高频功率放大器的设计及仿真

1、东北大学秦皇岛分校电子信息系综合课程设计高频功率放大器的设计及仿真专业名称电子信息工程班级学号 5081112学生姓名 姜昊戾指导教师邱新芸2011.06.202011.07.01设计时间课程设计任务书专业：电子信息工程 学号：5081112 学生姓名（签名）：设计题目：高频功率放大器的设计及仿真一、设计实验条件Multisim 软件二、设计任务及要求1 .设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po> 125mW,工作中心频率 fo=6MHz , > >65%;2 .已知：电源供电为12V,负载电阻，RL=51Q,晶体管用2N2219,其主要参 数：Pcm=1W,I

2、cm=750mA,VCES=1.5V, fT=70MHz,hfe > 10,功率增益 Ap > 13dB （20 倍）。三、设计报告的内容1 .设计题目与设计任务（设计任务书）2 .前言（绪论）（设计的目的、意义等）3 .设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）4 .结束语（设计的收获、体会等）5 .参考资料四、设计时间与安排1、设计时间：2周2、设计时间安排：熟悉实验设备、收集资料：2天设计图纸、实验、计算、程序编写调试：4天编写课程设计报告：3天答辩：1 天1 .设计题目与设计任务（设计任务书）1.1 设计题目高频功率放大器的设计及仿真1.2 设计任务要求设计一个技术指标为输出

3、功率 Po> 125mW,工作中心频率fo=6MHz ”>65%的高频功率放大器。2 .前言（绪论）我们通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以按照电流的 导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态。甲类放大器电流 的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于 180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的 导通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的。 高频功率放 大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大， 因而只能用于采用调

4、 谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压 仍然极近于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大 的功率放大。综上，确定此高频电路由两个模块组成：第一模块是两级甲类放大器；第二 模块是一工作在丙类状态的谐振放大器， 它作为功放输出级，最好能工作在临界 状态。此时，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳 工作状态。3 .系统原理3.1 高频功率放大器知识简介在通信电路中，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，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功 率，必须

5、采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部 分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等, 获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于 高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机 中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的 应用。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对

6、频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz, 高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高 频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万 MHz）,但 相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535 1605 kHz的频段范围）的频带宽度 为10 kHz,如中心频率取为1000 kHz,则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。 中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同： 低 频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放 大器则一般都

7、工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。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或其他宽带匹配 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。3.2 电路工作原理利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常用宽带变压器有用高频 磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。 宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的

8、频率范围内获得线性放大，但效率很低，一般只有 20%左右，一般作为发射机的 中间级，以提供较大的激励功率。在高频电路中，利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大 器电流导通角6c （0一冗）的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角也越小放大器的效率越高。如丙类功放的 8小于90°,丙类功放通常作为发 射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。谐振功率放大器的特点：(1)放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。(2)输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。(3)基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在

9、丙类状态。(4)输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。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LCg晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图3-1所示。图3-1功率放大器各分压与电流关系由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲。由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波(或正弦波) 的叠加。 可以将电流分解，如公式(1.1)。(1.1)ic(t) I c0 I c1m I c2 mCos2 t I cnm Cosn t1coic1mle2mIcnm分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波

10、分量的振幅图3-2 I c各次谐波的波形示意图在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几 项。利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出各直流分量及各次谐波分量。下面仅列出前面几项的表达式，如公式(1.2), (1.3),(1 Sin CosI c0 ic maxic max 01 Cos1 Sin Cosc1 m i c maxi c max 11 Cos1.4), (1.5)。(1.(2)(1.(3)2(1.(4)3(1.(5)基波分量及各次谐波 因此，在谐振放大icmax Sin2 Cos 2Sin CosIc2mi c max3 1 Cosicmax Sin3

11、Cos 3Sin Cos I c2mi c max12 1 Cos只要知道电流脉冲的最大值和导通角即可计算出直流分量、 分量。各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。 器中只需研究直流功率及基波功率。3.3功率放大器的负载特性如果VCC VBB VB 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图3-3所示。图3-3电压、电流随负载变化波形放大器的输入电压是一定的，其最大值为 Vbemax,在负载电阻RP由小至大变 化时，负载线的斜率由小变大，如图中1一2一3。不

12、同的负载，放大器的工作状 态是不同的，所得的Ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。临界状态时负载线和Vbemax正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线 状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态时B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据 Vc=RpIc1, 放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻 RP的增大而增大，其输出功率、 效率的变化也将如此。过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ici要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载 阻抗变化而变化，因此较少采

13、用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。过 压状态的优点是，当负载阻抗变化时， 输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压 时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采 用这种状态。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图3-4所示。图3-4谐振功率放大器的负载特性曲线4.高频放大器相关参数简单计算4.1甲类谐振放大器参数计算依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性，可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。(1)设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流Icq一般0.82mA之间选取为宜。设计电路中取:Ic=1.5mA ; Re

14、=1KQ可得重要参数:Vbq=Veq+Vbeq=1.5V+0.7V=2.2VVceq=V cc-V eq=12V-1.5V=10.5VRb2=VBQ/10lBQ=2.2V/0.3mA=7.3 K Q(2)谐振回路参数计算回路总电容:Cz=1/(2 f0)2L=150.35pf图5-1一级甲类放大电路设计回路电容:C=Cz-(pi2*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf(3)确定其它电容参数耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf 0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。旁路电容Ce、C3、C4的取值一般为0.011uf4.2丙类功放参数计算确定功放的工作状态丙类高频功

15、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，为尽可能兼顾 输出大功率、高效率，一般选用临界状态。丙类功放8 =60。-90。，这里为方便计算，设 出二70。可得集电极电流余弦脉冲直流ICO系数00(70。)=0.25,集电极电流余弦脉冲基波ICM1系数ai(70 )= 0.44设功放的输出功率为0.5W。(1)集电极参数计算集电极电流脉冲的直流分量电源提供的直流功率：集电极的耗散功率：集电极的效率：(2)基极参数计算基极基波电流的振幅基极输入的电压振幅(3)电源去耦滤波元件选择Ico=Icmax* 如(0c)=216*0.25=54mAPd

16、=VccIco=12V*54mA= 0.65wPc=Pd-Po=0.65w-0.5w=0.15wt=Po/Pd=0.5/0.65=77%lB1m=lBm* od(70 )=9.5mAVBm=2Pi/IB1m=5.3V高频电路的电源去耦滤波网络通常采用冗型LC低通滤波器，滤波电感可按经验取50-100UH,滤波电感一般取0.01ufo5 .高频功率放大器电路设计5.1 甲类谐振放大器根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图5-1所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管 Q1工作在甲类状态，其中L1、L2、C3、C4、 R5构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相

17、同的频 率，在调谐回路中并联一电阻R,减小回路品质因数从而加宽通频带。 If- r 1 e :ir, e ! b i r in s Err , i r i t r t i iri , r i_ e_ s r r 7 n r e 'a ''- ' * ' - * * . ' R ' 11' * * ' R ' 81 a " .' - ' * a a * ，n ， *a ；，n，, 七，I« rir tain r ir tsin rirsriet hi i -isi nri- iei

18、nri " e ir!r " |为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图5-2所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。1H -L5正图5-2两级甲类放大电路设计5.2 丙类高功放由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图3-2-3所示。 WCC 一-12V-3 ci1二 II1.5nF图5-3丙类功放原理图-II TOOnFXSCJ1-尸f和VEW ： (,6.6MHz7二-y b5.3 总体电路图设计设计的总体电路图如图5-4所示图5-4高频功率放大器设计总图6 .电路仿真6.1 所用软件M

19、ultisim简介随着计算机技术飞速发展，许多电路设计都可以通过计算机辅助分析和仿真 技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻了工作量。其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教 学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数 据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA工具软件。作为 Windows下运行的个人桌面电 子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim的特点：(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制

20、电路 所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了 EWB的元器件库， 包括基本元 件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部 件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过 liT公司 网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。(3)丰富的测试仪器： 除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双 通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，

21、Multisim新 增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与 EWB不同的是， 所有仪器均可多台同时调用。(4)完备的分析手段：除了 EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态 分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点 零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外， Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和 射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。网络分析仪和频谱分 析仪。(5)强大的仿真能力：Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真， 也可进行数模混合仿真，尤其是新增了

22、射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时 会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。本次课程设计电路就是利用 Multisim软件进行绘图并仿真的。6.2 仿真测试电路仿真测试电路如图6-1所示，其中示波器1通道测输入信号源波形，2通道 测一级甲类放大电路输出波形，3通道测二级甲类放大电路输出波形，4通道测 丙类功放的最终输出波形。当可变电容 C3调到70%, C6调到45%时，输出波 形较为稳定，放大效果较好。此时可发现 LED发光，表示功率放大器正常工作， 即电压合适。图6-1仿真测试电路6.3 仿真波形6.3.1 输入信号仿真波形输入波形信号如图6-2所示，由仿真示波器

23、可以看到输入信号是一个频率为1.1.1 Hz,峰峰值为99.8mv的正弦波信号。LbrMFASURFQg亡Hl SOrnVCHI NoneCHIHIahaCHI He-He 33.8mVCHI MontCHI pgq J MMs00000CH4/jS5 N"图6-2输入信号1.1.2 一级甲类放大波形经过第一级甲类放大器后输出波形如图6-3所示，其峰山!值增大到527mv,将输入信号电压放大了。图6-3 一级放大后波形00001.1.3 两级甲类放大波形经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为1.61v,如图6-4所示口o1匚图6-4两级放大后波形1.1.4 最终输出波形信号最终经过

24、丙类放大器放大，峰峰值变为11.4V,提高其功率与效率，仿真波形如图6-5所示ID4G-ITAL fOf CILLO fMEASUREM ?nrinsCH4 WCHICHINm gCHI Msn.CHMiFlk-FIk 1114V邙Fraq 1 4.U/MHE7 .结果分析由于高频放大器由甲类，丙类混合组成。实验需要将仿真测试电路主机调试， 直到出现稳定，理想的正弦波为止。在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量， 经与同学 讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题， 这就需要对 电路再进行静态工作点的测量分析；另一方面可能是选频、滤波回路 L、C等参 数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务 要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了， 最终输出也大大提高了输 出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。8 .心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解