高频谐振功率放大器设计武汉理工大学

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目 五：高频谐振功率放大器设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计2、电源电压Vcc 12V，采用NXO100环形铁氧体磁芯，3、工作频率f06MHz 4、负载电阻RL 75时， 输出功率P0100Mw， 效率>60

2、5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。时间安排： 二十周一周，其中3天硬件设计，4天软、硬件调试及答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1高频功率放大器的介绍11.1高频功率放大器的主要特点11.2高频功率放大器的工作状态11.3高频功率放大器的基本电路结构21.4 高频功率放大器的主要外部特性21.5 高频谐振功放电路工作原理42高频功率放大器电路及分析62.1丙类功率放大器的理论分析62.1.1确定放大器的工作状态72.1.2 基极偏置电路计算72.1.3 谐振回路与耦合线圈的参数计算72.1.4 电源去耦滤波元件选择82.2甲类

3、功率放大器的理论分析83高频功率放大器的仿真调试103.1原理图103.2丙类功放原理图103.3 仿真结果与说明114实物的制作与调试124.1高频功率放大器装配图124.2高频功率放大器背面图124.3调试结果与分析135心得体会14参考文献15附录1161 高频功率放大器的介绍在无线电广播和通信发射机中，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的功率输出，而且通信距离越远，要求输出功率越大。所以为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器的实质是将直流电源供给的直流功率转换为交流输出功率，在转换过程中，不可避免地存在着能量的损耗，这部分损耗的功率通常

4、变成了热能。若损耗功率过大就会使功率放大器因过热而损坏。因此，功率放大器研究的主要问题就是如何提高效率，减小损耗及获得大的输出功率。1.1高频功率放大器的主要特点(1)工作频率高，相对频带窄；(2)采用选频网络作为负载回路；(3)放大器一般工作在丙类工作状态，属于非线性电路；(4)工作于大信号的非线性状态，用解析法分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其原理和工作状态。1.2高频功率放大器的工作状态高频功率放大器的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等。本次高频谐振功率放大器的设计前一级为甲类，后一级为丙类。表1-1为高频功率放大器在不同工作状态时的特点。表1-1 不同工作状态时放大

5、器的特点工作状态半导通角理想效率负载应用甲类80°50%电阻低频乙类90°78.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90°-180°50%-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%选频回路高频提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选

6、频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。1.3高频功率放大器的基本电路结构如图1-1所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路

7、工作在丙类工作状态。 图1-1 高频功率放大器基本电路1.4 高频功率放大器的主要外部特性 当激励源（Uim)、负载(RL)或直流电源(UBB、UCC)发生变化时，都会影响到功放的工作状态，改变输出功率与效率；将外部参量变化时对功率放大器工作状态及性能指标的影响称为外部特性，包括负载特性RL的影响，放大特性Uim 的影响，调制特性UBB、UCC的影响。(1) 负载特性：、不变， 改变，。当负载电阻由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。图1-2 谐振放大器的负载特性(2) 集电极调制特性：、不变，改变。当集电极供电电压由小至大变化时，放大器的工作状态由过

8、压经临界转入欠压。在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随的减小而下降，故输出功率也随之下降。在过压区中输出电压随改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变来实现调幅过程的。图1-3 谐振放大器的集电极调制特性（3） 基极调制特性： 、不变，变化。当自负值向正值增大时，管子的导通时间加长， 使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。图1-4 谐振放大器的基极调制特性(4)放大特性： 、不变，变化。当自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入

9、过压状态。图1-5 谐振放大器的放大特性1.5 高频谐振功放电路工作原理 放大器工作时，设输入信号电压：，则加到晶体管基极，发射级的有效电压为: 由晶体管的转移特性曲线可知，如图所示：图1-6谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线 当时，管子截止，当时，管子导通，式中：为折线的斜率，所以有：。即功放输出的为一连串不连续的余弦脉冲。高功放为什么能不失真地放大信号呢？因为尖顶余弦脉冲的数学表达式为：,若对傅里叶级数分解，即：由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波（基波、二次谐波，直至n次谐波）分量所构成，利用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基波频率, 尽管在集电极

10、电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为: 集电极电源EC供给的直流输入功率为： ，其中 ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。集电极效率C为输出高频功率Po与直流输入功率PI之比，即：2高频功率放大器电路及分析 本次高频谐振功率放大器的设计前一级为甲类高频谐振功率放大器，后一级为丙类高频谐振功率放大器。此次分析以逆向分析的思路对参数进行选择，以性能指标为基础设

11、计单元电路。图2-1 高频功率谐振放大器参考电路2.1丙类功率放大器的理论分析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200mW 图2-2 高频功率放大器后一级电路2.1.1确定放大器的工作状态 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： 已知 即，则输入功

12、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为： 得基极输入的电压振幅为： 2.1.2 基极偏置电路计算 由 ，则 由，则射极电阻： 高频旁路电容取:2.1.3 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Rbb<25,则输入阻抗：87.1则输出变压器线圈匝数比为： 1这里，我们假设取N3=8和N1=8若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则7.5H用10mm×6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，其中：=100H/m , A=, =25mm, L =7.5H 有， 23图2-3 变压器部分

13、2.1.4 电源去耦滤波元件选择 高频电路的电源去耦滤波网络通常采用型LC低通滤波器，滤波电感。滤波电容可按经验取100F，滤波电感取220H。2.2甲类功率放大器的理论分析本次高频谐振功率放大器的设计前一级为甲类高频谐振功率放大器。甲类高频谐振功率放大器作为缓冲级，作用是为后一级的丙类高频谐振功率放大器提供匹配、有效的输入。 图2-2 高频谐振功率放大器前一级电路图 因为甲类功率放大器输出功率等与丙类功放的输入功率，即：PH=P1=10mW 输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH=87.1，设变压器效率取0.8：则集电极输出功率：甲类功率放大器的输出功率：PH = P1 =10mW若

14、取放大器的静态电流：ICC=ICM=7mA,则集电极电压振幅：UCM=2PC/ ICM=1.79V最佳负载电阻为：则射极直流负反馈电阻：100 (ICM)则输出变压器线圈匝数比：0.34，取N1=8，N2=23设置静态工作点时，Rb1=1.5K,Rb2为10K的可调电阻。3高频功率放大器的仿真调试3.1原理图 图3-1 原理图 说明：因为电感部分是变压器，故无法仿真，于是我画出了丙类放大器的电路图并仿真，最后直接制作实物并进行调试。3.2丙类功放原理图图3-2 丙类工作状态图3.3 仿真结果与说明 图3-3 丙类工作状态的仿真图 结果说明：设电容为100PF，功率放大器谐振在6MHZ，则电感算

15、得为7.04uH。示波器中，上面的正弦波表示的是输出信号，下面的正弦波表示的是输入信号。通过示波器可以观察到，输入信号的峰峰值为3Vpp，输出信号的峰峰值为24Vpp，放大倍数为8倍，实现了功率放大的作用。4实物的制作与调试4.1高频功率放大器装配图图4-1 高频功率放大器装配图4.2高频功率放大器背面图图4-2 高频功率放大器背面图4.3调试结果与分析图4-3 高频功率放大器输出波形图 在实验室进行调试，用信号发生器输入6MHZ，峰-峰值为1V的正弦信号，示波器接到高频功率放大器的输出端。调节可变电容和滑动变阻器，观察示波器上的波形，当幅值最大时，表示电路谐振。如图所示，从示波器观察到稳定输

16、出的正弦波信号，峰-峰值为9.04V，放大倍数为9倍，谐振频率为6.024MHZ，基本达到了本次课程设计的要求。5心得体会 这一次我设计和制作的是高频谐振功率放大器，因为有了上学期模电课程设计的基础，所以这一次会感觉比上一次有所进步。不过在一周内做完两个课程设计，还是感觉时间紧、任务重。虽然距离高频考试已经过了一段时间，通过这次课程设计，我对高频谐振功率放大器的认识又进了一步。其实，我觉得学习到的任何知识都不应该只以考试作为最终的目的，关键是能学以致用，培养动手能力，我感觉自己的动手能力还有待加强，所以我认真对待每一次的课程设计，希望能将书本上死的知识，灵活地运用出来。 虽然去年用过multi

17、sim软件，但是由于选取的一些元件参数的不够准确，导致仿真结果不够理想。后来，我和选到相同题目的人进行了讨论，在大家的共同努力下，将这个问题解决了。后来，我们到电子市场去买元件，本来以为对照图去买元件挺简单的，可是还是遇到了一些麻烦。最近大家都忙着课程设计，买东西的人也特别多，还是花了很长时间的。接下来，就是焊板子了，这几天都是在实验室焊的板子，焊完了之后就进行了调试，测试过程比预期的要顺利。之前，一直对自己焊接这方面没什么信心，不过这一次算是增长了不少自信吧。总的来说，这一次课程设计还是收获颇丰的。首先在对线路进行设计的过程中，巩固了有关模拟电路和高频电子线路的理论知识，夯实了理论基础；其次

18、，在电路设计中，培养了自己独立思考，寻找解决方案的能力，与此同时，加强了自己思维的锻炼，我想这对今后的学习与工作都大有裨益的；再次，增强了自己查找资料，通过对大量文献的查找，解决自己的问题。此外，还进一步增强了自己撰写实验报告的能力；最后，加强了对团队精神的理解，通过分组实践，了解到合作精神在工程设计中的重要性。 希望这次的经验能为将后来的学习生活带来一些帮助。参考文献1 刘泉. 通信电子线路. 武汉理工大学出版社，2005.12 曾兴雯. 高频电子线路. 高等教育出版社出版，2009.113 陈永泰. 通信电子线路. 武汉理工大学出版社，2011.104 张新喜.Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，2010.25 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 华