高频功率放大器课程设计

1、目 录一、课程设计目的4二、课程设计题目描述和要求4三、课程设计报告内容5四、结论16五、结束语16六、参考书目：17一、课程设计目的由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射机的功率要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。本次课程设计使通过已学的电路基础知识，模拟高频振动功率放大器，使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输，这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗匹配。我们知道能量是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换为高频功率，因此

2、除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求有尽可能高的转换率。主要是根据已知数据设计一个丙类高频功率放大器。2、 课程设计题目描述和要求 设计一高频功率放大电路； 1.要求三极管工作在丙类状态；2. 主要技术指标：输入已调波的峰值为100mV；载波频率为6.5MHz，输出功率1w，负载50，效率80%；3.用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试。三、课程设计报告内容 3.1 设计方案的论证高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐

3、射出去。 高频功率放大器输出功率范围，可以小到便捷式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦已下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。如图所示是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路，除电源和偏置电路外，它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。 由先修课程可知，低频功率放大器可以工作在甲类状态，也可以工作在乙类状态，或甲乙类装态，乙类状态要比甲类状态效率高（甲类效率最大可达到50；乙类效

4、率最大可达78.5），为了提高效率，高频功率放大器多工作于丙类状态。为工作保证在丙类状态下工作，基极偏置电压Eb应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V 以上，可达12V,甚至更大。也就是说，晶体管工作在截止和导通（线性放大）两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是，高频功放选用谐振回路作为负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量（基波分量）外，还有谐波分量和其他有用频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过

5、谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放高效输出大功率。 图2 集电极电流波形 我们知道能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此，除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。要想提高效率有两种途径，一是提高电压利用系数，即提高Uc，这通常靠提高回路的谐振阻抗Rl来实现，另一个是提高波形系数，与有关，即越小，越大，效率越高。可以根据集电极电流导通角的大小划分功放的工作类型。当=180°时，放大器工作在甲类；当90°<&l

6、t;180°时，为甲乙类；当=90°，为乙类；当<90°时，则为丙类。对于高频功放，<90°，为了兼顾输出功率P1和效率，通常选在65°75°范围。 图3 、 0()、1()、2()、3()与的关系根据实验要求可知，本次设计需要两级放大，但由于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，只能采用谐振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，回路电流与电压波形仍然极近于正弦波形，失真很小。因此，第一级放大为甲类放大，放大激励信号，为第二级丙类功率放大器提供大信号激励源；第二级为丙类放大，放大输出功率。

7、其中甲类功放采用晶体管3DG130A(NPN型硅管、最高反向电压为45V、损耗功率PCM为700mw、电流放大倍数>40)丙类功放采用晶体管3DA89(NPN型硅管、最高反向电压为40V、损耗功率PCM为750mw、电流放大倍数>=10)。级间采用变压器进行耦合，采用12V直流电源作为电源。 图4 高频功率放大电路总体设计框图3.2 丙类谐振功率放大器的效率与功率 功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制，起到把2.3.1 丙类谐振功率放大器的效率与功率。集电极电源直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下，转换的功率越高，输出的交流功率越大。集电极电源

8、提供的直流功率： 式中为余弦脉冲的直流分解系数式中，为余弦脉冲的最大值：为余弦脉冲的直流分解系数。式中，为晶体管的导通电压；为晶体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。集电极输出基波功率：式中为回路两端的基频电压，为余弦电流脉冲基频电流，为回路的谐振阻抗。集电极效率：式中，为集电极电压利用系数；为余弦脉冲的基波分解系数。功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出效率和高效率，通常。3.3 丙类放大器的负载特性 欠压状态：在欠压区至临界点 的范围内，放大器的输出电压随负载电阻的增大而增大，而电流、基本不变，输出电流的振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基

9、本不变。临界状态：负载线和正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。其对应的最佳负载电阻值，用表示，即：当变小时，放大器处于欠压工作状态，如C点所示。集电极输出电流较大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。变大时，放大器处于过压工作状态，如B点所示。集电极电压虽然较大，但集电极电流凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是： 。式中，为集电极输出电压幅度；为电源电压；为晶体管饱和压降。过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载的加大

10、，要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。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。其负载特性如图2 谐振功率放大器的负载特性。图5 谐振功率放大器的负载特性3.4 丙类高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。由图3 高频功放的振幅特性可以看出，在欠压区，、随的增加而增加，但并不一定是线性关系。在过压区，基本不随变化，可以认为是恒压区，放大等幅信号时，应选择在此状态。2.3.4 欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载；改变供电电压；改变偏压；改变激励。方法1

11、:改变，但、不变：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。方法2:改变，但、不变：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压经临界转入欠压。方法3: 变化，但、不变或变化，但、不变：这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是还是的变化，其结果都是引起的变化。当或由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。图6 高频功放的振幅特性3.5 原理图分析及参数计算1. 确定放大器的工作状态在=+12V的条件下，晶体管2N2219A的参数：=700mW,=300mA0.6V,30，150MHz，放大器功率增益AP6dB

12、.。为了获得较高的效率及最大输出功率，选丙类功率器的工作状态为临界状态，取=700，得出谐振回路的最佳负载电阻为：得集电极基波电流振幅 得集电极电流脉冲的最大值及其直流分量为：=/（700）=402.3mA =*（700）=101.8mA得电源供给的直流功率P为：P=Vcc*=1221.4mW得放大器转换效率为2. 计算谐振回路 若取谐振回路电容：固定电容C=50PF 得回路电感 3. 偏置电路电压 3.6 软件设计Multisim是一个专门用于电子电路仿真和设计的EDA软件，它具有直观、方便的操作界面，创建电路、选用元器件和虚拟测试仪器等均可直接从屏幕图形中选取，操作简便。它具有完备的电路分

13、析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、器件的线性和非线性分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。在进行仿真的过程中，可以存储测试点的数据、测试仪器的工作状态、显示的波形。它先进的高频仿真设计和功能，是目前众多仿真电路所不具备的。Multisim 用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。 Multisim 是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 Multisim 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也

14、很方便的在工程设计中使用。 Multisim 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 Multisim 具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。 Multisim 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频

15、电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 Multisim 有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外 Multisim还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板

16、把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。 利用Multisim 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。Multisim 易学易用，便于电子信息、

17、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。3.7 硬件设计名称容量或型号数量名称容量或型号数量电容50pF1个电阻501个电容100pF2个直流电源12V1个电容150pF1个三极管2N2219A1个电感3uH1个直流电源0.9V1个3.8测试结果4、 结论 通过在电脑软件Multisim上的模拟，和在元件与功能电路的选择，参数计算，此电路基本达到设计要求，优点是此电路的效率达到了82%。五、结束语课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考

18、察过程。这次的高频课程设计，加深了我对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力 。 回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学到属于自己的知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏实际设计及动手的经验，所以难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处，比如说发现自己 对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。不过，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，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要求我在设计过程中必须认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。而参数不对，最终将直接影响到仿真的结果。