高频谐振功率放大器讲课讲稿
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高频谐振功率放大器 精品文档 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 课程名称:高频电子线路
设计课题: 高频谐振功率放大器 系 别: 机电工程学院 专业班级: 电子信息工程 学生姓名: 指导教师: 设计时间: 2009/12/7 — 2009/12/12
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收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 高频谐振功率放大器 设计者: 指导教师:
摘要:本电路主要由谐振回路、耦合回路、基极偏置电路三部分组成。本电路主要应用于发射机的末级功率放大,突出特点为有较高的输出功率和效率。 关键词:高频;甲类功放;丙类功放;谐振 引言:利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器,这是无线电发射机中的重要单元电路。根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管电流导通角θ的范围,可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角越小,放大器的效率越高。丙类放大器的导通角θ<90%,效率η可达到80%,高频功率放大器一般选择在丙类工作状态。本设计采用甲类功放输出的最大不失真信号作为激励源,丙类功放作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。 1 设计任务与要求 设计一个高频谐振功率放大器。 技术要求:输出功率P0=3W ,工作中心频率f0≈6.5MHz ,效率η>50 % ,负
载RL=50Ω,电源电压VCC=9V,2△f0.7=3.25MHz 2 方案设计与论证
利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小,放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180°,效率精品文档 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 最高也只能达到50%,而丙类功放的θ<90%,效率η可达到80%。甲类放大器电流的流通角为180°,适用于小信号低功率放大。乙类放大器导通角等于180°;丙类放大器导通角则小于180°。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,因而不能用于低频功率放大,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。综上考虑本设计采用甲类功率放大器作为激励级,丙类功率放大器作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。基本电路如图1所示。
图1 高频功率放大器基本电路 本设计要求输入6.5MHz信号经功率放大器放大输出一个信号, 再经过阻抗变换网络产生高频输出交流电压,其基本框图如下所示。
+9V 精品文档 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 图2 高频功放原理框图 3 单元电路设计与参数计算 3.1 确定功率放大器最佳负载R0
(图3)
设晶体管饱和电压降为1 V , VCC= 9 V R0=(VCC- VCE(SAT))²/2P0
=(9-1)²/(2×3)Ω=10.7Ω
3.2 静态工作点 VEQ= CCCEVV=(9-1)V=8V 图3 Q2集电极调谐回路 ICQIEQ=VEQ/Re=8/1.6A=5A VCQ= VEQ+VCE=(8+1)V=9V 3.3 晶体管Q2的选择
集电极基波电流振幅 Icm1=VCM/ R0
= [VCC- VCE(SAT) ]/R0=(9-1)/10.7A=0.74A
为了获得较高的效率及最大的输出功率 选取θc= 70°: a0(70°)=0.253 a1(70°)=0.436, 集电极电流脉冲的最大值 ICM=Icm1/ a1(70°)=0.74/0.436A=1.75A 直流分量 Ic0=ICM×a0(70°)=1.75×0.253A=0.43A
输出 功率 放大器 谐振电路 匹配网络 6.5MHZ
CR0L 精品文档
收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 电源供给的直流功率 P== VCCIc0=9×0.43W=3.9W 集电极的耗散功率 PC=P=- P0=(3.9-3)W=0.9W 放大器的转换效率 ŋ= P0/P==3/3.9=77% 最大管耗 PCM≥0.2P0 集电极与发射极击穿电压 URCEO≥2 VCC 即 URCEO≥18V 晶体管C1970的主要参数: 特征频率f=175MHZ 额定输出功率P0=5W 集电极与发射极击穿电压URCEO=40V 集电极额定电流Ic0=600mA 所以选用晶体管C1970. 3.4 谐振回路及耦合回路的参数:
并联到LC回路上的总损耗电导为1PG=1/(QLW0L), QL=00.7f2f=666.5103.2510=2
go1=1/RO,gi2=1/RL 初级抽头比为P1= N2/N4=1p
12o
G
g ①
初次级匝数比P2= N3/N4=1p
i22Gg ②
由①、②得 N3/N2= LORR =0.3 取N3=2,N2=6 若取集电极并联谐振回路的电容C=60pF, 回路电容C=CC3+C3
(CC3=2~5pF, C3=57pF)得回路电感为 L=1/[(2πf0)²C]=1/[(2π×6.5×610)²×60×1210]µH=10µH 精品文档 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 得出N4= 02LL
QWL
R N3
N4 ≈11
Ap= P0/ Pi Ap随Pi变化而变化(Pi为输入功率)。 4 总原理图及元器件清单 总原理图如图4所示。由图可知,Q2中由LC单回路构成集电极负载,它调谐与放大器的中心频率。LC回路与本级集电极电路的连接采用自耦变压器形式(抽头电路),与下级负载的连接采用变压器耦合。采用这种自耦变压器-变压器耦合形式,可以减弱本级输出导纳与下级晶体管输入导纳对LC回路的影响,同时适当选择初级线圈抽头位置与初次级线圈的匝数比,可以使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配,以获得最大的功率增益。为了避免寄生耦合,对集电极电源进行滤波。 丙类功放所需元器件清单如下表所示: 元件清单表 元件序号 型号 主要参数 数量 备注 Re 1.6KΩ 1 0.15元 RL 50Ω 1 0.15元
Q2 C1970 f(MHZ) 175 P0(W) 5 URCEO(V) 40 Ic0(mA) 600 1 单价:0.2元 厂家:MTT 封装形式:TO-202
C1 0.01µF 1 0.09元 C2 2~5pF 1 0.12元 C3 57pF 1 0.15元 C4 0.01µF 1 0.09元 C5 0.01µF 1 0.09元 ZL1 47µH 1 0.19元 L1 2.2µH 1 0.11元 Ce 0.01µF 1 0.09元 总计:1.44元 精品文档 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 RB2RB1Re2RLReRe1C1C2
Ce1
C3CeC4CC3
ZL1
L1UiT1Q1
Q2T2C5VCCUi' 图4 高频功率放大器电路原理图 精品文档
收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 5 末级丙类放大器的仿真 5、1构造实验电路(直接用信号源代替甲类激励模拟) 利用EWB软件绘制如图5所示的高频谐振功率放大器实验电路。
图5 高频谐振功率放大仿真电路 图中,各元件的名称及标称值如下表所示。 序号 元件名称及标号 标称值 1 信号源Ui 270mV/2MHz 2 负载RL 10kΩ 3 基极直流偏置电压VBB 0.2V
4 集电极直流偏置电压VCC 9V 5 谐振回路电容C 13pF 6 基极旁路电容Cb 0.1uF 7 集电极旁路电容Cc 0.1uF
8 高频变压器T1 N=1;LE=1e-05H;LM=0.0005H;RP=RS=0 9 晶体管Q1 C1970 精品文档 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 5、2 动态性能测试 (1)输入输出电压波形 当接上信号源Ui时,开启仿真器实验电源开关,双击示波器,调整适当的时基及A、B通道的灵敏度,即可看到如图6所示的输入、输出波形。
图6 高频谐振功率放大器输入、输出波形图 (2)调整工作状态 1分别调整负载阻值为5 kΩ、100 kΩ,可观测出输入输出信号波形的差异。 2分别调整信号源输出信号频率为1MHz、6.5MHz,可观测出谐振回路对不同频率信号的响应情况。 3分别调整信号源输出信号幅度为100mV、400mV,可观测出高频功率放大器对不同幅值信号的响应情况。
图7 高频谐振功率放大器工作于欠压状态输入、输出波形图