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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信0705 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目 五：高频谐振功率放大器设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计2、电源电压Vcc 12V，采用NXO100环形铁氧体磁芯，3、工作频率f06MHz 4、负载电阻RL 75时， 输出功率P0100Mw， 效率605、完成课程
2、设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。时间安排： 二十周一周，其中3天硬件设计，4天软、硬件调试及答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1 PROTEUS简介12 高频谐振功率放大器的设计32.1高频谐振功率放大器概述32.2高频谐振功率放大器的工作原理53 电路的仿真114 心得总结125 附件136 参考文献157 本科生课程设计成绩评定表161 PROTEUS简介Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件。Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布
3、图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果；功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统
4、。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，真的很不错。可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，.）其实proteus与multisim
5、比较类似，只不过它可以仿真MCU！当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是估计初学者有的可能性比较小吧？如果你在学51单片机，如果你想自己动手做做LCD，LED，AD/DA，直流马达，SPI，IIC，键盘，.的小实验的话，试一下吧，不会让你失望的！用51不管你是用汇编或是C编程当然要用keil啦，uvisoin3有不少新特性呢！使用keilc51v7.50+proteus6.7可以像使用仿真器一样调试程序，一般而言，微机实验中用万利仿真器+电工系自己做的实验板的实验都可以做得到吧！当然，硬件实践还是必不可少的！本方案只是在没有硬件
6、的情况下让你能像pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围电路。另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也不错的！ proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。(1)proteus的工作过程运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜
7、单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pickdevices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecodegenerationtools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/removesourcefiles命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。 (2)Proteus软件所提供的元件资源Proteus软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数
8、字和模拟、交流和直流等。 (3)Proteus软件所提供的仪表资源 对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。 (4)Proteus软件所提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情
9、况。对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行，用debug菜单下的pauseanimation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stopanimation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。2 高频谐振功率放大器的设计2.1高频谐振功率放大器概述高频电子线路中,放大器按电流导通角的不同,而工作于 A、B、C状态。A 类放大器电流的导通角为180,B 类放大器电流的导通角约90,C类放大器电流的导通角则小于90。A 类工作状态的效率为50 %,B 类工作状态的最大效率为78.5 %,而 C类工作状态
10、的效率随导通角设置的不同而不同,但在导通角的选择上,提高集电极效率与增大输出功率之间是存在矛盾的。在具体电子线路设计时,为了兼顾效率与功率,选择最佳导通角的问题上,本设计给出了最佳导通角的经验值取70左右,给出了最佳导通角的经验值取 6575,这是高频电子线路专著的说法。然而,在具体设计中最佳导通角设置在70左右时,放大器的工作是否处于最佳状态? 即使放大器已处于最佳状态,也只知其然,而不知其所以然,对不同的电路条件,又该怎样设置导通角呢? 本文提出了最佳导通角的理论定义,并通过严格的理论分析,给出了其求解方程及具体解,从而使对高频电子线路中谐振功率放大器的最佳导通角的认识从感性上升到理性,在
11、最佳导通角的选择上,首次实现了从依靠经验结论到依靠科学理论 结合实际结果的飞跃,为具体设计中控制导通角提供了理论依据。本课程设计是进一步理解谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状态的影响。掌握谐振功率放大器的调谐特性、放大特性和负载特性。高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称谐振功率放大器。宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线变压器或其他宽带匹配电路。目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输。特点：高频、大信号、非线性工作。要求：输出功率大（PE=PO+PC）、转换效率高
12、。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。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。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360o，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180o；丙类放大器电流的流
13、通角则小于180o。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。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的了类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减
14、小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电
15、台（5351605 kHz的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见
16、，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。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。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。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
17、伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。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，这种分析方法的物理概念清楚，分析
18、工作状态方便，但计算准确度较低。讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。2.2高频谐振功率放大器的工作原理2.2.1 基本电路组成组成：BJT、LC谐振回路、馈电电源。特点：1、NPN高频大功率晶体管，高fT；改变UBB可以改变放大器的工作类型；2、大信号激励：12V；3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，iB、iC均为一系列高频脉冲；4、谐振回路作负
19、载可以滤除高频脉冲电流iC中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。2.2.2 甲类功率放大器利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常见的宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大。但效率较低，一般只有20%左右。他通常作为发射极的中间级，以提供较大的激励功率。1、静态工作点晶体管VT1组成甲功率放大器，工作在线性放大状态。其中R1和R2为基极偏置电阻；R5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点。R4为交直流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列关系式确定： (2-1)
20、 (2-2) (2-3) (2-4)2、动态特性所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对象。，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。以第一级甲类功放为例，它与第二级甲类功放通过变压器进行耦合，因此其交流输出功率可表示为： (2-5)式中，为输出负载上的实际功率，为变压器的传输效率，一般为。为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻称为最佳匹配负载。集电极的输出功率的表达式为 (2-6)式中，为集电极输出的交流电压振幅，为交流电流的振幅，它们的表达式分别为 (2-7)式中，称为饱和压降，一
21、般为1V左右。 (2-8)如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，由式(2-5)、(2-6)可得 (2-9)式中，为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。3、功率增益与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图2-1所示电路，甲类功放不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大，功率增益的表达式为 (2-10)式中，为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅及输入电阻的关系为 (2-11)式中，可表示为 (2-12)式中，为晶体管共射极组态的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基区体电阻。为晶体管共射极组态的电流放大系数
22、，在高频情况下它是复数，可近似取值为晶体管直流电流放大系数。2.2.3丙类功率放大器利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为邪真功放。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。丙类功放通常作为发射极的末级，以获得较大的输出功率和较大的效率。丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在发射极直流负反馈电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放大器的输入信号为正弦波时，集电极电流为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压、电流。 1、直流电源提供的直流功率 (2-13)式中，为集电极电流的直流分量。电流
23、经傅立叶级数分解，可得峰值与分解系数的关系式 (2-14)故有 (2-15)分解系数与的关系如图2-4所示。功放管特性曲线折线化后的输入电压与集电极脉冲电流的波形关系， (2-16)式中，为晶体管导通电压(硅管约为0.6V，锗管约为0.2V)；为激励电压(输入电压)的振幅。为基极直流偏置电压，一般取00.2V。在自给偏置电路中，其值可由下式确定 (2-17)式中，为功放管发射极直流负反馈电阻，在图2-1所示电路中，。当大于晶体管的导通电压时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集电极脉冲电流与基极脉冲电流成线性关系，满足关系式 (2-18)2、集电极输出的基波功率 (2-19)式中，为集电极基波电
24、压的振幅，为集电极基波电流的振幅；为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有，三者间的关系为 (2-20)式中，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。 3、功率增益 (2-21)式中，为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅、基波输入电压振幅及输入电阻的关系为 (2-22)实验电流中，可表示为。 由公式(2-19)和(2-22)可得 (2-23) 4、放大器的效率 (2-24)式中，称为电压利用系数。功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取。5、偏置电路及耦合回路(1)偏置电路丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电
25、路。利用基极电流在基区体电阻上的降压作为偏置电压。其电路简单，但偏压小，且易随晶体管而变，不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。利用基极电流的直流分量在上的降压得到偏置电压，为高频旁路电容。其优点是偏置电压随输入信号的大小自动调节。利用发射极电流的直流分量在上建立偏压，为高频旁路电容。为了避免上产生交流负反馈，需设置时间常数。它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时，负偏压加大，似的相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以是放大器工作状态变化不大。缺点是由于上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率。因此不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作
26、时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。(2)耦合电路输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为：实现阻抗匹配，使负载电阻能与放大器的最佳负载匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式，为了减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。回路的谐振频率为或 (2-25)谐振阻抗与变压器线圈匝数比为 (2-26)
27、 (2-27)3 电路的仿真课程设计要求：电源电压Vcc= +12V，采用 NXO-100环形铁氧体磁芯工作频率fo = 6MHz；负载电阻RL = 75时，输出功率Po100Mw，效率60%；绘制好电路图后，我开始了的电路仿真。本次课程设计我用PROTEUS软件进行电路的仿真。在仿真之前，我先进行了电路图的检查，我们这个电路图在检查结果上显示了有十几个错误，并在图中全部自动圈出，在这之后点击工具栏中小三角按钮，开始电路的仿真，然后双击示波器，可以在示波器弹出的界面中看到有2条波形输出，显而易见，一条是输入波形，一条是输出波形。一开始，2条波形的差异比较大，并且输出波形的失真程度较大。然后我进
28、一步修改了电路的布局和参数，尽最大可能的将输出信号的失真程度降到最低。由于时间关系，我对PROTEUS软件的了解还不够，还有很多要学习改进的地方。希望在以后能够刻苦钻研，真正掌握关于PROTEUS的知识！4 心得总结5 附件电路原理图1 电路原理图 2仿真波形图6 参考文献1曾兴雯高频电子线路西安西安电子科技大学出版社19992陈先容电子技术实验基础北京：国防工业出版社，20043陈晓文电子线路课程设计北京：电子工业出版社，20044曾兴雯高频电路原理与分析西安西安电子科技大学出版社20025谢自美主编电子线路设计实验测试（第三版）武汉：华中科技大学出版社，20007 本科生课程设计成绩评定表姓 名 张润性 别 男专业、班级 电子信息工程 0705班课程设计题目： 高频谐振功率放大器设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
