高频谐振功率放大器设计要点

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书课程设计任务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nx3 100环形铁氧体磁芯，3、工作频率f0=6mhz4、负载电阻rl = 75 q时， 输出功率ra100mw 效率刀60%5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总时间安排：二十周一周

2、，其中3天硬件设计，4天软、硬件调试及答辩。指导老师签名年 月日系主任（或责任老师）签名：年 月日摘要i1高频功率放大器简介11.1 宽带功放11.2 丙类功率放大器42单元电路的设计62.1 丙类功率放大器的设计62.2 甲类功率放大器的设计82.3 电路仿真93电路的安装与调试 104课程设计心得体会 12参考文献14附录1 152武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书摘要高频功率放大器用于发射机的末级，作用是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。高频功率放大器是通信系统

3、中发送装置 的重要组件。放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360。，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角 约等于180° ;丙 类放大器电流的流通角则小于180°。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三种工作状态中最高者。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，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调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。高频功率放大器在很多领域和方面都有应用，并且涉及到很多 方面的知

4、识点，则在此次设计中我们可以掌握高频宽带功放与高频谐振功放的设计方法， 电路调谐及测试技术；负载的变化及激励电压，基极偏置电压，集电极电压的变化对放大 器工作状态的影响；了解寄生振荡引起的波形失真及消除寄生振荡的方法；并且可以了解 并掌握仿真软件的应用。关键词：高频谐振功率放大器谐振回路 耦合回路工作状态2abstractthe high frequency power amplifier uses in transmitter's last stage, the function is carries on the high frequency modulated wave sign

5、al the power amplification. satisfies the sending power the request, then radiates after the antenna it the space, guaranteed that the receiver may receive satisfaction in certain region the signal level, and does not disturb adjacent channel's correspondence. the high frequency power amplifier

6、is in the communications system the transmitter installation important module. the amplifier may defer to the electric current breakover angle the difference, divides into the armor, the second grade, the third three kind of active status it. the class a amplifier electric current's angle of flo

7、w for 360, is suitable for the small signal low power enlargement. the class b amplifier electric current's angle of flow approximately is equal to 180; the third kind of amplifier electric current's angle of flow is smaller than 180. th e class b and the third kind are suitable for the high

8、 efficiency work. the third kind of active status's output and the efficiency are in three kind of active statuses the highest. the high frequency power amplifier mostly works yu binglei. but the third kind of amplifier's current waveform distorts is too big, thus cannot use in the low frequ

9、ency power amplification, can only use in using the tuning circuit to take the load the resonance power amplification. because the tuning circuit has the filter capacity, the loop current and the voltage extremely nearly in the sinusoidal waveform, the distortion were still very small. the high freq

10、uency power amplifier has the application in many domains and the aspect, and involves to many aspect knowledge spots, we may grasp the high frequency wide band power amplifier and the high frequency resonant power amplifier design method in this design, the electric circuit harmonious and the test

11、technology; load change and excitation voltage, base electrode bias voltage, collector voltage change to amplifier active status influence; the understanding parasiteic oscillation causes the wave distortion and eliminates the parasiteic oscillation the method; and may understand and grasp simulatio

12、n software's applicatio武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书1高频功率放大器简介高频功率放大器用于发射机的末级，作用是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。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

13、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 出在 低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲类（导通角 二360度）、乙类（导通角=180度）、甲乙类（导通角=180度360度）。1.1 宽带功放tx2-o图1-2宽带功放电路图201.1.1 静态工作点如图1-2所示，晶体管q1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中 rb1、rb2 为基极偏置电阻；re1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。rf1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列关系式确定：ueq=ieq（r

14、m+re1 比 icqre1（公式 1-1 ）式中，rf1 一般为几欧至几十欧。1cq = p i bq（公式 1-2）cqbqubq =ueq +0.7v（公式 1-3）1.1.2 甲类功放的负载特性如图1-2所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定，两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放强交流输出功率 p0可表示为：p0=ph/"b（公式 1-4）式中，ph'为输出负载上的实际功率，刀b为变压器的传输效率，一般为 “b=0.750.85。图1-3甲类功放的负载特性图1-3为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点q应选在交流负载线ab的中点，

15、此时集电极的负载电阻rh称为最佳负载电阻。集电极的输出功率 pc的表达式为:1.1 ucm u cm i cm -二 22 rh（公式1-5）式中，ucm为集电极输出的交流电压振幅，icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别u cm = u cc icq re1 -u ces（公式1-6）式中，ucesw为饱和压降，约1vi cm " i cq如果变压器的初级线！皿数为n1,次级线圈匝数为n2,则n1 brh=;n2rh（公式1-7）（公式1-8）式中，rh'为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗1.1.3 宽带功放的功率增益与电压放大器不同的是功率放大器应有一定

16、的功率增益，对于图1-1所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益ap的表达式为ap =po p（公式1-9）其中，pi为放大器的拆入功率,它与放大器的输入电压 uim = 2 ri piuim及输入电阻ri的关系为（公式1-10）式中，ri又可以表示为rhie1 hfe rf1（公式1-11）式中，hie为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻rbb1。hfe为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起 见可取晶体管直流放大系数b。1.2丙类功率放大器q2n2220ce0.0

17、1uf0rl1kvccvi|1ufvoff=0v ：、vampl = 10mvfreq = 5meghz0图1-4丙类功放电路图1.2.1丙类功放基本关系如图1-4所示，丙类功率放大器的基极偏置电压 ube是利用发射极电流的直流分量ieo (-ico)在射极电阻re2上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号山为正弦波时，则集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路l2c3的选频作 用可输出基波谐振电压uc1,电流ic1。图1-5画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电（公式1-12）流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式: uc l m_ i c l mo+公图1-5

18、丙类功放的基极、集电极电流和电压波形式中，ucm为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；i c1m为集电极基波电流振幅;ro为集电极回路的谐振阻抗。11 21 uc1m（公式 1-13）pc =tuc1mi c1mic1mro 二二222 rpd - ucc i co式中，pc为集电极输出功率（公式1-14）式中，pd为电源ucc供给的直流功率，ico为集电极电流脉冲ic的直流分量(公式1-15)电流脉冲ic经傅立叶级数分解，可得峰值icm与分解系数4(的关系式1 cm = 1 cmi c = ic0 cm2单元电路的设计2.1 丙类功率放大器的设计2.1.1 放大器工作状态的确定因为要求获得

19、的效率刈60%,放大器的工作状态采用临界状态，取日=70°,所以谐振回 路的最佳电阻为2(u cc - u ces)= 3_cc_cesl =551.25 q2p0集电极基波电流振幅ic1 m2019a集电极电流最大值为cmc1m /、=0.019/0.436=43.578ma-i(70 )其直流分量为ico= icm* = 0(70 ) =43.578*0.253=11.025ma电源供给的直流功率为pd=ucc*ico = 132.3mw集电极损耗功率为p= pd -pc =32.3mw转换效率为“二pc / pd =100/132.3=75.6%当本级增益af=13db即20倍

20、放大倍数，晶体管的直流 b =10寸，有:输入功率为p1=p0/ap=5mw基极余弦电流最大值为ibm = icm / b=4.36ma基极基波电流振幅ibim = ibm 1(70 )=4.36 0.436=1.9ma所以输出电压的振幅为ubm =2 pi/ibim = 5.3v2.1.2 谐振回路和耦合回路参数计算rbb<25q ,丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻则输入阻抗小(1-cos 二)1( u)25，(1-cos70 ) 0.436= 87.1 q则输出变压器线圈匝数比为n3n1在这里，我们假设取n3=13和n1=2,若取集电极并联谐振回路的电容为

21、c=100pf,则l =工c12()27.036 ph2f采用10mrk6mrk 5mm磁环来绕制输出变压器，因为有(a)2 c cl =4"(j) (a)m- n； 10(l)cm其中产100h/m a=10mm2, l =25mm, l =7.036所以计算得n2=72.2 甲类功率放大器的设计2.2.1 电路性能参数计算甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即:ph = pi =5mw输出负载等于丙类功放输入阻抗，即rh = z1 =87.1 q设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率、取0.8,则集电极输出功率= 6.25mw若取放大器的静态电流icc =

22、 icm=5ma,则集电极电压振幅ucm =2 pc / icm =2.5v最佳负载电阻为=0.5k qrh =u则射极直流负反馈电阻reiucc -u,ccicm -uces =1780qi (qcm)cq则输出变压器线圈匝数比ro本级功放采用3dg12晶体管，取b =30ap=13db即20倍放大倍数则输入功率pi = po/a；=0.3125mw放大器输入阻抗ri= rbb+ b *r3=25 q +30r3若取交流负反馈电阻r3=10q ,则ri=335q所以本级输入电压um 一 函屋 0.46v2.2.2 静态工作点计算综上可知ui=0时，晶体管射极电位ueq= icqxrei =

23、8.9vubq =9.5vibq = icq/ 0 =0.17ma若基极偏置电流ii =5 ibq,则r2 = ubq /5 ibq = 11.2k q所以，有r1 = u cc -u bo m r2 = 2.9k ubo2.3 电路仿真图图2-1电路仿真图3电路的安装与调试根据上述设计的元件参数，按图 3-1所示电路进行安装（上述未标出的器件参数，以 图上标注为准）。先安装第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论 设计值，再安装第二级放大器。测得晶体管3dh12静态时，基极偏置电压 ube=0,静态工作点调整后再进行动态调试。先假设谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载电阻

24、为纯阻抗。但是回路的初始 状态或者在调谐过程中，回出现失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性，将使回 路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加， 严重时可能损毁晶体管。为保证元器件安全工作，调谐时可以先将电源电压+vcc降低到规 11定值的1 -1 ,待找到谐振点后，再将+vcc升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。 2 3回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测 的波形为不失真基波。图3-1调试波形图图3-2效果波形图图3-3实物图，9口口。口000二。« 口口2d : op?/:j0 口 qn*&

25、#169;口 ，a。ssa，.二 ''口.j3nf?j。口 jqod39o* 5m 。口？二嚣j nqna* uoaml :二ja ,/二aia。口aq wmooq 口口口 a x、方、*口 s0口 lllmma口o口a 3bno，0na口口a idimms.wto中 oaoa用；im一口。口。口口q 口qckr3trot ，匕二.-oaool manaoq *<>口。口 * yaq口00 smionno。，日qnq* sonqal -5300 - 院 00308 .09? §sa j一jnoqq'olo，图3-4实物图4课程设计心得体会一周的课程

26、设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了 我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在这次设计过程中， 体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳 动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职 业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这 句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为 明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.这次实验的最大收获就是锻炼了我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂