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原创 【博客大赛】射频功率放大器实验

2013-10-13 21:40 15804 0 分类: 通信

射频功率放大器实验

一、实验目的

(1)进一步理解射频功率放大器的工作原理;

(2)了解射频功率放大器的工程设计方法与常用参数的测量方法;

(3)熟悉Multisim 软件中常用虚拟测试仪器的使用方法。

二、实验原理

1.效率是功率放大器一个非常重要的性能指标。射频功率放大器中采用功率定义为射频输出功率与射频功率放大器总功耗之比,即:

η=Po/PD

2 .按照电路中晶体管的直流偏置状态,功率放大器又可分为A 类、B 类、C 类、D类等,其中,A 类、B 类、C 类为线性功率放大器,D 类则为开关功率放大器。

(一)线性射频功率放大器

当晶体管的导通时间小于半个周期或导通角小于180 度时,这种状态被称为

C 类工作状态。

射频功率放大器的效率η 可以导通角θ 作为变量的函数关系来表示:

          20131013212414104001.jpg

可计算出线性功放的效率如表1 所示。

表1 线性功率放大器工作状态及效率

工作类型

导通角

理论极限效率

实际工作效率

A

π

50%

30~40%

B

π/2

78.5%

40~55%

C

<π/2

>90%

55~70%

(二)开关射频功率放大器

D 类功率放大器电路主要由开关管和滤波电路组成。滤波电路由谐振在基波频率的串联LC 电路组成。理想情况下,D 类功放可达100%的效率。但是,由于

开关管实际上具有从漏极或集电极到地的寄生电容,在工作频率很高时会使输出

电压与电流波形发生变形并有交叠,因此其工作频率一般不宜过高。

三、实验内容

(一)C 类射频功率放大器电路

1、电路结构

将各参数设置好之后一个C 类射频功率放大器电路如图所示:

20131013212421461002.jpg

2、输入输出信号幅值的仿真

设置好参数观察示波器中显示的输入输出信号的波形,以及毫伏表与毫安表中的相应的读数对比输入电压不同时,输出信号的失真情况,实验结果如下:

20131013212428963003.jpg

毫安表读数为:4.47mA

毫伏表读数为:7.46V

由上图可见输出波形已经发生畸变,产生失真(但不太明显)。

将UIN的Voltage(RMS)值设为1V,Frequency 设为1MHz后输入输出波形如下:

20131013212436784004.jpg

毫安表读数为:18.416mA

毫伏表读数为:9.523V

由上面的两张图不难发现Voltage(RMS)值设为1V后比起0.7v时出现明显失真。

3、调谐特性仿真

将可变电容的初始值设为400pF,然后逐渐由10%的容值改变至100%的容值,观察毫伏表和毫安表在每个测量点仿真运行时的读数变化,完成下表的数据记录。电路如下:

20131013212444904005.jpg

实验中记录数据如下:

电容C1

400PF

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

输出电压(V)

12.46

15.484

14.025

10.741

9.37

9.154

9.005

8.894

8.818

输出电压(mA)

11.484

22.659

11.95

6.021

6.586

34.464

50.902

64.04

78.953

4、功放的效率计算

如下图所示,将原图示波器与毫伏表换为示波器和功率表,然后模拟记录下输入输出的波形及功率,计算出功率放大器的效率。电路图如下:

20131013212454548006.jpg

管耗:3.501mW    输出功率:16.678mW    所以功率放大器的效率为82.65%

而c类理论极限时可以大于90%的,满足条件。

(二)D 类射频功率放大器电路

1、电路结构

将各参数设置好之后一个D类射频功率放大器电路如图所示:

20131013212505281007.jpg


2、输入输出信号波形的仿真

将输入频率设为20kHz 进行模拟,其结果如下:

20131013212511499008.jpg

将局部放大如下:

20131013212519768009.jpg

由局部放大图可以看出输出电压波形在很短的时间内迅速衰减。

20131013212530540010.jpg

频率改为20MHz时:

分析:由上图可以看见输出波形已经类似方波了。

3、输出信号频谱分析

设置好参数后傅里叶分析的参数结果与相应变量的频谱图如下:

20131013212540387011.jpg


4、功放的效率计算

如下图所示,将原图中的示波器换为功率表。然后按下 “Run”按钮,运行电路一段时间后,即可在功率表上观察到输入输出信号波形与输入输出信号的功率。根据公式2 与功率表中输入输出功率的读数,计算出功率放大器的效率。

20131013212552402012.jpg

管耗:35.989mW

输出功率:1.763mW

所以功率放大器的效率为4.67%     由结果可见D类功放效率比较低(不知道是不是测错了!)

四:实验小结

1. 射频功率放大器的主要功能是放大射频信号,其工作可频率最高可到GHz

频段。射频功率放大器的输出功率则取决于应用要求,从几毫瓦到上千瓦。

2. 射频功率放大器位于无线通信系统的发射前端,其作用是将已调制的射频信号放大到所需要的功率值并馈送到天线发射出去,保证在一定区域内的接收机可以收到可以处理的信号,并且不干扰相邻信道的通信。

3. 射频功率放大器的工作特点是低电压、大电流。其基本组成单元包括晶体管、

偏置电路、扼流圈、阻抗匹配网络与负载。

4. 理想情况下,D 类功放可达100%的效率。但是,由于开关管实际上具有从漏极或集电极到地的寄生电容,在工作频率很高时会使输出电压与电流波形发生变形并有交叠,因此其工作频率一般不宜过高。

5. 开关功率放大器是通过减少加在晶体管两端电压和流过的电流波形的交叠时间来提高效率的。

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