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  • 采用双栅极场效应晶体管的宽频带高频信号放大器高频信号经两级变压器耦合后滤除低频信号,然后送到场效应晶体管的Gi,02为增益控制端。
  • 1、 掌握高频功率放大器电路组成与基本工作原理。 2、 熟悉谐振回路的调谐方法及测试方法。 3、 掌握高频功率放大器各项主要技术指标意义及测试技能。
  • 本文介绍了一种采用互补对称输出的高频阻抗匹配放大器,可用于高频信号输出放大器
  • 高频小信号放大器的Multisim仿真 基于Multisim 模拟电路
  • 高频功率放大器工作在临界状态 一、欠压工作状态 在3-8(b)中,OA是临界饱和线,其右边区域是欠压区,所对应的工作状态称为欠压工作状态,其集电极电流脉冲如3-8(a)的曲线1所示,是尖顶余弦脉冲;输出信号在...
  • 本文给大家分享了一个收音机高频放大电路
  • 本文给大家分享了一个高频阻抗匹配放大器电路
  • 高频功率放大器的设计实现

    千次阅读 2021-01-06 15:12:12
    摘 要 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。高频功率放大器是位于无线发射级末端的重要部件,为了弥补...本课程设计的高频功率放大器电路由两极功率放大器

    摘 要
    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。高频功率放大器是位于无线发射级末端的重要部件,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功率的输出,通信距离越远,要求的输出功率越大。在高频范围内,为了获得足够大的高频输出功率,就要采用高频功率放大器。
    本次课程设计的高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率、功率增益、由于高频频功率放大器的输出功率比较大,耗能比较多,所以工作效率就显得比较重要。本课程设计的高频功率放大器电路由两极功率放大器组成,第一级为甲类功率放大器,第二级为丙类谐振功率放大器,需要对功率放大器的原理进行分析,计算电路的参数以及指标,在性能指标的基础上进行单元电路设计以及整体电路的设计,通过软件对电路进行仿真与调试,最后进行焊接与测量。

    关键字: 功率放大 、仿真、焊接

    在这里插入图片描述

    1.1、两级高频功率放大器的组成框图

    图1-1-1:两级高频功率放大器的组成框图
    两级高频功率放大器的电路组成框图如上图所示,主要包括第一级的甲类功率放大电路和第二级的丙类功率放大电路。主要技术指标如下:
    1、工作频率
    两级功率放大器的工作频率均为14.5MHz。
    2、电源电压
    两级放大器电源电压可自选。第一级为12V,第二级电源电压可选5V至12V间任意整数。
    3、电压放大倍数
    第一级甲类功率放大器的电压放大倍数仿真时应设置为6-10倍,第二级丙类功率放大器的输出电压峰峰值应与第二级晶体管的集电极所接直流电压Vcc相近。
    4、丙类放大器导通角θc
    丙类放大器的导通角θc一般应设计为70°。此时的集电极电压利用系数和波形系数的取值较为合适,效率和输出功率都比较高。
    5、效率
    丙类放大电路的理想效率应大于70%,实际工作中应大于50%。

    1、原理分析
    甲类功率放大器,是指当输入信号较小时,在整个信号周期中,晶体管都工作于它的放大区,电流的导通角为180度,适用于小信号低频功率放大,且静态工作点在负载线的中点,不论信号电平如何变化,它从电源取出的电流总是恒室不变的,它是低效率的,用作声频放大时由于信号幅度不断变化,其实际效率不可能超过25%,可由单管或推挽工作。
    甲类放大器的优点是无交越失真和开关失真,而且谐波分量中主要是偶次谐波。电路简单、频带宽、瞬间失真小。任何设计下的甲类功放电路中,电流负反馈都能完美兼容非线性失真和瞬间互调失真,有着理想的放大效果。
    由于一直因为耗电多,效率低,容易发热和对散热要求高而未能在大功率的放大器中得到广泛使用。由于器件长期工作于大电流高温下,容易引起可靠和寿命方面的问题,而且整机成本高。
    甲类功放输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态,也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流,并使这两个电流等于交流电的峰值,这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时,两个晶体管各流通等量的电流,因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压。A类功放的工作方式具有最佳的线性,每个输出晶体管均放大讯号全波,完全不存在交越失真,即使不施用负反馈,它的开环路失真仍十分低。但这种设计有利有弊,A类功放放最大的缺点是效率低,因为无讯号时仍有满电流流入,电能全部转为高热量。当讯号电平增加时,有些功率可进入负载,但许多仍转变为热量。
    2、电路设计
    由于谐振频率F0=14.5MHz,根据
    得出 在这里插入图片描述
    选取谐振回路中C=120pF,L=1uH。根据电路原理,电容C1起通交隔直作用,故其值越小越好,电容C3为旁路电容,电阻RB1、RB2、RE对静态工作点设置有影响,故可将RE用可变电阻来替代,这样方便调节。
    甲级功率放大器电路图如下图所示。
    在这里插入图片描述
    图1-2-1:甲类高频功率放大器电路设计原理图在这里插入图片描述
    图1-2-2:甲类高频功率放大器仿真图在这里插入图片描述
    图1-2-3:甲类高频功率放大器仿真结果图
    由图可知在输入为1v,第一级晶体管发射极电阻4.5K欧姆的情况下,输出电压8.8V,电压被放大4.4倍左右 。根据三极管放大特性,集电极输出:在这里插入图片描述
    知电路中电流被放大,故电路达到功率放大作用。
    1.3、丙类功率放大器的原理分析(要求画出设计电路图)
    1、整体原理
    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。图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。在这里插入图片描述
    图1-3-1:丙类功率放大器电路原理图
    本设计的丙类高频功率放大器主要由馈电电路、选频网络、匹配网络三部分组成、如:图1-3-2谐振高频功率放大器原理图所示。它是无线发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角的范围丙类功放的导通角,效率可达到。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。在这里插入图片描述
    图1-3-2;谐振高频功率放大器原理图
    功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制,起到把集电极电源直流
    功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下,转换的功率越高,输出的交流功率越大。功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中,为兼顾高的输出效率和高效率,通常。
    2、馈电电路、
    串馈电路指直流电源、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。、为低通滤波电路,A点为高频地电位,既阻止电源中的高频成分影响放大器的工作,又避免高频信号流入直流电源。并馈电路指直流电源、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路如图5 为高频扼流圈,为高频旁路电容,避免高频信号流入直流电源,为高频输出耦合电容。
    基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极偏置常采用自给偏置电路----串馈;由负电源-U分压供给基极偏置电压------串馈;零偏压----串馈在这里插入图片描述
    图1-3-3;基极馈电电路原理图
    3、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。在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    4、仿真电路在这里插入图片描述
    图1-3-8:丙类功率放大器仿真图
    5、仿真波形图与仿真分析(示波器上边为输入波形,下边为输出波形)在这里插入图片描述
    图1-3-9:丙类功率放大器仿真波形图
    由上图可见,输出波形的标度是输入波形标度的4倍,根据图形可以看出输入与输出的振幅相差不多,由此可见,输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。

    第二部分高频功率放大器的焊接与测试
    2.1、甲类功率放大电路的焊接和测试
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    图2-1-1:甲类焊接在这里插入图片描述
    图2-1-2:信号输入在这里插入图片描述
    图2-1-3:甲类放大输出
    由上图可见输入130mV输出768mV,输出波形的标度是输入波形标度的5.56倍,根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多,由此可见,输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。
    2.2、丙类功率放大电路的焊接和测试在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    图2-2-1:丙类焊接
    丙类输入:
    在这里插入图片描述

    图2-2-2:丙类输入
    丙类输出:在这里插入图片描述
    图2-2-3:丙类输出
    由上图可见输入500mV输出1.3V,输出波形的标度是输入波形标度的3倍,根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多,输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。
    2.3、整体功率放大电路的测试
    在这里插入图片描述

    图2-3-1:整体焊接
    整体输入:
    在这里插入图片描述

    图2-3-2:两级输入
    整体输出:在这里插入图片描述
    上图可见输出的波形发生较明显失真,当将丙类放大的电压变为12V时,有如下波形。 在这里插入图片描述
    由上图可见输入电压为12V时输出波形失真变小,但还是存在失真问题,调整静态工作点后,有输出入下:在这里插入图片描述
    图2-3-5:两级输出3
    由上图可见输入400mV输出1.25V,输出波形的标度是输入波形标度的3.125倍,根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多,输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。

    第三部分 高频功率放大器的仿真与分析
    3.1、仿真注意事项
    功率放大器是高频电子线路课程设计的重要组成环节。设计要求应用multisim仿真软件对两级功率放大电路进行仿真、分析与验证,使学生加深对实际电路的理解。仿真时要注意以下事项:
    (1)仿真电路要最大程度的模拟实际电路;
    (2)仿真参数的设置一定要与实际电路相吻合;
    (3)仿真分析要给出分析条件以及具体结论。
    3.2、各单元电路的仿真与分析
    3.2.1甲类功率放大电路的仿真与分析
    1、仿真电路
    在这里插入图片描述
    图3-2-1-1:甲类高频功率放大器仿真图
    2、仿真参数设置
    ①与基极连接的电阻为两个10Ω的电阻,与发射极连接的电阻大小为51Ω,与发射极连接的滑动变阻器大小为10kΩ。
    ②与基极连接的电容为一个47nF的电容,与集电极相连为一个120pF的电容与发射极相连的电容为10nF。
    ③与集电极连接的电感为一个1μH的电感
    ④发射极的1μH的电感和120pF的电容组成选频网络。
    ⑤VCC设置为12V。

    3、仿真波形图与仿真分析
    (1)甲类功率放大电路的输入与输出波形时域图
    在这里插入图片描述
    图3-2-1-2:甲类高频功率放大器仿真结果图
    (2)仿真分析
    由上图可见,输出波形的标度是输入波形标度的8倍,根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多,由此可见,输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。
    改变基极输入正弦信号的频率 ,当取f=1/(2π/RC)≈14.5MHz(L1、C3回路谐振频率)时,集电极获得最大的电压增益,这时再改变滑动变阻器R2的大小可获得更大的电压增益。测试可得,R1、R4取10kΩ、R2取4.5KΩ时获得最大电压增益,可见输入幅值为VPP=2V左右的正弦波,甲类功率放大器输出值为VPP=8V左右的正弦波,放大倍数约为4倍。
    3.2.2丙类功率放大器的仿真与分析
    1、仿真电路在这里插入图片描述
    图3-2-2-1:丙类高频功率放大器仿真图

    2、仿真参数设置
    ①与基极连接的电阻为51Ω,与发射极连接的电阻为51Ω,与发射极连接的滑动变阻器为1kΩ。
    ②与基极连接的电容为两个10nF的电容,与集电极相连为两个10nF的电容和一个60nF的电容。
    ③与基极连接的电感为100μH,与集电极连接的电感为一个2μH的电感和一个470μH的电容。
    ④发射极的2μH的电感和60pF的电容组成选频网络。
    ⑤VCC设置为5V。

    3、仿真波形图与仿真分析
    (1)丙类功率放大电路的输入与输出波形时域图在这里插入图片描述
    图3-2-2-2:丙类高频功率放大器仿真结果图
    (2)仿真分析
    输入VPP=2V输出VPP=9.907V放大4.55倍
    由上图可见,输出波形的标度是输入波形标度的4倍,根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多,由此可见,输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。
    改变基极输入正弦信号的频率 ,当取f=1/(2π/RC)≈14.5MHz(L2、C3回路谐振频率)时,再改变滑动变阻器R1的大小可获得更大的电压增益。测试可得,当射极取R1=0kΩ、R3取51Ω时获得最大电压增益,可见输入幅值为VPP=2V左右的正弦波,丙类功率放大器输出值为VPP=9.907V,放大4.55倍左右的正弦波
    3.2.3、两级高频功率放大器的级联仿真
    1、级联仿真电路在这里插入图片描述
    图3-2-3-1:两级高频功率放大器仿真结果图
    2、仿真波形图与仿真分析在这里插入图片描述
    图3-2-3-2:级联高频功率放大器仿真图
    上图中,左为甲类输出(下)、输入波形图,中间为丙类输出(下)、输入波形图、右为两级类输出(下)、输入波形图 。均有放大且不失真,波形

    3、功率及效率计算
    (1)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。由于负载RL与丙类功率放大器的谐振回路之间实现了阻抗匹配,则集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率,所以将集电极的输出功率视为高频放大器的输出功率,即:在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    第四部分 课程设计体会及建议
    4.1、体会
    1、设计
    在高频课上,老师只是讲解了高频功率放大器的相关性质、相关参数的计算,以及相关公式的应用,但并没有讲具体怎么设计一个高频功率放大器。所以此次的课程设计仍有些挑战,例如元器件的选型,根据谐振频率计算电容电感值。好在经过翻阅上个学期的模拟电子技术的课本后以及重新巩固这个学期高频频电子线路所学的知识后,我大致有了初步的构想。
    2、仿真
    在仿真调节过程中、对电路通过MULTISIM软件进行分析,比如静态工作点分析,交流分析等等都会对电路产生影响。仿真设计的基本步骤为:首先根据原理和设计需要创建仿真电路原理图,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。
    软件仿真平台的使用在整个设计过程中很重要,通过软件仿真可以更好的预测电路的工作状态,验证思路。在理论教学课堂上,教师很难透彻地讲解其中要点,学生也只能凭借想象来理解。实践操作上,由于时间和成本,我们很难有动手的机会。因此仿真平台的使用尤其重要。
    3、焊接
    通过这次两级功率放大器设计的过程,觉得理论和实践却是存在很大差别。在查资料的过程中,不仅对理论知识有了很大提高,还学到很多课堂所没学到的东西。在以后的学习中我会经常巩固高频电子线路及模电所学过的知识并加以应用,让这次课程设计为我提供更大的帮助。
    4.2、建议
    在这次课程设计中,我发现有很多相关的专业知识不太理解,希望以后的课程设计能让同学们多交流,和他人探讨自己的想法。并且希望以后的课设也越来越能和现实接轨,让课程设计与我们的日常生活相互结合。

    参考文献

    董诗白;《模拟电子技术基础》;高等教育出版社;2015.
    杨华 孙艳 尹光明 等;《电路与电子技术实验教程》;东北大学出版社2014.
    邱关源 罗先觉;《电路》(第五版);高等教育出版社;2006.
    王卫东;《高频电子线路》(第三版);电子工业出版社;2004.
    谢家奎;《电子线路–非线性部分》(第四版);高等教育出版社;2010.
    王浩东;《Multisim基础与应用》(第六版);中国水利水电出版社;2014.
    高吉祥;《电子技术基础实验与课程设计》;电子工业出版社;2002.
    谢自美;《电子线路设计》;华中科技大学出版社;2000.

    指导记录
    12月26、
    讲授电路基本原理、课程设计基本要求。26号是第一节高频课设开始的时间,这次的任务主是设计两个高频功率放大器。在高频课上,老师只是讲解了高频功率放大器的相关性质、相关参数的计算,以及相关公式的应用,但并没有讲具体怎么设计一个高频功率放大器。所以此次的课程设计仍有些挑战,例如元器件的选型,根据谐振频率计算电容电感值。经过翻阅上个学期的模拟电子技术的课本后以及重新巩固这个学期高频频电子线路所学的知识后,有了初步的构想。
    12月27、
    讲解实验室安全注意事项实验过程中的注意事项。在老师给定的频率及相关参数、以及所发元器件的要求下,开始进行放大电路的设计,在仿真调节到甲类放大倍数为5倍左右时,准备焊接甲类放大电路。感觉设计一个功率放大器并不简单,但是在设计成功后也能感受到成功带来的喜悦。今天还按照仿真成功的电路图进行电路板的焊接,完成了一级甲类功率放大器的电路板焊接;这是我对专业知识认知的进一步体现。
    12月28、
    指导仿真软件使用方法解决电路仿真问题。软件仿真平台的使用在整个设计过程中很重要,通过软件仿真可以更好的预测电路的工作状态,验证思路。在理论教学课堂上,教师很难透彻地讲解其中要点,学生也只能凭借想象来理解。实践操作上,由于时间和成本,我们很难有动手的机会。因此仿真平台的使用尤其重要。
    12月29、
    验收第一极放大电路实物,指导丙类仿真问题解决。今天对丙类放大电路进行设计,通过这次两级功率放大器设计的过程,觉得理论和实践却是存在很大差别。在查资料的过程中,不仅对理论知识有了很大提高,还学到很多课堂所没学到的东西。
    12月30、
    测试焊接第一级电路实物的输出波形,解决电路焊接问题。第一级甲类放大电路在验收时因为没有与输入信号源共地造成误差,输出放大倍数过低,在老师的指导下将高频试验箱的地接在板子上输出正常了。此过程中学会直流电源的使用,此外在示波器调节输出波形时,老师也给了指导,尽量不按示波器的自动挡。
    12月30、
    指导两级级联仿真,完成参数计算,指导焊接丙类功率放大电路。两级级联电路时,输出波形可能会失真,需要调节滑动变阻器进行调节。保证最终输出波形不失真且要放大。
    01月04、
    指导仿真电路波形测量,参数计算。学会仿真参数计算,计算功率放大倍数和交直流功率计算。
    01月05、
    检查设计书初稿提高修改意见。提出设计书设计要求,要求有实物图片、波形对比。要求设计书格式、字体。整体格式一致,图片要有标号,电路图不能用仿真图代替,公式存在模糊不清的问题,要重新编写公式。

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  • 什么是高频放大器高频功率放大器用于发射机的末级,作用...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...

    什么是高频放大器

    高频功率放大器用于发射机的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。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。

    高频放大电路

    高频功率放大器电路为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定,电路由甲类、丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。

    高频放大点电路原理

    为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定,电路由甲类、丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图1所示。根据设计要求和晶体管实际参数,采用Philip s公司的NPN型高压晶体管2N5551作为放大管,三极管Q1、电感L1、电容C2组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态。三极管Q2和由电感L3、电容C7、C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。R1、R2、R3、R4 组成第1 级静态偏置电阻,调节R2、R3可改变放大器的增益。L1、C2组成一级调谐回路,L2、R5、C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电, R7为射级反馈电阻,调整R7 可改变丙类功率放大器的增益。C6、C7、L3组成末级调谐回路, C6 用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、C9和L4 组成滤波回路,起到改善波形的作用。R9和C10、R11和C11以及R8和C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。当基极输入的正弦信号频率取值在L1、C2 谐振频率附近时,集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容,有效地控制了可能由于射级电阻R3、R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压时, Q2才导通工作。当L3、C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时,丙类功率放大器工作于谐振状态,集电极将获得最大的电压增益,达到功率放大的目的

    高频放大电路应用电路

    1.集电极馈电电路

    根据直流电源连接方式的不同,集电极馈电电路又分为串馈电路和并馈电路

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    (1) 串馈电路指直流电源Vcc、负载回路(匹配网络)、功

    率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。Ci、 Lc为低通滤波电路,A点为高频地电位,既阻止电源Vcc中的高频成分影响放大器的工作,又避免高频信号在LC负载回路以外不必要的损耗。C、Lc的选取原则为

    1/ oLc 《回路阻抗x1/10

    oLc》 1/ OC x10

    (2) 并馈电路指直流电源Vcc、负载回路(匹配网络)、功

    率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图Lo为高频扼流圈,C为高频旁路电容,C2为 隔直流通高频电容,Lc、Cr、C2的选取原则与串馈电路基本相同。

    2.基极馈电电路

    基极馈电电路也分和两种。

    基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给,也可以由

    集电极电源Vcc分压供给。在功放级输出功率大于1W时,

    基极偏置常采用自给偏置电路。

    3.级间耦合网络

    对于中间级而言,最主要的是应该保证它的电压输出稳定,以供给下级功放稳定的激励电压,而效率则降为次要问题。

    多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的,是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。

    这个变化反映到前级回路,会使前级放大器的工作状态发生变化。此时,若前级原来工作在欠压状态,则由于负载的变化,其输出电压将不稳定。

    4. 输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络,这种匹配网络有L型、π型、T型网络及由它们组成的多级网络,也有用双调谐耦合回路的。

    输出匹配网络的主要功能与要求是、和。

    高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下,改变负载回路的可调元件,将负载阻抗Z转换成放大管所要求的最佳负载阻抗R,使管子送出的功率P。能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态,或简称匹配。

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  • (三)基于Multisim的电台发射系统写在前面系统要求基本原理振荡器的设计振幅调制器的设计高频功率放大器的设计高频功率放大器原理Multisim电路原理及分析实验结果及分析低频功率放大器的设计缓冲器的设计 ...

    写在前面

    1.本系列分为五篇,包括(一)振荡器的设计、(二)振幅调制器的设计、(三)高频功率放大器的设计、(四)低频功率放大器的设计和(五)缓冲器的设计,使用的软件均为Multisim14。
    2.下一个系列为基于Multisim的超外差接收系统,敬请期待。
    3.免费分享整个电台发射系统Multisim电路设计原文件,评论留言就好啦。
    4.转载请标明原创作者,谢谢。

    系统要求

    1.载波信号频率 535 − 1605 k H z   535−1605kHz\, 5351605kHz
    2.中频信号频率 465 k H z   465kHz\, 465kHz
    3.调制信号频率 500 H z − 10 k H z   500Hz−10kHz\, 500Hz10kHz

    基本原理

    电台发射系统是以自由空间为传输信道,把需要传输的信号加载到高频振荡中变换成电磁波的形式发送到远方的接收点。
    电台发射系统总体框架如图所示。
    为了提高频率稳定度,采用改进型的电容三端振荡器——西勒振荡器,并在它后面加上缓冲器,以削弱后级对主振器的影响。振幅调制器是发射机的核心,采用模拟乘法器实现对载波信号和输入信号的调制。AM调制虽然功率利用率低,抗干扰能力差,但是接收设备简单,仍广泛应用于电台发射系统。高频功率放大器将调制信号的功率进行放大,以便信号的发送。
    在这里插入图片描述

    振荡器的设计

    请见上一篇(一)基于Multisim的电台发射系统:振荡器的设计。

    振幅调制器的设计

    请见上一篇(二)基于Multisim的电台发射系统:振幅调制器的设计。

    高频功率放大器的设计

    高频功率放大器原理

    高频功率放大器原理图如图所示,其作用是放大高频信号,使发射机末级获得足够大的发射功率,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平。
    在这里插入图片描述

    Multisim电路原理图及分析

    Multisim14软件进行仿真的电路如图所示。
    1.为保证三极管工作在放大状态,在 u B E   u_{BE}\, uBE u C E   u_{CE}\, uCE间放置万用表,以便随时观测和调整三极管的工作状态;
    2.当 R 1   R_1\, R1过大时,波形出现失真,会出现放大倍数不统一的现象,不要害怕,细调电路直至满足要求。在这里插入图片描述

    实验结果及分析

    高频功率放大器仿真结果如图所示。
    1.输入AM波 V M A X = 500 m V   V_{MAX}=500mV\, VMAX=500mV,经过高频功率放大器后输出AM波 V M A X = 1.5 V   V_{MAX}=1.5V\, VMAX=1.5V
    2.由功率放大器的瞬态分析可知电路获得了足够大的高频输出功率。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    低频功率放大器的设计

    请见下一篇(四)基于Multisim的电台发射系统:低频功率放大器的设计。

    缓冲器的设计

    请见下一篇(五)基于Multisim的电台发射系统:缓冲器的设计。

    展开全文
  • 01 高频放大电路在 基于uPC1677C射频功率放大[1] 中使用单片吗印刷电路板调试了基于9018晶体管以及uPC1677的射频(FM)信号的功率放大实验。但是后来经过实际距离测试,发现耦合到天线上的输出功率输出还是比较小。在...

    01 高频放大电路

    基于uPC1677C射频功率放大[1] 中使用单片吗印刷电路板调试了基于9018晶体管以及uPC1677的射频(FM)信号的功率放大实验。但是后来经过实际距离测试,发现耦合到天线上的输出功率输出还是比较小。在这里通过zl 面板上搭建 相关的射频电路,研究上述电路实际功率放大增益,以及如何设计天线耦合电路的问题。

    相关的研究博文包括:

    1. 基于uPC1677C射频功率放大[1]
    2. 为什么面包板不能够做射频电路实验?[2]
    3. uPC1677射频信号放大芯片[3]

    02 UPC1677放大增益

    uPC1677数据手册中给定的功率增益大约在23dB左右。这是在不是家人和负反馈的情况下的恒定增益。

    3d631a300a15cd5f28c109744da18173.png

    ▲ uPC1677幅频特性和内部结构示意图

    按照UPC1677数据手册上的基本工作电路,搭建开关放大电路如下图所示:

    0340f4f54eec4eb652b3b5900d03fea5.png

    ▲ 实验电路图

    使用DSA815的TG功能测量射频放大电路的增益曲线。

    设置:DSA815输出射频功率-20dBm, 放大电路输出串联一个-20dBm的衰减器,然后再连接DSA815。因此需要在最终增益的基础上增加20才是放大电路的实际增益。

    102a5d344927b79d5057e12fd38f551d.png

    ▲ UPC1677射频放大电路

    测量UPC1677的的增益曲线为:

    4418922d2af119fcb7667dbb1c210bbd.png

    ▲ UPC1677增益曲线

    对比前面uPC1677的数据手册中的增益曲线,可以看到实际测量得到的增益也在20dB以上。但是存在着比较大的波动。这种波动应该与在面包板上的耦合有关系。


    03 三极管的高频增益

    下面研究几种高频三级搭建的高频信号放大电路的增益。

    型号 截止频率 Vce Ic UTC9018 1100MHz 30V 50mA 2N3904 300MHz 40V 200mA 2SC1906 Ft 500MHz 30V50mA

    463535b0845d0c9359c8839ff0daa44c.png

    ▲ 三极管实验电路的

    1.晶体管9018

    负载仍然使用5.6uF,分别在基级电阻39k, 68k,150k下测量单管放大增益。

    基级电阻 集电极电流 39k 14mA 68k 8mA 150k 4mA

    对应三种基级电阻下放大电路的增益曲线为:

    85c91a43639a59320686023fdd5f1385.png

    ▲ 三种不同基级电阻下9018射频增益

    2.集体管3904

    三种不同的基级电阻下对应的集电极电流:

    基极电阻 集电极电流 39k 21mA 68k 12mA 150k 6mA

    bcdddef188c3000e016715a4ca5721f0.png

    ▲ 三种不同基级电阻下的3904单管放大增益

    3. 晶体管1906

    对应不同基级电阻下的集电极电流。

    基极电阻 集电极电流 39k 8mA 68k 5mA 150k 3mA

    下面是不同基极电阻下的增益曲线。很奇怪的是在Rb=39k的时候增益为什么突然降低了很多?

    ac123947e855c5f803085ee61ea522ed.png

    ▲ 不同集电极电阻下放大器的增益


    04晶体管放大电路S参数

    1.晶体管放大电路的S参数

    使用SDR-Kits测量9018放大电路的输入和输出S参数。 使用68k基极偏置电阻。测量50MHz~150MHz之内的输入端口的R,Z阻抗参数。

    输入阻抗:

    b0b4e4c25d2f72fa27c4d82b56560f61.png

    ▲ 输入阻抗参数

    输出阻抗:

    5820e6e2cfc8887da7d3c12731234560.png

    ▲ 输出阻抗参数


    05 对9018电路进行输出输出负载匹配

    9018放大电路的输出阻抗为200欧姆,这样输出功率只有最大功率的16%。通过L匹配滤波器来增加输出功率。

    z在网站 计算L匹配参数网站[4] 输入工作频率和匹配参数,可以直接给出L型匹配滤波器的参数。

    5d2508179508a1edcd8baaa18620be3d.png

    ▲ 输入计算参数

    下面是匹配滤波器的参数和拓扑图。其中去电感为0.184uH,电容取18pF。

    394909cb7dccba3351abb08bbad09603.png

    ▲ L匹配滤波器网络的参数

    由于电感不太好确定,只有使用手边已有的裸金属线绕制一些作为测试。

    c1946d29c05cc9acfe4dacb81305da08.png

    ▲ L匹配滤波器的情况

    经过L匹配滤波器之后,测量单管放大电路的增益曲线如下:

    a71531e4a1435f6fbfc8007782548bfa.png

    ▲ 增加匹配滤波器之后的增益曲线

    cb465d5443d19fb3aa05ba0466800bbc.png

    ▲ 对比使用匹配滤波器前后的增益变化

    下面是做了调整之后的一些匹配情况。

    a1704898ddaa4db11dd3bfd02e059357.png

    ▲ 调整之后的匹配情况


    06 结论

    通过对9018输出阻抗进行匹配,可以改善一定的输出增益。最高值大约提升了6dB左右。

    但是由于电感和电容不一定那么精确,有时也没有得到相应的增益的提升。这种情况也许在电路板上进行调整可能效果要好一些。

    参考资料

    [1]

    基于uPC1677C射频功率放大: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106084193

    [2]

    为什么面包板不能够做射频电路实验?: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762

    [3]

    uPC1677射频信号放大芯片: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106081601

    [4]

    计算L匹配参数网站: https://www.easycalculation.com/engineering/electrical/l-matching-network.php

    展开全文
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