丙类功率放大电路设计与实现开题报告.docx
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丙类功率放大电路设计与实现开题报告
1论文题目
丙类功率放大器电路设计与实现。
2课题来源
在高频实验中，由于丙类功率放大电路（图2-1）的结构和性能参数设置不太完善，而且改变负载电阻很难得到凹陷的余弦脉冲，导致实验效果不太理想。
希望通过这一课题改变实验效果不太理想的现状。
图2-1丙类功率放大实验图
目前高频电子线路的教学主要采用理论教学和实践环节相结合的方法，两者在过程上相互融洽。
一个很重要的原因在于计算机技术和电子信息技术发展所带来的计算机仿真系统，对于电子类课程所用到的计算机仿真系统称为电子设计自动化（EDA技术）。
在众多的EDA设计软件中，MULTISIM软件是一种非常适合电子类课程课堂教学和实践教学的软件工具，可以灵活的在课堂和实践中进行演示和设计仿真，大大提高课堂效果，有利于学生的理解和掌握。
现行高频电子线路实验课程中普遍采用高频电子线路试验箱，其主要是设计好的模块电路。
因此要提高学生动手设计能力，提高学生的创新意识，就必须增加设计性实验，既能加强理论知识的掌握，又锻炼了动手能力。
MULTISIM软件是良好的人机交互式仿真软件，具有完善的电路模拟、设计、仿真等功能。
有效提高学生分析、设计和应用能力。
3研究的目的和意义
随着无线通信技术的高速发展，市场对射频电路的需求越来越大，同时对射频电路的性能要求也越来越高。
丙类谐振功率放大器是位于无线发射级末端的重要部件，它通常被作为末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效率。
在高频实验中，丙类功率放大器电路的效果并不理想，通过进一步研究希望可以改善丙类功率放大电路的性能参数。
在课题研究中，必须对完成基本电路的设计，制作与调试，完成从电路设计，器件参数选择，PCB板设计制作，焊接、安装调试。
虽然电路原理简单，但通过这一过程会了解电子线路整个的生产过程，为将来到工作单位更快适应工作环境打下基础。
通过基础实验和课程设计，相信一定会掌握所学各环节知识并具备了一定的分析能力、设计能力，通过课程设计，可以使对分析问题、解决问题、设计电路的能力有质的飞跃，由元件到环节最终达到了系统级的认识。
通过设计、调试，会遇到理论教学中，甚至实验环节中一些意想不到的许多实际问题，从而提高学生的电路设计能力及工程应用能力。
4主要研究内容
4.1丙类功率放大电路组成结构
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4-1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。
图4-1集电极直流馈电电路（串馈）
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4-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲
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4-2自给偏置电路
图4-3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4-3丙类功率放大器的简单基本电路
4.2丙类谐振功率放大器工作原理
图4-4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。
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（
～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4-4丙类功率放大器电路原理图
由Dirichlet收敛定理可知,可将电流脉冲序列
分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即
=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
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。
4.3丙类谐振功率放大器电路分析
本节主要在丙类谐振功率放大器管外电路进行分析，谈论
、
、
和
对放大器的影响。
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4-5（输出回路均以略去）所示。
（a）（b）
图4-5基极偏置电路
现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图4-5（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。
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4-6（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4-6（a）串联电路图4-6（b）并联电路
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4-6（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。
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。
、
、
、
对丙类谐振功率放大器性能影响分析：
负载特性：
所谓谐振功率放大器的负载特性是指VBB、
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4-7所示。
图4-7谐振功率放大器电路特性曲线
由图4-7可以看出，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
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
分解，即
=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…，
由
=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC=PD-Po，ηC=Po/（PD+Po），可画出
、Po、PD、PC、ηC随Re变化曲线，如图4-8所示：
图4-8
、
、
、
、
随
变化曲线
调制特性：
集电极调制特性是指VBB、
和Re一定，放大器性能随VCC变化的特性，当VCC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，
波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波,如图4-9所示。
图4-9放大器性能随
变化特性
基极调制特性是指VCC、
和Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。
当
一定,VBB自负值向正值方向增大时,集电极电流脉冲不仅宽度增大,而且高度增加，放大器由欠压状态进入过压状态，如图4-10所示。
图4-10放大器性能随
变化特性
4.4技术指标测试
输出功率:
高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。
测量功率放大器主要技术指标的连接电路如图4-11所示，其中高频信号发生器提供激励信号电压与谐振频率，示波器监测波形失真，直流毫安表
测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载RL的端电压。
只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。
放大的输出功率可以由下式计算：
式中，VL为高频电压表V的测量值。
图4-11高频功放的测试电路
集电极效率：
高频功率放大器的总效率由晶体管集电极的效率和输出网络的传输效率决定。
通常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率。
利用图4-11所示电路，可以通过测量来计算功率放大器的效率，集电极回路谐振时，
的值由下式计算：
式中，VL为高频电压表V的测量值.
功率增益：
放大器的输出功率P0与输入功率Pi之比称为功率增益，用AP（单位：
dB）表示。
（
）。
4.5MULTISIM仿真
对丙类功率放大电路的工作原理和电路结构熟悉和了解后，再对电路通过MULTISIM软件进行分析，比如静态工作点分析，交流分析等等。
基本步骤为：
首先根据原理和设计需要创建仿真电路原理图（本毕设为丙类功率放大电路），然后根据实际情况设计好电路图参数，最后设定仿真分析方法，打开仿真开关，借助仿真仪器对所设计的电路进行仿真，即可得到仿真结果。
原理电路图建立如图4-12所示：
图4-12丙类功率放大电路
以丙类功率放大电路前级功放为例，对电路参数进行设置，以满足静态工作点的要求和功率放大等的要求，如图4-13所示：
图4-13丙类功放前级放大
静态工作点测量结果为：
，
，
。
虚拟示波器显示输入输出波形如图：
由此可计算出电压放大倍数。
4.6PCB制板
首先在Protel99SE中绘制电路原理图，绘制流程如下：
（1）设置电路图纸参数
用户根据电路图的复杂程度设置所用图纸的大小、方向等的参数，这实际是一个建立工作面的过程，用户只有设置好这个工作面，才能充分发挥出自己的创造力。
（2）装入和制定元件库
根据电路需要，将所需元件的元件库装入设计系统中，以便用户从中查找和选定所需的元器件，由于Ptotel99SE提供的元件库很多，查找元件很不方便，因此，用户可根据实际情况，制定自己的元件库。
（3）放置元件
根据电路需要，将元件从元件库中取出放置到工作平面上的位置进行调整，对元件的编号、封装形式等进行定义和设置，以便为下一步的工作做好准备。
（4）原理布线
用户利用Protel99SE提供的各种工具、命令进行布线，将工作平面上的元件用具用电器意义的导线、符号连接起来，形成一个完整的原理图。
（5）检查与调整
用户对所绘制的原理图作进一步的检查，找到存在的问题，然后利用Protel99SE提供的各种工具对原理图作进一步的修改和调整。
最后，对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，以增加可读性和可视性。
PCB设计的主要流程：
系统规格：
首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。
包含了系统功能，成本限制，大小，运作情形等等。
系统功能区块图：
将系统分割几个PCB将系统分割数个PCB的话，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统具有升级与交换零件的能力。
系统功能方块图就提供了我们分割的依据。
像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。
PCB设计注意事项：
（1）避免在PCB边缘安排重要的信号线，如时钟和复位信号等。
（2）机壳地线与信号线间隔至少为4毫米；保持机壳地线的长宽比小于5:
1以减少电感效应。
（3）已确定位置的器件和线用LOCK功能将其锁定，使之以后不被误动。
（4）导线的宽度最小不宜小于0.2mm（8mil），在高密度高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取12mil。
（5）在DIP封装的IC脚间走线，可应用10－10与12－12原则，即当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil，当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为64mil、线宽与线距都为12mil。
（6）当焊盘直径为1.5mm时，为了增加焊盘抗剥强度，可采用长不小于1.5mm，宽为1.5mm和长圆形焊盘。
（7）设计遇到焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样焊盘不容易起皮，走线与焊盘不易断开。
（8）大面积敷铜设计时敷铜上应有开窗口，加散热孔，并将开窗口设计成网状。
（9）尽可能缩短高频元器件之间的连线，减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。
易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
5研究方案及进度安排，预期达到的目标
2011.11-2012.3学生调研，完成文献综述，开题报告。
2012.3-2012.5购买元器件，完成电路板的制作。
2012.5-2012.6硬件系统调试，性能指标测试。
2012.6-2012.7过程材料整理与修改，毕业论文撰写与修改。
预期达到的目标：
在高频丙类功率放大电路的基础上，对其结构和性能参数进行重新修正，使实验效果更加理想；同时完成丙类功率放大电路PCB板的制作，撰写出毕业论文。
6为完成课题已具备和所需的条件与经费
已具备和掌握了通信电子线路的基本知识，熟悉了MULTISIM、PROTEL等软件的使用，但电路板设计所需的元器件尚未解决。
7主要参考文献
1王卫东.高频电子线路[M].电子工业出版社
2基于MULTISIM9的电子系统设计仿真与综合应用[M]
3高频电子线路试验指导书[M]
4顾宝良.通信电子线路[M]
5张宁,辛修芳.MULTISIM在高频实验电路中应用[J].商丘师范学院，2009
6孙霄霄.高频丙类功率放大电路的设计[J].牡丹江师范学院物理系，2007
7邹学玉.丙类谐振功率放大器动态线性法与应用探讨[D].汉江石油学院电子与信息工程系，2008
8史庆军.基于multisim2001的高频丙类功率放大器仿真研究[J].佳木斯大学信息电子技术学院，2007
9刘叶.浅谈功率放大电路的设计[D].陕西省理工学院，2005
10庄海军.基于软件仿真的高频功率放大器设计[J].淮安职业技术学院信息与通信工程系，2007
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