【正文】 圖 314 經(jīng)過小信號放大后輸出波形 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 KI c qV c e qI e qV e qRkRbV e qV bqV c cR1010 ) c c105????????β （ 估算功率激勵級的輸入阻抗為 335Ω，即射隨器的負(fù)載電阻 Rp2=335Ω，并可計算出射隨器的輸入電阻 Ri，即 39。 語音放大級電路設(shè)計 語音放大器主要是對語音信號進(jìn)行放大和限頻，經(jīng)過放大后的語音信號送入調(diào)制級對高頻載波信號進(jìn)行調(diào)制，本機(jī)采用 LM386 進(jìn)行語音功率放大。 RP4 越小，電路增益越高；反之，增益越小 [9]。調(diào)制過程如圖所示： (1)普通調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式 為了突出基本概念，簡化分析，假設(shè)調(diào)制信號為單頻等幅余弦波，即 （ a）調(diào)制信號波形 （ b）載波信號波形 （ c） Ma＜ 1時的已調(diào)波形 （ d） Ma=1時的已調(diào)波波 形 （ e） Ma＞ 1時的已調(diào)波波形 圖 341 調(diào)幅波調(diào)制過程 圖 332 音頻放大器輸出波形模擬圖 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 tUtU m ?? ?? cos)( （ 341） 設(shè)載波電壓為 tUtU ccmc ?cos)( ? （ 342） 通常載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制頻率，即滿足 ?》c? ，根據(jù)調(diào)幅的定義可直接寫出調(diào)幅波的表示式 ttmUttUtU cacmcAM ?? c o s)c o s1(c o s)()( ???? （ 343） （ 2）調(diào)幅度的定義 調(diào)幅度（又稱調(diào)制度或調(diào)制指數(shù)）反映了調(diào)制信號對高頻載波幅度的控制能力，它是 mac UkU ??? 與載波振幅之比，即 cmmacmca UUkUUm ???? （ 344） 式中， ak 為比例常數(shù)。 根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求以及為了最大程度的減小各極間的干擾，本機(jī)采用模擬乘法器作為調(diào)幅電路，模擬乘法器的出現(xiàn)，使高質(zhì)量的調(diào)幅信號的產(chǎn)生變得很簡單，而且成本也很低。為了使輸出上，下調(diào)制對稱，在設(shè)計外部電路時，還應(yīng)使 V12=V6， V8=V10，而且 12 腳及 6 腳所接的負(fù)載電阻應(yīng)相等，即 R28=R29，調(diào)制輸出信息波形（圖 344）如下 [8]： 圖 344 調(diào)制信號 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 圖 351 晶體管高頻功率放大器原理圖 高頻諧振功率放大器的設(shè)計 諧振功率放大器的設(shè)計原理 高頻功率 放大器是各種無線電發(fā)射機(jī)的重要組成部分，其工作頻率較高，相對寬帶也比較窄，一般都采用 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載構(gòu)成諧振功率放大器。 （ 1） 電路組成 諧振功率放大器的原理如圖所示 ，除電源和偏置電路外，它由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。此時輸入激勵信號應(yīng)為大信號，一般在 以上，可達(dá)到 1~2V,，甚至更大。當(dāng) beu 的瞬時值大于基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓 )(onBEU時，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生基極脈沖電流 bi ，如圖（ b）所示。對其他各次諧波而言，回路失諧而呈現(xiàn)很小的電抗并可看成短路。所以，晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓為 )c o s ( tUVuVu cmCCcCCCE ????? （ 352） 其波形如圖（ d）所示。因此，在諧振功率放大器中，諧振回路除了起濾波作用外，還起 到阻抗匹配的作用 [23]。但是 ? 也不能過小，因為此時為了達(dá)到一河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 定的輸出功率，所要求的輸入激勵信號電壓 iu 的幅值將會過大，從而對前級提出過高的要求。將進(jìn)入飽和區(qū)的工作 狀態(tài)稱為過壓狀態(tài)，其集電極脈沖形狀如圖中曲線③所示，為中間凹陷的余弦脈沖。由于 cmCCCE UVu ??min ，可見輸出電壓的幅值 cmU 越小， minCEu 就越大，晶體管工作就不會進(jìn)入飽和區(qū)。 cmU 越大， minCEu 越小，脈沖凹陷越深，脈沖的高度越小。 下圖（圖 354）是諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線。 諧振功率放大器的設(shè)計過程 [1] 高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的主要作用是將電源的直流轉(zhuǎn)換成高頻交流輸出，通信線路中應(yīng)用的高頻功率放大器，按其工作頻帶的寬窄可以分為窄帶和寬帶。表示放大器在工作 期間的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，稱為放大器工作在乙類，當(dāng)其導(dǎo)通角小于 90176。在晶體管功率放大器中，一般可以通過改變激勵電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。利用諧振回路的選頻作用可使輸出基波諧振電壓為 UC1，電流為 IC1. 當(dāng)功率放大器的電源電壓為 +Ucc，基極偏置電壓 Ub，輸入電壓（或激勵電壓） Ubm確定后，如果電流導(dǎo)通角θ選定，則放大器的工作狀態(tài)就只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻 Rq。 ??? 集電極的效率 %77/ ?? DC PPη 若設(shè)末級功率增益 Ap=13dB（ 20 倍），則輸入功率 mWAPAPP PcPoi 50??? 基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)晶體管 3DA1 的β =10） mAII CMBM ?? 基極基波電流的振幅 mAII BMMB 1911 ??? α 輸出電壓的振幅 VI PiV MBBM 1 ?? （ B）計算諧振回路及耦合回路的參數(shù) 丙類功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸出阻抗 Zi 可計算如下： 86c o s1 139。 設(shè)高頻變壓器的效率為η = mWPP hC 60?? η 取功放的靜態(tài)電流 Icq=Icm=7mA 則集電極電壓的振幅 Vcm及等效負(fù)載電阻 Rh’ 分別為 KPVRVIPVCcmhCMCcm239。1 ?? RhNN η 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 25 取次級匝數(shù) N2’=2，則初級匝數(shù) N1’=6. 激勵級功放采用 3DG12 晶體管，設(shè)β =30，取功率增益為 Ap=13dB（ 20 倍）， 則輸出功率為 mWAPP PCi ?? 功放的輸入阻抗為 ???? 3 2 5R 339。 L10， L20可以采用色碼電感，也可以采用環(huán)形磁芯繞制。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 26 諧振功率放大器的調(diào)整 設(shè)計并計算高頻諧振功放的前提是假定諧振回路已處于諧振狀態(tài)，即集電極的負(fù)載阻抗為純電阻。 寄生振蕩是高頻功率諧振放大器應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，常見的寄生振蕩有以下兩種： （ 1）參量自激型寄生振蕩 當(dāng)功放的輸出電壓 Vcm足夠大時，功放的動態(tài)工作點就可能進(jìn)入?yún)⒘繝顟B(tài)，這時晶體管的許多參數(shù)將隨著工作狀態(tài)而改變，如集電結(jié)電容 Cb39。消除參量型寄生振蕩的常見方法是在基極或發(fā)射極接入防振電阻或引入適當(dāng)?shù)母哳l電壓負(fù)反饋，如果可能的話，可以適當(dāng)減小激勵信號電平 [6]。 高頻寄生振蕩一般由電路的分布參數(shù)（分布電容，引線電感）影響造成的。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能的接近饋線的特征阻抗。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面使使地面表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。 Dbi 是相對于點源天線的增益，在各方向的增益是均勻相同的， dBd 相對于對稱陣子天線的增益 dBi=dBd+。在真空中信號的傳播速度為光速，本機(jī)的中心頻率為 6MHz，因此，由公式 波長 =速度／頻率可得到信號波長為 米，由于天線長度比較長，因此可以采用螺旋形式的天線。螺旋式天線的接收效率通常不如直線 1/4 波長的拉 桿天線，但是在某些應(yīng)用場合中更加關(guān)注天線的耐用性而不是有效性。 主振級調(diào)試 按設(shè)計的電路安裝好本振級后，調(diào)整晶體管的工作點，使震蕩管電流 為 3mA 左右，適當(dāng)調(diào)整 C1，使輸出頻率維持在 6MHz 左右，幅度置為 40mV，波形為正弦波。此時，可通過調(diào)節(jié)緩沖隔離級的射級電阻 RP1 來提高緩沖隔離級的輸入阻抗，也可以減小主振級和緩沖級的耦合及減小 C4 來調(diào)整輸出波形。 另外，功率放大器工作不正常時可能會出現(xiàn)嚴(yán)重自激，功放自激時 集電極電流會突然增大至上百毫安以上（正常工作時集電極電流在 40~50mA 以下），這時功放管發(fā)熱嚴(yán)重，時間長了很可能就會燒壞，因而必須時刻注意防止功率放大器產(chǎn)生自激。功率放大器最終調(diào)整到等效負(fù)載為 51Ω時得到一定的電壓值為止。 整機(jī)統(tǒng)調(diào) 由于將最后一級接上后，輸入阻抗值不再等于之前的假負(fù)載的阻抗值，因而可能會產(chǎn)生回路失諧的情況，所以還要進(jìn)行統(tǒng)調(diào)工作。如總電路圖所示，負(fù)載 RL與丙類諧振功率放大器的諧振回路之間采用變壓器耦合連接方式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配的作用，集電極回路的諧振阻抗 R0 上的功率等于負(fù)載 RL 上的功率，所以可以將集電極的輸出功率視為高頻功放的輸出功率， 02102 1110 212121 RVRIIVP MCMCmcmc ??? （ 451） 測量功放主要技術(shù)指標(biāo)的電路如圖 451 所示，其中高頻信號發(fā)生器提供激勵信號電壓與諧振 頻率，示波器檢測波形失真，直流毫安表測量集電極的直流電流，高頻電壓表 V測量負(fù)載 RL 的端電壓，只有在集電極回路處于諧振狀態(tài)時才能進(jìn)行各項技術(shù)指標(biāo)的測量。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 32 （ 3） 功率增益 功放的輸出功率 P0與輸入功率 Pi之比稱之為功率增益，用符號Ap 表示， icp PPA? （ 455） 圖 451 高頻功放的測試電路 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 33 5 硬件電路調(diào)試過程及示波器圖像 在軟件仿真的基礎(chǔ)上，通過硬件的實踐與焊接，可以使我們不僅對本課題的理論知識有更好的掌握，更使我們在電子相關(guān)專業(yè)的實踐能力上有進(jìn)一步的提高，在實踐中還可以對理論設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行驗證與優(yōu)化，從而在理論和實踐相結(jié)合的過程中不斷提升自己的專業(yè)課知識。 振幅調(diào)制級硬件電路以及示波器影像 模擬乘法器需要 +12V和 8V雙電源供電，因此，除了接入 +12V電源外，還需接入 8V電源，輸入信號分別接入高頻載波和音頻調(diào)制信號，輸出端可看見完整的已調(diào)信號，此時，如果輸出信號有少量失真或 者波形出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，可以調(diào)節(jié) RP3 達(dá)到調(diào)節(jié)MC1496 的平衡電路的作用，調(diào)節(jié)時注意微圖 521 音頻信號輸入級硬件電路 圖 522 音頻信號振幅過大時失真圖 圖 523 音頻信號輸出波形輸出波形 圖 531 振幅調(diào)制級硬件電路 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 35 調(diào)，較大的變動可能會使失真更加嚴(yán)重。 功 率放大級硬件電路以及示波器圖像 本機(jī)的功率放大級采用兩級功放設(shè)計，由于調(diào)制級輸出信號電壓幅度比較小，不滿足丙類諧振功率放大器的輸入電壓要求，因此，首先需要在調(diào)制級后邊接入一級甲類功放，以提高調(diào)制信號的電壓幅度，我們稱此級甲類功放為激勵級，激勵級同樣采用諧振功率放大器形式，其初級與次級線圈匝數(shù)比為 3:1，為使信號失真較小，初級線圈繞置26 圈，次級線圈繞置 9 圈。當(dāng)輸入音頻信號的幅度較大時，容易產(chǎn)生過調(diào)幅失真，此時，應(yīng)減小輸入音頻信號的輸入振幅值。 主振級示波器圖像如圖（圖 512）所示。 放大器輸出功率可以由下式計算： LLRVP 20? （ 452） 式中， VL 為高 頻電壓表 V的測量值。調(diào)好后，接入調(diào)制信號，觀察調(diào)幅波形，改變音頻信號發(fā)生器輸出電壓，使音頻電壓幅值變化，觀察包絡(luò)的變化，在調(diào)制過程中還可能出現(xiàn)輸出波形不純，存在諧波分量的問題，因而還需要返回前級重新調(diào)節(jié)。產(chǎn)生的原因可能是級間通過電源產(chǎn)生串?dāng)_或是甲類功放與丙類功放的阻抗不匹配，級間相互影響。為了消除或者防止自激，一般電路調(diào)整時應(yīng)先將電源電壓降低到正常工作的 31 或者 21使用，信號應(yīng)調(diào)到較小的數(shù)值，諧調(diào)時注意選擇匹配狀態(tài)。調(diào)節(jié)電路中的 RP3 即可達(dá)到調(diào)節(jié)輸入音頻信號幅