丙类高频功率放大器课程设计报告书.docx
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丙类高频功率放大器课程设计报告书
高频电子线路课程设计报告
题目：
丙类功率放大器
院系：
专业：
电子信息科学与技术
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
报告成绩：
2013年12月20日
一、设计目的……………………………………………………………………1
二、设计思路……………………………………………………………………1
三、设计过程……………………………………………………………………2
3.1、系统方案论证
3.1.1丙类谐振功率放大器电路
3.2、模块电路设计
3.2.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路
3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路
3.2.3匹配网络
3.2.4VBB、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析
四、整体电路与系统调试及仿真结果…………………………………………11
4.1电路设计与分析
4.2.仿真与模拟
4.2.1Multisim简介
4.2.2基于Multisim电路仿真用例
五、主要元器件与设备…………………………………………………………14
5.1晶体管的选择
5.1.2判别三极管类型和三个电极的方法
5.2电容的选择
六、课程设计体会与建议………………………………………………………17
6.1、设计体会
6.2、设计建议
7、?
?
…………………………………………………………………………18
八、?
考文?
……………………………………………………………………19
一、?
?
目的
?
子技?
迅猛?
展。
由分立元件?
展到集成?
路，中小?
模集成?
路，大?
模集成?
路和超大?
模集成?
路。
基本放大器是?
成各种复?
放大?
路的基本?
元。
弱?
控制?
?
在?
多?
子?
?
中需要用到。
放大器在?
今和未?
社?
中的作用日益增加。
高?
功率放大器是?
送?
?
的重要?
成部分之一，通信?
路中，?
了?
?
信?
在?
?
?
?
?
程中的衰耗，要求?
射机具有?
大的?
出功率，而且，通信距离越?
，要求?
出功率越大。
所以，?
了?
得足?
大的高?
?
出功率，必?
采用高?
功率放大器。
高?
功率放大器是?
?
?
?
射?
?
的重要?
成部分。
丙?
?
振功率放大器在人?
生活中得到了?
泛的?
用，而且能高效率的?
?
源供?
的直流能量?
?
?
高?
交流?
出，研究它具有很高的社?
价值。
?
?
?
?
丙?
?
振功率放大器?
路并?
行仿真，以及?
丙?
?
振功率放大器?
展的展望。
二、?
?
思路
丙?
?
振功率放大器工作原理
?
2-2-1?
丙?
?
振功率放大器原理?
?
?
?
丙?
工作,基极偏置?
?
VBB?
?
置在功率的截止?
。
?
入回路
由于功率管?
于截止?
?
，基极偏置?
?
VBB作?
?
外?
?
，?
法克服?
?
?
?
，?
有?
到晶体管?
坎?
?
，?
而，?
致?
入?
流?
?
?
重失真，?
?
?
度小于90o。
由iC?
βiB知，iC也?
重失真，且?
?
小于90o。
?
出回路
若忽略晶体管的基?
?
度?
制效?
以及?
?
容影?
在?
?
?
移特性曲?
（iC～VBE）上?
出的集?
极?
流波形是一串周期重复的?
?
序列,?
?
?
度小于半?
周期。
?
2-2-1丙?
?
振功率放大器原理?
由Dirichlet收?
定理可知,可?
?
流?
?
序列iC分解成平均分量、基波分量和各次?
波分量之和,即
iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…
由于集?
极?
振回路?
制在?
入信?
?
率上因而它?
iC中的基波分量呈?
的阻抗很大，且?
?
?
阻。
而?
其他?
波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，?
?
，在?
?
上得到了所需的不失真的信?
功率。
三、?
?
?
程
3.1系?
方案?
?
3.1.1丙?
?
振功率放大器?
路
在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一?
，都是能量?
?
器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允?
范?
?
）地?
出所需信?
功率，?
高效率?
出信?
且不失真（或失真在允?
的范?
?
），通常采用丙?
?
振功率放大器。
本章主要介?
丙?
?
振功率放大器的?
路?
成和工作原理并?
各种?
?
?
行分析。
在丙?
?
振功率放大器中，管外?
路由直流?
?
?
路和自?
偏自?
路?
部分?
成。
如?
3-1-1所示?
集?
极直流?
?
?
路（串?
），?
中，LC?
高?
扼流圈,它与CC构成?
源?
波?
路,需要在信?
?
率上，LC的感抗很大，接近于?
路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信?
通?
直流?
源而?
生极?
反?
，造成工作不?
定。
由于自?
偏置效?
可以使?
入信?
振幅?
化?
起到自?
?
定?
出?
?
振幅,因此,在基极通常采用自?
偏置?
路,如?
3-1-2所示，提高的偏置?
?
是由基极?
流?
?
iB中的平均分量IBO在高?
扼流圈LB中固有直流?
阻上?
生的?
降，?
路中LB?
功率管基极?
路提供直流通路。
?
波匹配网?
介于晶体管和外接?
?
之?
充分?
除不需要的高次?
波,以保?
?
?
上的?
出基波功率。
?
3-1-1集?
极直流?
?
?
路（串?
）
?
3-1-2自?
偏置?
路
?
3-1-3?
丙?
?
振功率放大器的?
?
基本?
路,?
入端采用自?
偏置?
路,?
出端?
集?
极直流?
?
?
路（串?
）。
?
3-1-3丙?
?
振功率放大器的?
?
基本?
路
3.2模?
?
路?
?
3.2.1丙?
?
振功率放大器?
入端采用自?
偏置?
路
我?
知道,丙?
?
振功率放大器?
入端通常采用自?
偏置?
路提供偏置?
?
，采用?
种方式可以在?
入信?
振幅?
化?
起到自?
?
定?
出的作用。
但要注意,存在自?
偏置?
路的丙?
?
振功率放大器只能适宜等幅信?
（?
波、?
?
信?
）而不适宜放大?
幅信?
，否?
?
幅信?
包?
?
?
失真。
常用的基极偏置?
路?
?
3-2-1（?
出回路均以略去）所示。
?
3-2-1基极偏置?
路
?
分析基极偏置?
?
是怎?
?
生的,如?
3-2-1（b）所示，?
?
源V1?
?
?
在正半周期且?
?
振幅大于PN?
?
坎?
?
?
，基极?
通，此?
，?
流?
C2的?
流?
i1，一?
周期?
的其他?
?
?
于截止?
?
，此?
，?
流?
C1的?
流?
i2。
?
而易?
，基极?
通?
流?
C2的?
流i1大于截止?
的?
流i2，即i1＞i2。
C2?
端的?
?
?
系?
Ui1＞Ui2.由于基极相?
于地的?
?
波形?
正半周期幅度小于?
半周期幅度,由傅里?
?
?
可知，它的平均分量?
?
，使功率管?
射?
正偏，?
于截止?
?
。
3.2.2丙?
?
振功率放大器?
出端采用直流?
?
?
路
集?
极直流?
?
?
路有?
种?
接方式:
串?
和并?
。
所?
串?
是指,?
直流?
源、匹配网?
和放大管串接起?
的一种方式。
如?
3-2-2（a）所示,?
中LC?
高?
扼流圈,CC?
?
源?
波器,ZL?
?
抗。
要求LC?
信?
?
率的感抗很大,接近?
路,CC的容抗很小,接近短路,是?
了避免信?
?
流通?
直流?
源造成工作不?
定。
?
3-2-2（a）串?
?
路、?
3-2-2（b）并?
?
路
并?
?
路是把直流?
源、匹配网?
和放大器并接起?
的一种?
?
方式，如?
2-4-2（b）所示，?
中LC?
高?
扼流圈，CC1?
隔值?
容，CC2?
?
源?
波?
容，要求LC?
信?
?
率的感抗很大，接近?
路，CC1和CC2的?
容很小,接近短路。
3.2.3匹配网?
匹配网?
介于晶体管和?
?
之?
，在丙?
?
振功率放大器?
路中的作用非常重要，具有阻抗?
?
、?
除高次?
波和高?
率?
送能量的作用。
3.2.4VBB、Vcm、Vbm、VCC?
丙?
?
振功率放大器性能影?
分析
1?
?
特性
所?
?
振功率放大器的?
?
特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能?
Re?
化的特性。
利用准?
?
分析法?
?
?
特性?
行分析，?
出?
路的特性曲?
，如?
3-2-3所示。
由?
3-2-3看以看出,?
A′沿UBE0曲?
由右向左移?
（即A′→A〃→A，，，方向移?
）?
，?
路?
?
?
?
生?
化，曲?
?
?
陡，近似直?
斜率?
?
值?
大，?
而，Re?
小；曲?
?
?
?
，近似直?
斜率?
?
值?
小，因此，Re?
大.所以,在A′→A〃→A，，，移?
的?
程中Re由小增大，放大器?
由欠?
?
?
?
入?
?
?
?
，相?
的iC由余弦?
化?
?
?
?
中?
凹陷的?
?
波，用傅里?
?
?
?
?
流?
?
iC分解，即
iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…，
可?
出ICO和Ic1m?
Re?
化特性,如?
3-2-4所示。
由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC=PD-Po,ηC=Po/（PD+Po），可?
出Vcm、Po、PD、PC、ηC?
Re?
化曲?
如?
3-2-5所示。
?
3-2-3?
振功率放大器?
路特性曲?
?
3-2-4ICO和Ic1m?
Re?
化特性
?
3-2-5Vcm、Po、PD、PC、ηC?
Re?
化曲?
2?
制特性
集?
极?
制特性是指VBB、Vbm和Re一定，放大器性能?
VCC?
化的特性，?
VCC由大?
小?
，放大器性能由欠?
?
?
?
入?
?
?
?
，iC波形也?
由接近余弦?
化的?
?
波?
?
中?
凹陷的?
?
波，如?
3-2-6所示。
基极?
制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能?
VBB?
化的特性。
?
Vbm一定,VBB自?
值向正值方向增大?
集?
极?
流?
?
不?
?
度增大,而且高度增加，放大器由欠?
?
?
?
入?
?
?
?
，如?
3-2-7所示。
?
3-2-6放大器性能?
VCC?
化的特性
?
3-2-7放大器性能?
VBB?
化的特性
放大器?
Vbm?
化特性曲?
，与放大器性能?
VBB?
化的特性曲?
?
似，如?
3-2-8所示。
?
3-2-8放大器性能?
Vbm?
化的特性
?
振功率放大器?
?
?
?
下集?
极?
流凹陷分析。
?
?
振功率放大器?
于?
?
?
?
?
，晶体管集?
极的周期性?
?
?
流的?
部?
凹陷，晶体管?
入?
和?
?
，各物理量之?
有?
复?
的非?
性?
系，在此用微?
量之?
的?
性?
系?
行分析。
根据晶体管特性,管子的集?
极?
流的微?
量可表示?
ΔiC=h1?
ΔiB+h2?
ΔVCE?
在放大?
?
，iC主要由iB控制，此?
，h1﹥h2，在?
和?
?
iC主要由反向?
和?
流iCEO?
定，而iCEO大小取?
于UCE?
?
，因此，此?
h2﹥h1。
?
?
入信?
?
正弦波uBE=VBB+VbmsinωSt
?
?
取微?
量，有ΔuBE=ΔVbmsinωSt
?
?
同除晶体管?
?
?
入?
阻rbe,有ΔiB=1／rbeΔVbmsinωSt?
?
出?
?
?
uCE=VCC-VcmsinωSt
?
?
取微?
量，有ΔuCE=-ΔVcmsinωSt?
?
?
?
?
入?
，得ΔiC=（h1Vbm/rbe-h2Vcm）ΔsinωSt?
因此，?
式中,
在放大?
?
h1﹥h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm﹥0,ΔiC与ΔiB同?
。
在?
和?
?
ΔiC与ΔiB反?
。
由此可知，集?
极?
流波形?
存在?
部凹陷。
四、整体?
路与系?
?
?
及仿真?
果
4.1?
路?
?
与分析
?
光二极管?
色与?
?
：
?
色通常?
1.8V～2.0V,?
色通常?
2V～2.2V，?
色通常?
3.0V～3.2V,正常?
光?
?
定?
流?
20mA。
如?
4-2-1所示,?
所?
?
丙?
?
振功率放大器?
路。
?
入端采用自?
偏置?
路提供偏置?
?
，它提供的偏置?
?
是基极?
流?
?
iB中的平均分量IBO在?
阻RB上?
生的?
降，LB是用?
避免RB，CB?
?
入?
波匹配网?
的旁路影?
。
C1，C2，C3和L1构成T型?
波匹配网?
。
?
出端，RD1和D1构成构成丙?
?
振功率放大器限制功率保?
?
路，?
?
?
?
的升高，功率管基极—放射极?
?
VCE超?
?
?
二极管D1的?
穿?
?
?
（耗散功率限制保?
?
路中，?
?
二极管的反向?
穿?
?
?
小于晶体管的集?
极耐?
?
定值），?
?
二极管D1?
穿，?
而限制了晶体管的耗散功率，防止了晶体管?
生二次?
穿而?
致晶体管?
坏。
D2和RD2是?
了防止?
意中接入大于晶体管?
穿?
?
的?
?
造成?
路?
坏而接入的保?
?
路（?
?
二极管的反向?
穿?
?
?
小于晶体管的集?
极耐?
?
定值），?
接入VCC?
?
大于?
?
二极管反向?
穿?
?
?
，?
?
二极管D2?
通，放光二极管亮提醒工作人?
，整?
?
路停止工作。
直流?
源VCC,功率管T和?
波匹配网?
在?
路形式上并接成并?
?
?
方式，可?
整可?
?
容器C3和C4使其?
整在?
入信?
?
率上，?
期?
出不失真的信?
功率，也可同?
与?
出?
阻构成匹配网?
提高?
出功率。
?
4-1-1
4.2.仿真与模?
?
?
4-1-1?
路用Multisim?
行仿真。
4.2.1Multisim?
介
Multisim是美?
?
家?
器（NI）有限公司推出的以Windows?
基?
的仿真工具，适用于板?
的模?
/?
字?
路板的?
?
工作。
它包含了?
路原理?
的?
形?
入、?
路硬件描述?
言?
入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程?
?
可以使用Multisim交互式地搭建?
路原理?
，并?
?
路?
行仿真。
Multisim提?
了SPICE仿真的复?
?
容，?
?
工程?
?
需懂得深入的SPICE技?
就可以很快地?
行捕?
、仿真和分析新的?
?
，?
也使其更适合?
子?
教育。
通?
Multisim和虚拟仪器技术，PCB?
?
工程?
和?
子?
教育工作者可以完成?
理?
到原理?
捕?
与仿真再到原型设计和?
?
?
?
一?
完整的?
合?
?
流程。
4.2.2基于Multisim?
路仿真用例
打?
Multisim12，在?
路?
?
窗口?
用所需元件并按?
4-1-1?
行?
?
并?
?
?
?
。
如?
4-2-1所示。
打?
示波器，接通?
源?
行仿真，仿真波形如?
4-2-2所示，（?
4-2-2仿真波形?
反复?
?
?
?
后?
?
意波形）。
?
4-2-1
?
4-2-2
五、元件与?
?
5.1晶体管的?
?
任何?
子?
路都以?
子元件?
基?
，常用的元件由?
阻器、?
容器、?
感器、半?
体器件（二极管、晶体管、?
效?
管以及集成?
路）。
半?
体二极管和三极管是?
成分立元件?
子?
路的核心元件。
二极管具有?
向?
?
性,可用于整流?
波、?
?
混?
等?
路。
晶体管具有放大和?
?
作用,可用于放大、震?
、?
制等?
路。
表5-1-1是半?
体器件型?
的命名方法,可用此表?
?
型?
?
?
半?
体器件。
表5-1-1半?
体器件型?
的命名方法
?
极?
材料与极性
?
型
性能序?
?
格?
符?
含?
符?
含?
符?
含?
含?
含?
2
3
二极管
三极管
A
B
C
D
A
B
C
D
E
N型?
材料
P型?
材料
N型硅材料
P型硅材料
PNP型?
材料
NPN型?
材料
PNP型硅材料
NPN型硅材料
化合物材料
P
V
W
C
Z
S
N
U
K
X
G
D
A
普通管
微波管
?
?
二极管
?
量管
整流管
β隧道管
阻尼管
光?
管
?
?
管
低?
小功率管
高?
小功率管
低?
大功率管
高?
大功率管
反映了管子的直流、交流?
?
，极限?
?
等性能的差?
。
反映了管子承受反向?
穿?
?
的能力,按A、B、C、D…?
?
，A的承受能力最低，依次?
增。
晶体管分NPN型和PNP型?
大?
。
通?
外?
上所?
注的?
格和型?
可以?
分出管子的?
型、材料、功能大小、?
率高?
等性能。
此外,管?
上一般?
用色?
的?
色?
表示管子的?
流放大倍?
β的大致范?
。
如?
色表示β=30～60，?
色表示β=50～110，?
色表示β=90～160，白色表示β=140～200。
5.1.2判?
三极管?
型和三?
?
极的方法
要弄清管子?
型与三?
?
极。
?
万用表至于?
阻“R×1K”?
，用黑表?
接晶体管的某一?
（假?
其?
基极），用?
表?
分?
接另?
?
?
。
若?
次?
示阻值都很小,?
表示?
管是NPN管,且黑表?
所接管?
?
基极;若?
次?
示的阻值都很大，?
表示是PNP管，且黑表?
所接管?
?
基极；若?
次?
示阻值一大一小，?
表示黑表?
所接管?
不是基极，按上述方法?
量，直到找到?
止。
若三?
管?
?
?
下?
都不能确定基极。
?
晶体管可能以?
坏。
确定管子的?
型和基极后,可?
一步判?
?
射极和集?
极。
用万用表置于?
阻“R×1K”?
，?
表?
分?
接除基极外的?
?
?
极。
?
于NPN管,用手指捏住基极与黑表?
所接管?
，可?
得一阻值。
然后?
?
表?
?
?
同?
用手指捏住基极与黑表?
所接管?
，又?
得一阻值。
所得阻值小的那次?
量,黑表?
所接管?
所接的是集?
极,而?
表?
所接的是?
射极。
?
于PNP管,?
用手指捏住基极与?
表?
所接管?
所得阻值小的那次?
量,?
表?
所接的管?
?
集?
极,而黑表?
所接的管?
?
?
射极。
5.2?
容的?
?
射?
?
容的?
?
指?
是高Q和低ESR。
在功率放大器匹配?
路的?
用上,射?
功率的消耗与Q值成反比,直接与ESR值成正比。
高Q?
容是保?
功率放大器增益和?
出功率指?
的?
?
因素。
另外,?
容器不是理想的?
容，其模型都是由串?
的?
感、?
阻和?
容?
成，如?
5-2-1所示，因此，高Q?
容在不同?
率下所呈?
的等效?
容值也不一?
。
?
5-2-1不理想?
容器
射?
高Q最大的生?
厂家?
?
ATC（目前已被AVX收?
），常用的ATC隔直流?
容?
?
?
表5-2-1所示。
表5-2-1常用ATC隔值流?
容?
?
封?
?
容值（PF）
?
用?
率（MHz）
ESR（Ω）
Q
?
振?
率
等效?
容
串?
?
感值（nH）
600S
47
2017.5
0.111
15.2
2082.8
761.13
0.12
600S
51
1900
0.106
15.4
1984.9
608.94
0.13
600S
36
2350
0.123
15.3
2437.3
511.85
0.12
600F
39
2017.5
0.115
17.5
2072.5
744.59
0.15
600F
47
1900
0.114
15.6
1918
2514.42
0.15
600F
27
2350
0.123
20.4
2414.4
513.2
0.16
100B
10
2017.5
0.163
48.4
2029.3
862.16
0.62
100B
11
1900
0.153
49.8
1939.8
270.63
0.61
100B
6.8
2350
0.202
49.4
2435.5
98.59
0.63
六、?
程?
?
体?
与建?
6.1.1?
程?
?
体?
通?
?
丙?
功率放大器的?
程?
?
，充分掌握了功率放大器的工作原理，与原件的工作特性，掌握了在?
路?
?
?
程中元件的?
?
与?
?
的?
算，熟悉了仿真?
件的?
用与模?
?
路在整体?
路中的作用。
此次?
程?
?
?
?
?
?
?
工作中要?
行?
立解?
?
?
的能力得到了?
?
，?
性能?
?
?
?
成?
?
?
算?
?
，再?
?
算?
?
回?
?
?
?
?
?
，最?
得以解?
?
?
?
?
的方法。
6.1.2?
程?
?
建?
在本次?
程?
?
中，暴露了?
生?
理?
知?
与?
?
?
?
?
法相?
合的?
?
，?
法快速的?
?
?
?
?
建模，并得以解?
，今后?
加?
?
?
?
生的?
?
?
?
?
建立?
?
模型并最后解?
?
?
?
?
的能力。
七、?
?
?
子技?
迅猛?
展。
由分立元件?
展到集成?
路，中小?
模集成?
路，大?
模集成?
路和超大?
模集成?
路。
基本放大器是?
成各种复?
放大?
路的基本?
元。
弱?
控制?
?
在?
多?
子?
?
中需要用到。
放大器在?
今和未?
社?
中的作用日益增加。
高?
功率放大器是?
送?
?
的重要?
成部分之一，通信?
路中，?
了?
?
信?
在?
?
?
?
?
程中的衰耗，要求?
射机具有?
大的?
出功率，而且，通信距离越?
，要求?
出功率越大。
所以，?
了?
得足?
大的高?
?
出功率，必?
采用高?
功率放大器。
高?
功率放大器是?
?
?
?
射?
?
的重要?
成部分。
丙?
?
振功率功率放大器由于安全、高效和?
路?
构?
?
的优?
在人?
生活中得到了?
泛的?
用，而且能高效率的?
?
源供?
的直流能量?
?
?
高?
交流?
出，研究它具有很高的社?
价值。
在未?
的生活中，?
振功率放大器，?
出?
在各?
?
域，充?
更重要的角色。
尤其通信?
路中更是不可缺少。
丙?
?
振功率放大器是?
子?
路的重要?
元，其性能和?
定性直接影?
整?
?
路，甚至使昂?
的元件?
坏。
在?
?
丙?
?
振功率放大器?
，充分考?
功率管的极限?
?
，?
置适?
的保?
?
路和散?
?
置，各元件?
?
?
?
反复仿真和?
?
确定。
?
?
文?
介?
、分析丙?
?
振功率放大器核心部件—晶体管，到基本放大?
路，再到丙?
?
振功率放大器基本?
路和工作原理，最后?
出?
?
用例并?
行仿真。
由局部到整体，由理?
到?
?
的?
?
理念。
在未?
生活中，?
丙?
?
振功率放大器的要求?
越?
越高，人?
?
?
?
出更?
高?
量的器件?
适?
社?
需要。
?
考文?
[1]?
泉通信?
子?
路〔M〕武?
;武?
理工大?
出版社,2005.
[2]?
自美?
子?
路?
?
?
?
?
?
〔M〕武?
:
?
中科技大?
出版社,2006.
[3]?
淑范?
子技?
?
?
与?
程?
?
〔M〕北京:
清?
大?
出版社,2006.
[4]?
嘉奎?
子?
路（非?
性部分）〔M〕北京:
高等教育出版社,2000.
[5]?
新喜Multisim12?
路仿真及?
用〔M〕北京:
机械工?
出版社,2010.
[6]?
翠娥高?
?
子?
路?
?
与?
程?
?
〔M〕哈?
?
:
哈?
?
工程大?
出版社,2005.
[7]?
拴科模?
?
子技?
基?
〔M〕北京:
高等教育出版社,2003.
[8]臧春?
?
子?
路?
?
与?
用〔M〕北京:
高等教育出版社,2004.
[9]北京工?
?
院半?
体?
路基?
（上?
第一分?
）〔M〕北京:
科?
出版社,1978.
[10]王忠勇射?
?
路?
?
〔M〕北京:
人民?
?
出版社,2009.
[11]胡宴如高?
?
子?
路[M]北京：
高等教育出版社，2009.
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