谐振功率放大器的动态特性与负载特性15第三章 电路设计171、高频功率放大电路的组成172、参数设置173、参数调试和调整183.1导通角qc的调整183.2欠压、临界、过压工作状态的调整184、调试结果分析215、误差分析及改善措施21第四章 设计总结23参考文献24摘要调相调制电路的设计功率放大电路专业：通信工程 姓名： 指导教师： 摘要：高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析， 工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。 关键词：高频功率放大、谐振功率放大器、输出效率第一章 绪论1、设计的目的及意义1.1 设计的目的本课题主要涉及通信电子线路中功率放大器工作原理，甲类和丙类放大器的工作原理。除此之外，本课题还涉及到电子领域中一些比较基础的概念，其理论意义十分广泛且重要，涉及方面广，而且对电路基础、通信电子线路中的一些基础知识要求较高，对以往学过的知识是一次全面的复习。同时也将理论知识应用到设与计与实践中。高频功率放大器的作用：对高频已调波信号进行功率放大，然后经过天线将其辐射到空间。谐振功率放大器的主要任务是用来放大高频打信号，主要用于发射机的末级，使之获得足够的高频功率并反馈送到天线辐射出去，谐振功率放大器主要解决的问题是高效率和高功率输出。根据放大器电流导通角的范围，可以分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小，放大器的效率越高。如丙类功放的90，但效率可以达到80%，丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的效率。1.2 设计的意义功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因此，功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题。这时我们要考虑的不仅仅是输出的电压或电流的大小，而是要有一定的功率输出，才能使这些负载正常工作。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。2、设计内容2.1 问题的提出1）设计一个高频功率放大电路，对高频已调波信号进行功率放大，然后经过天线将其辐射到空间。2）高频谐振功率放大器电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。 相比之下丙类谐振功放的失真度虽不及甲类和乙类大，但输出功率大、效率高，节约能源， 所以是高频功率放大器中经常选用的一种电路形式。3）丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小，也就是晶体管导通时间短，集电极功耗减小。 但导通角越小，将导致输出功率越小。 所以选择合适的角，是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标的一个重要考虑，综合考虑=70作为最佳导通角。2.2 主要技术指标（一）输出功率输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时注意。1、额定功率它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。2、最大输出功率当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率。（二）频率响应频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20khz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16 khz1.5db。（三）失真失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。（四）动态范围放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用db来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 db。自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。（五）信噪比信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。（六）输出阻抗和阻尼系数1、输出阻抗功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。2、阻尼系数阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。3、设计要求1）要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。2）效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高。3）非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。4）在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数选择与保护问题也不容忽视。5）功率放大电路的分析任务是：最大输出功率、最高效率及功率三极管的安全工作参数。在分析方法上，由于管子处于大信号下工作，故通常采用图解法。6）功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路，它一般直接驱动负载，带载能力要强。根据技术指标要求及实验室条件提出具体方案，给出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数。第二章 基本原理分析1、原理电路晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路lc是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。 谐振功率放大器的基本电路外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的转移特性曲线表达式为：所以有 集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器的转移特性曲线谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下图所示：高频功率放大器中各部分电压与电流的关系2、谐振功率放大器的功率关系和效率功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。pdc=直流电源供给的直流功率；po=交流输出信号功率；pc=集电极耗散功率；根据能量守恒定理：所以集电极效率为：由上式可以得出以下两点结论：1) 设法尽量降低集电极耗散功率pc，则集电极效率hc自然会提高。这样，在给定pdc时，晶体管的交流输出功率po就会增大；2）由试可知：如果维持晶体管的集电极耗散功率pc不超过规定值，那么提高集电极效率hc，将使交流输出功率po大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。3、谐振功率放大器折线分析法所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量ic0和基频分量icm1。3.1 折线分析法的主要步骤1）测出晶体管的转移特性曲线ic eb及输出特性曲线ic ec，并将这两组曲线作理想折线化处理；2）作出动态特性曲线；3）是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲ic和输出电压vc的波形；4）求出ic的各次谐波分量ic0、ic1、ic2由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。3.2 晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管实际特性和理想折线由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。2)过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大。3)临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。3.3 谐振功率放大器的动态特性与负载特性1） 谐振功率放大器的动态特性：高频放大器的工作状态是由负载阻抗rp、激励电压vb、供电电压vcc、vbb等4个参量决定的。如果vcc、vbb、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。2）谐振功率放大器的负载特性：在其他条件不变(vcc、vbb、vb为一定)，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性电压、电流随负载变化波形由此可得谐振功率放大器的负载特性曲线为：第三章 电路设计1、高频功率放大电路的组成设计电路由下图所示：2、参数设置谐振功率放大器的主要指标是功率和效率，以临界状态为标准：1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和qc导通角qc：集电极电流脉冲幅值icm： 2）电流余弦脉冲的各谐波分量系数a0(qc)、a1(qc)、an(qc)可查表求得，并求得个分量的实际值。3)谐振功率放大器的功率和效率：直流功率：交流输出功率：集电极效率：4）根据可求得最佳负载电阻： 在临界工作时，x接近于1，作为工作估算，可设定x=1，“最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角qc改变而变化的，qc小，rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载(如天线等)相匹配。3、参数调试和调整3.1导通角qc的调整由 可得若保持vb不变增大偏置vbb；或保持vbb不变增大激励、电压振幅vb；或同时增大vbb和vb，这三种情况均可使导通角qc增大，若相反，则可使qc减小。但是采取上述三种方法中的任一个方法，当qc增大时，ic脉冲电流的振幅im会加大，输出功率po当然也会加大，而当qc减小时，im和po均将减小。有时希望增大qc，但要保持im不变，则应在增加vbb的同时，适当减小激励vb。3.2欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：变集电极负载rp；改变供电电压vcc；改变偏压vbb；改变激励vb。1) 改变rp，但vb、vcc、vbb不变 当负载电阻rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。2) 改变vcc，但rp、vb、vbb不变当集电极供电电压vcc由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随vcc变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随vcc的减小而下降，故输出功率也随之下降。vcc变化时对工作状态的影响在过压区中输出电压随vcc改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变vcc来实现调幅过程的。改变vcc时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。3) vbm变化，但vcc、vbb、rp不变或vbb变化，但vcc、vb、rp不变 这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是vbm还是vbb的变化，其结果都是引起eb的变化。由 eb= vbb+vbmcoswt eb max= vbb+vbm 当vbb或vbm由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。vbm变化时电流、功率的变化4、调试结果分析各个元件详细参数可得如下：vbbvccn1n2rlc-5v12v40209015pf5、误差分析及改善措施1）输入电阻输入电阻ri的大小决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。对输入为电压信号的放大电路，即电压放大和互导放大，ri愈大，放大电路输入端的vi愈大；对输入为电流信号的放大电路，即电流放大和互阻放大，ri愈小，注入放大电路和输入电流ii愈大。2）输出电阻放大电路的输出电阻ro的大小决定它带负载的能力。对输出为电压信号的放大电路，即电压放大和互阻放大，ro愈小，负载电阻rl的变化对输出电压vo的影响愈小，多用于信号的前置放大和中间级放大；对输出为电流信号的放大电路，即电流放大和互导放大，与受控电流源并联的ro愈大，负载电阻rl的变化对输出电流io的影响愈小，常用于电子系统的输出级。3）增益四种放大电路分别具有不同的增益，如电压增益av、电流增益ai、互阻增益ar及互导增益a g。它们实际反映了放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为信号能量的能力。4）频率响应及带宽放大电路的频率响应所指的是，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。5）非线性失真非线性失真是由放大器的非线性特性所引起的。放大器包括分立器件（如半导体三极管等）和集成电路器件（如集成运算放大器等）。此外，针对不同用途的电路，还有一些其他的指标，如最大输出功率、效率、信号噪声比、抗干扰能力等。第四章 设计总结这次试验，我们本组的设计题目是高频放大，通过认真的学习和资料的查找，我们更多的了解到所学知识的内涵和锻炼综合运用的能力，经过不懈的努力我们如期完成了设计任务，对此我感到十分的高兴和欣慰！经过对书本的学习和网上大量资料的筛选从中中接触几点重要的东西：功率放大主要用来放大高频大信号，其目的是为了获得高功率和高效率的有用信号。功率放大的主要指标是功率和效率，丙类谐振功放利用折线化后的转换特性和输出特性进行分析计算，为了提高效率，常采用减小管子导通角和保证负载回路谐振。一个完整的功率放大器由功率管、馈电电路和阻抗配置电路组成。阻抗匹配电路是保证功放管集电极调谐、负载阻抗和输入阻抗符合要求的电路。在给定的功放管后，放大器的设计主要就是馈电电路和阻抗匹配电路的设计