W高频电子线路课程设计——高频功率放大器的设计

1、学号：课程设计题 目高频电子线路课程设计高频功率放大器的设计学 院信息工程学院专 业通信工程班 级姓 名指导教师 2010 年 年 1月月26日日 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信0704 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目:高频电子线路课程设计高频功率放大器的设计 初始条件：1、可选元件：晶体管、高频磁环、电阻、电容、开关等2、仿真软件：EWB要求完成的主要任务：电路的主要技术指标：输出功率Po125mW，工作中心频率fo=6MHz，65%，已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,f

2、T=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）。时间安排：1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、课程设计时间为1周。（1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间1天；（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天；（3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。 指导教师签名： 2010年 1月 日系主任（或责任教师）签名： 2010 年 1月 日目录摘 要IAbstractII1 高频功率放大器概述11.1 基本原理框图21.2 放大器工作状态特点32 设计原理42.1 整体介绍42.2 谐振放大器基本原理42.3 电路动态特性63 单元电路

3、设计与参数计算83.1 设计要求及思路83.2 丙类功率放大器的设计及参数计算83.2.1确定放大器的工作状态83.2.2 基极偏置电路计算93.2.3 谐振回路与耦合线圈的参数计算93.2.4 电源去耦滤波元件选择103.3 甲类功率放大器的设计103.3.1 电路性能参数计算113.3.2 静态工作点计算114 高频功率放大器总电路图125 仿真结果及分析135.1 甲类放大器、丙类功率放大器静态直流工作点的测量与比较135.2末级谐振功率放大器（丙类）仿真135.3 仿真遇到的问题146 总结与体会16参考文献17附录18元件清单18本科生课程设计成绩评定表19摘 要高频功率放大器是通信

4、系统中发送装置的重要组件，广泛应用在发射机、高频加热装置和微波功率源等待脑子设备中。高频功率放大器用于发射机的末级时，作用是为了弥补信号在无线传输的过程中的衰耗要求，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。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

5、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。高频功率放大器大多工作于丙类。高频放大器的主要技术指标是输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制。关键词：丙类功放 高频 选频回路 功率与效率、技术指标AbstractHigh-frequency power amplifier for the transmitter final stage, the role of wireless transmission to compensate for signal attenuation in the process of request, high-frequency signals

6、have been modulated wave power amplifier, transmit power to meet the requirements, and then through the antenna will its radiation into space, to ensure a certain region to the satisfaction of the receiver can receive the signal level, and does not interfere with adjacent channel of communication. H

7、igh-frequency communication systems to send power amplifier is a key component devices. Their work is divided into narrow band width of the high-frequency power amplifiers and broadband high-frequency power amplifiers are two types of narrow-band high-frequency power amplifier usually has a frequenc

8、y-selective filtering effect of frequency-selective circuit as the output circuit, it is also known as tuned power amplifier, or resonance power amplifier; broadband high-frequency power amplifier output circuit is a transmission-line transformer other broadband matching circuits, so called non-tune

9、d power amplifier. High-frequency power amplifier is an energy conversion device, the DC power supply will be converted into high frequency AC power output. Most high-frequency power amplifier work in Class C.Key words: C high-frequency amplifier power and efficiency of frequency-selective circuit1

10、高频功率放大器概述在低频电子线路中，为了获得足够大的输出功率必须采用低频功率放大器。这种低频功率放大器一般工作在甲类或是乙类（推挽输出）或甲乙类的放大器，效率不会超过78.5%，同样的在高频电子线路中，为了获得足够大的输出功率，也必须采用高频功率放大器。不过，由于高频功率放大器的特殊性，高频功率放大器既可以工作在甲类或甲乙类状态，也可以工作在丙类或是丁类甚至是戊类，效率可以高过78.5%，比如在调幅信号发射机中，高频功率放大器把已调波的功率放大到足够的大，使调幅广播计划的覆盖地区能够正常的接听。在通信方面，常常也需要高频功率放大器如闭路电视。由此可见，高频功率放大器是通信发送设备的重要组成部分

11、，广泛应用在发射机、高频加热装置和微波功率源等待脑子设备中。高频功率放大器有窄带和宽带放大器两种。窄带高频功放常采用具有选频功能的谐振网络作为负载，所以又被称为谐振功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器常工作于乙类或是丙类状态。带宽高频放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，它可以实现功率合成。由于不采用谐振网络，因此这种高频功率放大器可以在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐。高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率、功率增益。带宽和谐波抑制等。这几项指标往往是相互矛盾的，对于不同应用，要有所兼顾。它的主要技术指标是输出功率和效率。由于高频功率放大器的输出功率比较大，耗能比较多，所以

12、工作效率就显得比较重要。放大器的基本原理都是利用输入基极或栅极的信号区控制集电极或是漏极或阳极的直流电源，让这个直流电源输出的功率转变为与输入信号频谱结构相同的输出信号的功率。显然，这个转换的效率不能到100%，因为电子元器件本身还要消耗功率，比如电阻、晶体管、场效应管、电子管等。事实上，这个直流电源输出的功率一部分转化为了交流输出，另一部分主要以热能的形式被集电极或是漏极或阳极所消耗。称为耗散功率。工作效率的提高意味着更加的节能。1.1 基本原理框图高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。利用选频网络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。随着现代通信技术的日益发展高频放

13、大应用的领域也越来越广。在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要的技术攻关项目。特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标。所以本次课程设计我选择高频功谐振率放大器。如图1-1所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1为隔直流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。其中天线等效阻抗，作为输出负载。与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。图1-1高频功放基本原理框图谐振式高频功率放大器的特点是：为了提高效率，放大器常

14、工作于丙类状态，晶体管发射结为反向偏置，由Eb（VBB）来保证，流过晶体管的电流为余弦脉冲波形；负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。1.2 放大器工作状态特点 根据放大器的导通角的范围可以分为甲类、乙类、丙类、丁类等功放。电流导通角的大小和效率有关系如下表2-1所示:表2-1 各类功放特点工作状态半导通角理想效率负载应用甲类18050%电阻低频乙类9078.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90-18050%-78.5%推挽低频丙类90大于78.5%选频回路高频丁类开关状态90%-100%选频回路高频高频功率放大器一般工作在丙类，属于非

15、线性电路。丙类的效率可以达到80%左右。丙类功放作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的输出效率。在这次的课程设计的技术指标输出功率Po500mw来看，末级功放可采用甲类或丙类功率放大器，但要求总效率50%，显然，只用一级甲类功放是不能达到目的的，故采用两级功率放大器，第一级采用甲类功率放大器，第二级采用丙类功率放大器。.2 设计原理2.1 整体介绍基本部分组成，即电子管、谐振回路和电源。电子管在放大器中起着把直流能量转换为交流能量的作用；谐振回路是电子管的负载；电源供给电子管各电极电压，它们共同保证电子管的正常工作。 放大器有两个主要电路：板极电路和栅极电路。板极电路包括并联振荡回路和

16、直流板极电压Ea的馈电电路。振荡回路由电感L1、电容C1和电阻r组成。电路中C1为高频旁路电容，L1为高频阻流圈。在栅极电路中加入直流偏压Eg，一般Ea为负值。电路中C2和L2分别是栅极回路的高频旁路电容和高频阻流圈。2.2 谐振放大器基本原理如下图2-2所示丙类功放基本电路图所示:图2-1 丙类功放基本电路图丙类功放的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在射级电阻R上产生的压降来提供，故称为自给偏压降电路。在电路中： （2-1） （2-2）当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极电压控制的板流脉冲，脉冲波形如图3-1所示。ia是周期性函数，由数学知识可知，它可用傅氏级

17、数来表示。可见，板极电流等于直流分量Ia0、一次谐波(基波)、二次谐波和其他高次谐波之和。当放大器的输入信号 为正弦波时，集电极的输出电流 为余弦脉冲波，但只有在欠压或是临界状态下才是尖顶余弦脉冲，如下图所示: 图2-2 尖顶余弦脉冲波形若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数即： （2-3）其中各系数应满足： （2-4）其中、等系数满足的波形如下图：图2-3 尖顶脉冲波的分解系数由图，兼顾功率与效率，一般高频功率放大器导通角选在70左右。此时的效果最佳。可以达到80%左右。2.3 电路动态特性当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压Ub，输入电压C确定后，如果电容导通角确定，则放大器的工作状态只取决于集

18、电极回路的等效负载电阻Rp。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。图 2-4 谐振功率放大器的负载特性 激励电压ugUgcost是随时间而变化的。当Eg、Ea、Roe保持不变时，激励电压振幅Ug的变化对工作状态将产生影响：当Ug0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。 当Ug由零开始增加，且egEg十UgEg时，板ia开始导通，在eg0时，栅流为零，显然此时为欠压状态。 Ug继续增加，且egEg十Ug0时，栅流ig开始出现，并随Ug增加而增大。所以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变Ug大小，就可以改变工作状态。 当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压Ub，输入电压C确定

19、后，如果电容导通角确定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rp。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。图 2-4 谐振功率放大器的负载特性 激励电压ugUgcost是随时间而变化的。当Eg、Ea、Roe保持不变时，激励电压振幅Ug的变化对工作状态将产生影响：当Ug0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。 当Ug由零开始增加，且egEg十UgEg时，板ia开始导通，在eg0时，栅流为零，显然此时为欠压状态。 Ug继续增加，且egEg十Ug0时，栅流ig开始出现，并随Ug增加而增大。所以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变Ug大小，就可以改变工作状态。 图2-5

20、 Ug变化对工作状态影响的三组曲线在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波形。为实现不失真放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的已调波信号。在这种信号作用下，功率管集电极电流波形为接近余弦的脉冲序列，用傅氏级数将它分解为平均分量，基波分量和各次谐波分量之和，输出滤波匹配网络取出基本波分量，滤除其它无用分量，就能在负载上获得不失真的输出信号。同理，在功率管输入端，基极电流也是失真脉冲序列，通过输入匹配滤波网络的滤波作用，加到功率管输入端的为不

21、失真的信号电压。与非谐振功放一样，在特定的偏置条件下，对应于特定大小的输入信号，功率管有一最佳负载，这时，谐振功放的输出功率最大，效率也较高。因此滤波匹配网络除了滤波作用外，还起到匹配作用，即将输出负载（往往是非电阻性负载）变换为功率管所需的最佳负载。总之，谐振功放是在限定输入信号波形的情况下，通过滤波匹配网络，使输出负载上得到所需的不失真功率。3 单元电路设计与参数计算3.1 设计要求及思路电路的主要技术指标：输出功率Po125mW，工作中心频率fo=6MHz，65%。 已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm =1W,Icm = 750mA,VCE

22、S= 1.5V,fT = 70MHz,hfe 10，功率增益Ap13dB（20倍）。从输出功率Po125mW来看，末级功放可采用甲类或丙类功率放大器，但要求总效率 65%，显然，只用一级甲类或是丙类功放是不能达到目的的，故采用两级功率放大器，第一级采用甲类功率放大器，第二级采用丙类功率放大器，丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，所以一般选用临界状态。在晶体管功率放大器中，可以通过改变激励电压、基极偏压、集电极负载、集电极直流供电电压来改变放大器的工作状态。3.2 丙类功率放大器的设计及参数计算丙类功率放大器的电路组成如下图3

23、-1：图3-1 丙类功放电路图3.2.1确定放大器的工作状态对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700，查表得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为： 集电极电流脉冲的最大振幅为：集电极电流脉冲的直流分量为：电源提供的直流功率为： 集电极的耗散功率为： 集电极的效率为： 根据设计要求，已知 即，则输入功率：基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10）： 基极基波电流的振幅

24、为： 得基极输入的电压振幅为： 3.2.2 基极偏置电路计算因为 ，则基极偏置电压： 因为 ，则射极电阻： 高频旁路电容取3.2.3 谐振回路与耦合线圈的参数计算丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻RbbVbVe，满足晶体管的放大管放大条件，即为甲类放大器的直流工作状态特点；第二级丙类功放，测得晶体管静态时基极偏置为0。5.2末级谐振功率放大器（丙类）仿真1、输出波形仿真在输入端口，输入频率为fo=6MHz,峰-峰值为80-100mV的等幅波，适当改变频率，找到谐振频率。用示波器观测输入波形和输出波形。图5-1 输出波形分析波形：通过计算示波器的数值（电压幅值），可以看

25、出输出波形放大了。甲类放大得到的波形，应该还是个正弦波，第一次仿真出来的波形，是底部被切割的波形，修改了频率参数，波形有所改善。2、丙类功率放大器波形仿真测量丙类功放管集电极的输出波形：图5-2 BG2集电极输出波形（1） 图5-2 BG2集电极输出波形（2）分析波形：通过理论分析，丙类放大管的集电极输出波形应该为一个尖顶余弦脉冲。波形（1）是初次调试时得到的波形，可以看出，波形的底部已经有所变化，但不是完美的余弦脉冲，波形（2）是通过改变了部分参数得到的波形。5.3 仿真遇到的问题1、高频功率放大器，是较为普遍的一个电路设计，可以有很多的方法。在通信电子电路设计的时候，丙类放大器的输出回路是

26、LC谐振回路。这一次，是采用变压器耦合方式。但是在multisim的仿真库里，相关的变压器参数不好设置。和同学一起研究，在网上找资料，至今还没能很好的设置变压器的参数，使得电路达到原本的设计要求。但是，大致能实现电路功能。2、电路设计后，刚开始仿真时，首先是测量晶体管的静态偏置，两个晶体管，都分别在甲类、丙类工作状态。但是，在输入高频信号后，并不能得到理想的波形。在第二级的晶体管集电极，得到的波形并不是一个理想的尖顶余弦脉冲。返回去检查第一次甲类放大的输出波形，发现正弦波并不平缓。通过修改滤波电容，得到了改善。但波形还是不是很美观。3、做仿真的时候，应该是写真回路处于谐振状态，即集电极的负载阻

27、抗为纯电阻，猜想电路不能很好的进行仿真，可能是电路失谐了。查找资料，找到解决方法，为保证晶体管安全工作，调谐时，先将电源电压+Vcc降低到规定值的1/1-1/3，微调电路参数，在回路写真时，末级输出电压应该最大，切示波器监测的波形为不失真基波。通过这样的方法找到谐振点。电路开始正常工作了。4、对于电路得到波形，与理论计算推导的不完全符合，除了，选取的相关元器件并不是最理想的元器件外，可能是技术振荡之类的影响。通过查阅书籍和相关之类，找到了解决的办法。消除参量自激型的办法是在基极或发射极介入防震电阻（几欧姆至几十欧姆），或引入适当的高频的电压负反馈，或降低回路的Ql值等；而消除高频几声振荡的有效

28、本办法是，尽量减少引线的长度、合理布局元器件或基极回路介入防震电阻（这个在软件仿真里不会有影响）。5、第二次对电路仿真的时候，不能得到起初得到的比较好的波形，一直都是不规律的谐波之类。又再次调整电路参数，但还是没有得到改善。对仿真软件不够熟悉，不能更好的运用软件有事一方面要进一步提高的。6 总结与体会 高频课程设计在通信电子线路设计之后，之前就做过了高频功率放大器，并相应地焊了电路板。当时在考试期间，并且是团队合作，工作量比较低。这一次自己做高频的课设，相关的资料、参数计算和电路设计。本次课程设计的题目是设计满足一定要求的高频功率放大器，由于在高频电子线路中已经接触过高频功率放大器，并对它的功

29、能以及技术指标有了一定得了解。在拿到题目后，我没有停止过学习高频功率放大器，一直在寻找一种最佳设计方案得出符合要求的电路图。但是在这过程中自己遇到很多的困难，虽然对高频功率放大器已经有了很大了解，但这些只是一个很笼统的概念，不能解决自己在设计过程中遇到的问题。因此，我结合已有的高频功率放大器的理论知识并不断地上网查资料，不断的请教周围的同学或是老师，自己一旦发现问题一定及时的解决问题。在这其中，遇到了很多问题，小到在仿真库里找不到相应的元件，大到仿真得不到输出波形。不断地在网上寻找资料，咨询同学，有时候，真的是焦头烂额了。但还是得坚持做下去，检查电路，修改参数，重复计算，反反复复不下十次了。最终得到了想要的波形，虽然不是特别的理想，但是大致完成了任务了。这样的时间，的确很紧张，熬夜，早起，一直在电脑和课本间反复推敲。自己动手设计电路，才能更加深刻的体会的电路各个元器件的作用。从中，获得更多的知识。 参考文献 1 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993 2 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000 3 高吉祥. 电子技术基础实