高頻諧振功率放大及倍頻實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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高頻諧振功率放大及倍頻實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

高頻諧振功率放大及倍頻是“高頻電子線路”課程教學(xué)中的重、難點(diǎn)內(nèi)容。本文重點(diǎn)介紹了一種高頻諧振功率放大及倍頻實(shí)驗(yàn)電路，該電路將高頻振蕩電路、甲乙類(lèi)諧振放大電路、丙類(lèi)諧振功率放大以及倍頻電路融合在一起。其中丙類(lèi)功放創(chuàng)新采用并饋串聯(lián)諧振回路，并進(jìn)行了理論分析，同時(shí)也詳細(xì)地?cái)⑹隽思?jí)間匹配。將這套電路引入課堂教學(xué)和課后實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更深刻的理解高頻電子線路相關(guān)內(nèi)容，并為今后的設(shè)計(jì)工作打下良好的基礎(chǔ)。

高頻諧振功率放大； 倍頻； 級(jí)間匹配； 并饋； 串聯(lián)諧振

0 引 言

高頻電子線路是電子、通信等專(zhuān)業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，該課程的基本目的是學(xué)習(xí)常用電子元件器件、模擬電路以及簡(jiǎn)單的電路系統(tǒng)，掌握高頻電子線路各單元電路的基本概念和工作原理，掌握各種非線性電子線路分析和設(shè)計(jì)方法，為電子系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)等后續(xù)課程打下必備的基礎(chǔ)[1-2]。本文重點(diǎn)介紹了一套高頻諧振功率放大(簡(jiǎn)稱(chēng)功放)實(shí)驗(yàn)電路，涵蓋晶體振蕩器、甲類(lèi)諧振放大器、乙類(lèi)諧振放大器、丙類(lèi)諧振功放以及倍頻器等內(nèi)容。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)電路的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以比較分析各類(lèi)諧振放大器的異同，深刻理解諧振功放的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，領(lǐng)會(huì)倍頻電路的學(xué)習(xí)要點(diǎn)[3-6]。

1 原理介紹

高頻諧振功放的晶體管饋電方式分為串聯(lián)饋電(簡(jiǎn)稱(chēng)串饋，如圖1所示)與并聯(lián)饋電(簡(jiǎn)稱(chēng)并饋，如圖2所示)。兩種饋電方式的電源電壓都能全部加到集電極上，區(qū)別在于濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的接入方式。串饋的匹配濾波網(wǎng)絡(luò)處于直流高電位，網(wǎng)絡(luò)元件不能直接接地。并饋的匹配網(wǎng)絡(luò)處于直流地電位上，網(wǎng)絡(luò)元件可直接接地，安裝比串饋方便，但是高頻扼流圈與匹配網(wǎng)絡(luò)相并聯(lián)，分布參數(shù)影響網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧。諧振回路又分為并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，很多資料都對(duì)串饋并聯(lián)諧振進(jìn)行了詳細(xì)的分析，而對(duì)并饋串聯(lián)諧振一筆帶過(guò)。本文選擇并饋串聯(lián)諧振，意在填補(bǔ)這方面的空缺。

(a) 串聯(lián)并聯(lián)諧振電路

(b) 等效電路

圖1 串饋并聯(lián)諧振電路

(a) 串聯(lián)并聯(lián)諧振電路

(b) 等效電路

圖2 并饋串聯(lián)諧振電路

當(dāng)三極管工作在丙類(lèi)狀態(tài)時(shí)，典型的集電極電流iC為周期性尖頂余弦脈沖，失真很大，包含很多諧波。將iC經(jīng)過(guò)傅里葉分解后得：

(1)

其中：IC0為直流分量；Icm1cosωt為基頻分量；Icmncosnωt為n次諧波分量，n=2，3，4，…。

圖2中，UCC為電源電壓，LC為高頻扼流圈，LCR為串聯(lián)諧振回路，其中R為負(fù)載電阻。由于電容具有隔直通交、高頻扼流圈具有隔交通直的作用，直流分量IC0只流過(guò)支路1，不流過(guò)支路2。同時(shí)，支路1對(duì)于基頻和各次諧波電流分量相當(dāng)于斷路。支路2對(duì)于串聯(lián)諧振頻率呈現(xiàn)較小的阻抗(諧振頻率可以是基頻或n次諧波頻率，取決于L、C的取值)，對(duì)于其他頻率的電流分量呈現(xiàn)較大的阻抗，相當(dāng)于斷路。所以，雖然iC的失真很大，但是仍然能得到正弦波形Ucmcosnωt的輸出。下面以諧振頻率為基頻時(shí)為例進(jìn)行討論。

晶體管理想化靜態(tài)特性曲線可表示為：

iC=gC(vBE-vBZ)

(2)

它的外部電路關(guān)系為：

vBE=Ubmcosωt+UBB-UE=

Ubmcosωt+UBB-iCRE

(3)

vCE=UCC-Ucmcosωt-UE=

UCC-Ucmcosωt-iCRE

(4)

將式(3)代入式(2)得：

iC=gC(Ubmcosωt+UBB-iCRE-UBZ)

(5)

化簡(jiǎn)后求得:

(6)

(7)

將式(6)與式(7)相除，得：

(8)

即為尖頂余弦脈沖電流的解析式，它完全取決于脈沖高度iCmax和導(dǎo)通角θc。

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)求系數(shù)法，計(jì)算IC0,Icm1,…,Icmn的表達(dá)式，得：

(9)

(10)

iCmaxαn(θc)

(11)

式中，α0,α1…,αn是θc的函數(shù)，稱(chēng)為尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)，以n=2,3,…值代入式(11)，即可得二次、三次……電流諧波分量。

由上述分析可知，通過(guò)電源的電流只有直流分量IC0，所以電源供給的直流功率PD為：

(12)

通過(guò)負(fù)載回路的電流只有基頻分量Icm1cosωt所以對(duì)于交流輸出功率PO有：

(13)

式中，R為諧振于基頻對(duì)應(yīng)的諧振電阻。

由放大器的集電極效率η定義計(jì)算得：

(14)

圖3 功放的功率和效率曲線

圖4 二倍頻和三倍頻功率效率圖

當(dāng)選頻網(wǎng)絡(luò)諧振于nω時(shí)，輸出的分析參照諧振于基頻，所以有：

(15)

(16)

式中，R為諧振于n倍頻對(duì)應(yīng)的諧振電阻。

根據(jù)式(15)和式(16)，取n=2和3，繪制出功率和效率曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，二倍頻時(shí)，θc=60°功率達(dá)到最大值；三倍頻時(shí)，θc=40°功率達(dá)到最大值。這些數(shù)值是設(shè)計(jì)倍頻器的參考值。

2 實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路框圖如圖5所示。信號(hào)發(fā)生電路以晶體管S9018和6MHz石英晶體為核心，產(chǎn)生6 MHz的信號(hào)；甲類(lèi)諧振放大電路以晶體管S8050和6 MHz并聯(lián)諧振回路為核心，實(shí)現(xiàn)放大與選頻，為下一級(jí)提供足夠幅值的激勵(lì)信號(hào)；丙類(lèi)二倍頻電路以晶體管2SD467和12 MHz并聯(lián)諧振回路為核心，將6 MHz信號(hào)進(jìn)行二倍頻，得到12 MHz的正弦信號(hào)。采用基極自給偏壓電路保證丙類(lèi)工作，同時(shí)維持放大器的工作穩(wěn)定[9]；乙類(lèi)諧振放大電路利用二極管IN4148將放大器的基極直流電壓鉗位在0.7 V，保證放大器工作在乙類(lèi)狀態(tài)；級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)使后級(jí)功率管的基極輸入阻抗與前級(jí)放大器輸出所需要的最佳阻抗相匹配；丙類(lèi)諧振功放以功率管2SC1970和12 MHz并饋串聯(lián)諧振回路為核心，采用基極自給偏置保證丙類(lèi)工作，完成最后的功率放大輸出。

圖5 高頻諧振功率放大及倍頻實(shí)驗(yàn)電路框圖

為使丙類(lèi)二倍頻電路的輸出功率達(dá)到最大值，取θc=60°。由式(3)可得，當(dāng)ωt=θc,時(shí)iC=gc(Ubmcosθc+UBB-0-UBZ)=0，求得：

(17)

令UBB=0，UBZ=0.7 V，cosθc=cos60°=0.5，得Ubm=1.4 V，這就是丙類(lèi)二倍頻電路要求的輸入電壓幅值。同理，取θc=70°，求得輸入電壓幅值Ubm=2 V，這就是丙類(lèi)諧振功放電路要求的輸入電壓幅值。

2.2 級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

由于乙類(lèi)諧振放大電路所要求的最佳負(fù)載阻抗RP較大，而丙類(lèi)諧振功放電路的輸入阻抗Ri又很小，電路引入級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)，起到阻抗匹配和濾除諧波的作用[10]。匹配網(wǎng)絡(luò)采用“T”型結(jié)構(gòu)形式，如圖6所示。

[1,11-13]有計(jì)算公式：

XL=QLRi

(18)

(a) 級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)電路

(b) 匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路

圖6 T型網(wǎng)絡(luò)及其等效電路

(19)

(20)

其中:QL為有載品質(zhì)因素;Ri為基極輸入阻抗;RP為前級(jí)最佳負(fù)載阻抗;XL、XC1、XC2分別為電感L、電容C1、電容C2的電抗。公式運(yùn)用的前提條件是RP>Ri。

由式(18)可知，基極輸入阻抗Ri直接決定了XL，然而電感的標(biāo)稱(chēng)值有限，所以首先確定電感L的取值，反算出基極輸入阻抗Ri的值，只要滿足前提條件RP>Ri，就認(rèn)為是可取的。所以，取L=10 μH，算出Ri=94.25 Ω

根據(jù)QL、Ri和RP的值，就可以根據(jù)公式(18)～(20)得到匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，分別為：L=10 μH，C1=17.1 pF，C2=0.51 pF。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，C1的計(jì)算結(jié)果為非標(biāo)稱(chēng)值，不能隨意近似為臨近的標(biāo)稱(chēng)值，比如15 pF或18 pF，否則可能導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)不能達(dá)到預(yù)期的效果。實(shí)際電路中，C1采用20 pF的可調(diào)電容。

2.3 整體實(shí)驗(yàn)電路

整體實(shí)驗(yàn)電路如圖7所示。BG1為三極管S9018，BG2為三極管S8050，BG3和BG4為三極管2SD467，BG5為高頻功率管2SC1970。JP1為選擇開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)跳線選擇功放的負(fù)載電阻。圖7中，C23對(duì)應(yīng)圖6中的C1，C30對(duì)應(yīng)圖6中的C2，L7對(duì)應(yīng)圖6中的L。

圖7 高頻諧振功放及倍頻實(shí)驗(yàn)電路

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路已經(jīng)成功應(yīng)用在武漢大學(xué)自主研發(fā)的高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。由于本文已經(jīng)給出了完整的實(shí)驗(yàn)電路圖(見(jiàn)圖7)，限于論文篇幅，本文僅對(duì)高頻諧振功率放大器進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)試和分析，其他電路的測(cè)試略過(guò)，有興趣的讀者可以自行搭建電路復(fù)現(xiàn)。

3.1 丙類(lèi)高頻諧振功率放大器測(cè)試

基于論文2.2節(jié)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計(jì)，調(diào)整乙類(lèi)放大器的輸出電壓Ucm乙為5 V/12 MHz的正弦波，如圖8(a)所示。經(jīng)過(guò)級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)后，得到2 V/12 MHz的正弦信號(hào)，如圖8(b)所示。通過(guò)跳線選擇功放負(fù)載電阻，如RL=470 Ω，得到相應(yīng)的輸出波形，如圖8(c)所示。

3.2 丙類(lèi)高頻諧振功率放大器負(fù)載特性分析

當(dāng)負(fù)載回路諧振時(shí)， 改變負(fù)載電阻的大小，可以得到負(fù)載特性[15]。保持功率管的基極輸入信號(hào)為2 V/12 MHz，改變諧振功放的負(fù)載電阻，用示波器觀察負(fù)載兩端的輸出電壓，記錄在表1中。根據(jù)表1繪制負(fù)載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線，如圖9所示。

(a)乙類(lèi)放大器輸出波形

(b)級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)輸出波形

(c)功放輸出波形

序號(hào)負(fù)載電阻RL/Ω輸出電壓UP-P/V輸出功率,PO/W1242.80.3272514.70.43331008.00.64041509.80.640520010.60.562624010.80.486739010.00.25684709.50.19296809.00.1191010008.40.071

圖9 負(fù)載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線

分析圖9可知，隨著負(fù)載電阻R的增加，放大器由欠壓進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)，相應(yīng)的iC由接近余弦變化的電流脈沖變?yōu)榘枷莸拿}沖波。在欠壓區(qū)，R由小增大時(shí)，尖頂余弦脈沖電流僅是高度略有減小，相應(yīng)的IC0和Icm1在欠壓區(qū)近似不變，因而輸出電壓(Icm1R)和輸出功率(Icm12R)隨R近似線性增大；在過(guò)壓區(qū)，隨著R增大，電脈沖高度減小，凹陷加深，相應(yīng)的IC0和Icm1減小，使得輸出電壓(Icm1R)有小幅度減小，同時(shí)輸出功率(Icm12R)也減小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的高頻諧振功率放大及倍頻器實(shí)驗(yàn)電

路，將高頻電子線路中的振蕩、倍頻、信號(hào)放大、功率放大結(jié)合在一起，覆蓋知識(shí)面廣，體現(xiàn)了很強(qiáng)的綜合性和創(chuàng)新性，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路成功的完成了振蕩、倍頻及功率放大等功能，目前已成功應(yīng)用于武漢大學(xué)電子信息學(xué)院高頻電子線路實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)效果良好。

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Design of the Experimental Circuits for High Frequency Resonance Power Amplifier and Frequency Multiplier

JINWei-zheng,TAOQin,YANGGuang-yi

(Electronic Information College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

High frequency resonance power amplifier and frequency multiplier are the key and difficult part of the “high frequency electronic circuit” course. This article mainly introduces a new high frequency resonance power amplifier and frequency multiplier experimental circuit, which contains the high-frequency oscillation circuit, resonance classes A, B amplifier circuits, class C resonance power amplifier and frequency doubling circuit. It is an innovation to use and analyze the series resonance circuit and parallel feedback in class C power amplifier. And the design of the matching network between two levels is given in detail. The experiment shows that the circuit works well, and can help students to have a deeper understanding of the related contents in high frequency electronic circuit, and lay a good foundation for the future work.

high frequency resonance power amplifier; frequency multiplier; matching between two levels； parallel feedback; series resonance

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2016-03-14

武漢大學(xué)設(shè)備處開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(WHU-2016-KFSY-3)

金偉正(1966-)，男，湖北武漢人，碩士，副教授，從事高頻電子線路教學(xué)和軟件無(wú)線電等的科研工作。

Tel.：13871326306；E-mail: jwz@whu.edu.cn

TN 761.2；G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0214-05