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1、 课程设计报告 题 目： 基于 multisim 的高频谐振功率 放大器设计与仿真 学生姓名： 包 晓 雪 学生学号： 1008030301 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 电子信息工程 届 别： 14 届 指导教师： 马 立 宪 电气信息工程学院制 2013 年 5 月 成绩成绩 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 1 页（共 20 页） 基于基于 multisimmultisim 的高频谐振功率放大器设计与仿真的高频谐振功率放大器设计与仿真 学生：包晓雪 指导教师：马立宪 电气信息工程学院 电子信息工程专业 1 1 课程设计的任务与要求课程设计
2、的任务与要求 1.11.1 课程设计的任务课程设计的任务 在通信电路中，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功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。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没备的重要组成部分。 在无线电信号发射过程中， 发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大， 如缓冲级、 中间放大级、 末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。本次课程设计的任务就是设计一高频谐振功率放大器。 1.2 1.2 课程设计的要求课程设计的要求 要求的技术指标为：输出功率 Po125m
3、W，工作中心频率 fo=6MHz，65%，已知：电源供电为 12V，负载电阻,RL=51,晶体管用 2N2219,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益 Ap13dB（20 倍） 1.3 1.3 课程设计的研究基础课程设计的研究基础 利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。 根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、 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。如丙类功放的小于 180 度， 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功率。丙类谐振功率放大器原理图如图 1 所示。 淮南师范学院电气
4、信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 2 页（共 20 页） 图图 1 1 谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路 谐振功率放大器的特点： （1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 （2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。 （3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。 （4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。 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。功率放大器各分压与电流的关系如图 2 所示。 图
5、图 2 2 功率放大器各分压与电流关系功率放大器各分压与电流关系 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 3 页（共 20 页） 图图 3 iC(t)3 iC(t)各次谐波的波形示意图各次谐波的波形示意图 在对谐振功率放大器进行分析与计算时， 关键在于直流分量和基波分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次谐波分量，下面仅列出前面几项的表达式 0cI= maxci CosCosSin 11= )(0maxci （1-1 式） 由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲 。由傅立叶级数可知，一个周期性函
6、数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解为 )(tiC cnmmcmcccnmmcmccIIIItCosnItCosIII2102102 （1-2 式） 分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅 mcI1 CosCosSinic11 max= )(1maxci （1-3 式） mcI2)1 (322max CosCosSinCosSinic = )(2maxci （1-4 式） )()1 (1233 3maxmax 3 cc mciCosCosSinCosSiniI （1-5 式） 只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、 基波分量及各次谐波分量
7、。各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。 放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为 CODCDCIUP （1-6 式） 谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻 RP 上的功率为 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 4 页（共 20 页） cmcmOUIP121 （1-7 式） 集电极的功耗为 ODCCpPP （1-8 式） 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比 )(21 )()( 21 21 1 0101gUIUI PpCCccmcDCO （1-9式） 甲类状态，
8、180c， %50 乙类状态， 90c， %5 .78 丙类状态， 60c， %89 工作在丙类状态时，效率最高。 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。 高频放大器的工作状态是由负载阻抗 Rp、激励电压 b、供电电压 VCC、VBB等 4 个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。 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
9、Rp 而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图 4 所示。 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 5 页（共 20 页） 图图 4 4 电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形 放大器的输入电压是一定的，其最大值为 Vbemax，在负载电阻 RP 由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中 123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的 ic 波形、 输出交流电压幅值、 功率、 效率也是不一样的。临界状态时负载线和 eb max 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率
10、也就较大。欠压状态 时 B 点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据 Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻 RP 的增大而增大， 其输出功率效率的变化也将如此。过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载 Rp 的加大，Ic1 要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图 5 所示。欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大， 输出电压随负载阻抗变化而变化， 因此较少采用。 但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，
11、但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 6 页（共 20 页） 图图 5 5 谐振功率放大器的负载特性曲线谐振功率放大器的负载特性曲线 调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载 Rp；改变供电电压 VCC；改变偏压 VBB；改变激励 Vb。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。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
12、大器的工作状态由过压经临界转入欠压。Vcc变化时对工作状态的影响如图 6 所示： 图图 6 Vcc6 Vcc 变化是对工作状态的影响变化是对工作状态的影响 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、功率的变化如图 7 所示。 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 7 页（共 20 页） 图图 7 7 改变改变 VCCVCC 时工作状态和电流、功率的变化时工作状态和电流、功率的变化 VCC、VBB、Rp 不变，Vbm 变化。当 Vb
13、m 自 0 向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当 Vbm 自 0 向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。谐振功放的放大 特性是指放大器性能随 Vbm 变化的特性，其特性曲线如图 8 所示。 图图 8 Vbm 8 Vbm 变化的特性变化的特性 2 2 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器系统方案制定系统方案制定 2.12.1 方案提出方案提出 2.1.12.1.1 系统电路结构框图系统电路结构框图 淮南师范学院电气信息工程学院 2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 8 页（共 20 页） 图图
14、 9 9 系统框图系统框图 2.1.22.1.2 系统功能参数系统功能参数 已知： 此高频谐振功率放大器系统电路中， 电源供电为12V， 负载电阻,RL=51,晶体管用 2N2219,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益 Ap13dB（20 倍） 2.2.2 2 方案论证方案论证 在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为 360 度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180 度；丙类放大器电流的流通角则小于 180 度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。 综上， 确定电路设计由两个模块组成， 第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器
