高频谐振功率放大器设计

1、24武汉理工大学高频电子线路课程设计高频谐振功率放大器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：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：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Vcc12V，采用NXO100环形铁氧体磁芯，3、工作频率f06MHz 4、负载电阻RL75时， 输出功率P0100mW， 效率>605、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试

2、及设计总结）。时间安排：二十周一周，其中三天硬件设计，四天软、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 日目录摘要12.高频谐振功率放大器原理32.1 甲类功率放大器52.1.1 静态工作点52.1.2 负载特性52.1.3 功率增益62.2 丙类功率放大器72.2.1 基本关系式72.2.2 负载特性102.3 变频变压器的绕制112.4 重要技术指标及测试方法122.4.1输出功率122.4.2 效率133.总体电路设计与参数计算143.1 丙类功率放大器的设计143.1.1 确定放大器工作状态143.1.2 计算谐振回路和耦合回路参数153.1.3 基

3、极偏置电路参数计算153.2 甲类功率放大器的设计153.2.1 计算电路性能参数153.2.2计算静态工作点164.仿真测试174.1 multisim软件简介174.2 仿真电路及仿真波形图185.实际电路组装与调试195.1 电路组装要点195.2 高频谐振功率放大器的调整195.3实际电路模型及调试结果206.心得体会21参考文献：22附录：元件清单23摘要利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要单元电路。根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管电流导通角的范围，可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角越小，放大器的效率越高

4、。丙类放大器的导通角90%，效率可达到80，高频功率放大器一般选择在丙类工作状态。本设计采用甲类功放输出的最大不失真信号作为激励源，丙类功放作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。关键词：甲类功放，丙类功放，谐振，变压器1.绪论在通信电路中，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，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。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

5、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

6、，调幅广播电台（5351605 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

7、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。 2.高频谐振功率放大器原理 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。利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。根据放大器电流导通角的范围可以分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功

8、率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的180°，效率最高也只能达到50，而丙类功放的90%，效率可达到80。甲类放大器电流的流通角为180°，适用于小信号低功率放大。乙类放大器导通角等于180°；丙类放大器导通角则小于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。综上考虑本设计采用甲类功率放大

9、器作为激励级，丙类功率放大器作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本设计要求输入6.0MHz信号经功率放大器放大输出一个信号, 再经过阻抗变换网络产生高频输出交流电压，其基本框图如下图2.1所示。输出6.0MHZ功率放大器谐振电路匹配网络图2.1 高频谐振功放原理框图综上考虑本设计采用甲类功率放大器作为激励级，丙类功率放大器作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。如图2.2所示为由两级功放组成的高频功放电路。其中晶体管Q1与高频变压器T1组成甲类功放，晶体管Q2与选频网络L2、C3组成丙类谐振功放。下面介绍它们的工作原理与基本关系式。图2.22.1 甲类功率放大器 2.1.1 静

10、态工作点 如图 3-1 所示，晶体管 VT1 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： 式中，RF1一般为几欧至几十欧。 2.1.2 负载特性 如图 3-1 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，因此甲类功放的交流输出功率 P0可表示为： 式中，PH为输出负载上的实际功率，B为变压器的传输效率，一般为 。 图2.3 甲类功放的负载特性 图2.3为甲类功放的负载特性。为获得最

11、大不失真输出功率，静态工作点 Q 应选交流负载线 AB的中点，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： 式中，为集电极输出的交流电压振幅，为交流电流的振幅，它们的表达式别为 式中， 称为饱和压降，约1V。 如果变压器的初级线圈匝数为 N1，次级线圈匝数为N2，则 式中，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。2.1.3 功率增益与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益， 对于图2.2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 其中，为放大器的输入功率，

12、它与放大器的输入电压及输入电阻的关系为式中，又可以表示为 式中，为共发射级接发晶体的输入阻抗，高频工作时，可认为它近似等于晶体管基极体电阻；为晶体管共发射电流放大系数，即。2.2 丙类功率放大器2.2.1 基本关系式如图 3-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射 极电流的直流分量在射极电阻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为正弦波时，则集电极的输出电流为余弦脉冲波。利用谐振回路的选频作用可输出基波谐振电压,电流。图2.4画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式： 式中,为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；为集电极基

13、波电流振幅；为集电极回路的谐振阻抗。式中，PC为集电极输出功率 式中， 为电源供给的直流功率； 为集电极电流脉冲的直流分量。 电流脉冲经傅立叶级数分解，可得峰值与分解系数的关系式 分解系数与的关系如图2.5所示图2.4 丙类功放的基极、集电极电流和电压波形 图2.5 电流脉冲的分解系数放大器集电极的耗散功率为 放大器的效率为其中：称为电压利用系数。图2.6为功放特性曲线折线化后的输入电压与集电极电流脉冲的波形关系。由图可得：式中：为晶体管导通电压(硅管约为0.6V，锗管约为0.3V)。为输入电压的振幅。为基极直流偏压。当输入电压大于导通电压时，工作在放大状态，则基极电流脉冲与集电极电流脉冲成线

14、性关系，即满足因此基极电流脉冲的基波幅度及直流分量也可以表示为基极基波输入功率 Pi 为放大器的功率增益 Ap为 丙类功率放大器的输出回路采用了变压器耦合方式，其等效电路如图2.6图2.6 变压器耦合电路集电极谐振回路为部分接入，谐振频率为谐振阻抗与变压器线圈匝数比为式中，为集电极接入初级匝数。 为初级线圈总匝数。 为次级线圈总匝数。为初级回路有载品质因数，一般取。两类功率放大器的输入回路亦采用变压器耦合方式，以使输入阻抗与前级输出阻抗匹配。分析表明，这种耦合方式的输入阻抗为式中，为晶体管基极体电阻，2.2.2 负载特性当功率放大器的电源电压，基极偏压，输入电压或称激励电压确定后，如果电流导通

15、角选定，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。谐振功率放大器的交流负载特性如图2.7所示，由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降，集电极电流脉冲接近最大值。 此时，集电极输出的功率和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。所对应的值称为最佳负载电阻值，用表示，即 当放大器处于欠压工作状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当时，放大器处于过压状态，如B点所示，集电极电压虽然较大，但集电极电流波形有凹陷，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

16、选择在临界状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是:式中，集电极输出电压幅度。晶体管饱和压降。图2.7 谐振功放的负载特性2.3 变频变压器的绕制高频变压器的磁芯应采用镍锌(NXO)铁氧体，而不能用硅钢片铁芯，因硅钢片在高频工作时铁损耗过大。NXO-100环形铁氧体作高频变压器磁芯时，工作频率可达十几兆赫兹。其结构如图2.8所示，尺寸为外径×内径×高，使用漆包线绕制，电感量L由下式计算：图2.8 环形铁氧体高频变压器磁芯式中，为磁导率，单位；N为线圈匝数；A为磁芯截面积(单位);为平均磁路长度(单位)。若选尺寸为的铁氧磁芯,由图2.8可求出，则电感量L、线圈匝数N的值可用

17、上述公式确定。绕制高频变压器的漆包线一般选用线径为的漆包线。为减小线圈漏感与分布电容的影响，匝数应尽可能的少，匝间距离应尽可能大(绕希一些，并绕得紧一些)。2.4 重要技术指标及测试方法2.4.1输出功率 高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载上得到的最大不失真功率。对于图 3-1 所示的电路中，由于负载与丙类功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式，实现了阻抗匹配，则集电极回路的谐振阻抗上的功率等于负载 RL 上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频放大器的输出功率，即测量功率放大器的主要技术的连接电路如图2.9所示， 其中高频信号发生器提供激励信号电压与谐振频率，示波器监测波形失真，直

18、流毫安表测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载的端电压。只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。可以通过高频电压表V及直流毫安表 mA 的指针来判断集电极回路是否谐振，即电压表V的指示为最大，毫安表mA的指示为最小时集电极回路处于谐振。当然用扫频仪测量回路的幅频特性曲线，使中心频率处的幅值最大也可以。 图2.9 高频功放的测试电路放大器的输出功率可以由下式计算：式中，为高频电压表V的测量值。2.4.2 效率高频功率放大器的总效率由晶体管集电极的效率和输出网络的传输效率决定。 而输出网络的传输效率通常是由电感、电容在高频工作时产生一定损耗而引起的。放大器的能量转换效率主要由

19、集电极的效率所决定。所以常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率，用表示，即 利用图2.9所示电路，可以通过测量来计算功率放大器的效率，集电极回路谐振时，的值由下式计算： 式中，为高频电压表的测量值；为直流毫安表的测量值。 3.总体电路设计与参数计算3.1 丙类功率放大器的设计3.1.1 确定放大器工作状态因为要求获得的效率>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70°,所以谐振回路的最佳电阻为:=110.25集电极基波电流振幅:0.095A集电极电流最大值为：=0.095/0.436=217.890其直流分量为：=*=217.890*0.253=55.126电源供给的直流

20、功率PD =Ucc*Ico=661.5mW集电极损耗功率P= PD - PC =161.532.3mW转换效率= PC/PD=500/661.5=75.6%当本级增益=13dB即10倍放大倍数，晶体管的直流=10时，有：输入功率为：P1=P0/AP=25基极余弦电流最大值为：21.78 基极基波电流振幅：=21.780.436=9.5 输出电压的振幅为UBM=2P1/ IB1M 3.5V3.1.2 计算谐振回路和耦合回路参数丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻<25,则输入阻抗87.1则输出变压器线圈匝数比为：0.68则这里，我们假设取N3=2和N1=3若取集电极

21、并联谐振回路的电容为C=100pF，则100H用10mm×6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，有其中=100H/m , A=, =25mm, L =60H 253.1.3 基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压(其中U10.6V ) -1.1V 则射极电阻RE2=/20 取高频旁路电容=0.01f根据上诉条件，可得丙类的放大器的参数应如图3.2所示。3.2 甲类功率放大器的设计3.2.1 计算电路性能参数综上所述，知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=25mW 输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH=87.1 设甲类功率放大器的电路的激励级电路，如图1

22、.2(变压器效率取0.8)则集电极输出功率PC=31mW ；若取放大器的静态电流ICC=ICM=7则集电极电压振幅UCM=2PC/ ICM=8.9V 最佳负载电阻为=1.3则射极直流负反馈电阻357 (ICM) 则输出变压器线圈匝数比：3本级功放采用3DG12晶体管，取 =13dB即20倍放大倍数则输入功率Pi=P0/AP=1.55mW，放大器输入阻抗=+*R3=25+30R3 若取交流负反馈电阻R3=10，则=335，本级输入电压1V3.2.2计算静态工作点综上可知=0时，晶体管射极电位= 2.5V ,=3.2V=0.23 若基极偏置电流，则2.8有8.25 4.仿真测试4.1 multis

23、im软件简介 随着计算机技术飞速发展，电路设计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，大大减轻验证阶段的工作量；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。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。 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

24、的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制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

25、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，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、极点一零点分析、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。4.2 仿真电路及仿真波形图在multism中按下图4.1中

26、元件及线路连接，连接好后开始仿真。仿真波形图如图4.2所示。 图4.1 图4.25.实际电路组装与调试5.1 电路组装要点将上述设计的元件参数，按图4.1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3DG130静态时，基极偏置电压=0，静态工作点调整后在进行动态调试。变压器的安装：变压器安装后，应确保其输入、输出电压反向(示波器测量)，否则会产生较大干扰。5.2 高频谐振功率放大器的调整先假定谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载电阻为纯阻抗。但是回路的初始状态或者在调谐过程中，

27、回出现贿赂失谐状态，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降低到规定值的，待找到谐振点后，再将升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。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。5.3实际电路模型及调试结果 按要求再电路板上焊接好电路，电路实物图及一二级放大波形如下。 6.心得体会高频功率放大器在通信电子电路中占着十分重要的地位。通过这次实验，我感觉自己收获了许多：1.高频功率放大器是发射机的重要组成部分，通过本次设计电路，使我更深刻的认识了，高频功率放大器的工作原理，负载阻抗、输入激励电压、电源电压等对高频谐振功率放大器工作状态的影响。2.复习了对高频功率放大器的设计方法，并且对高频谐振功率放大器的调谐、调整和主要技术指标的测量方法有了新的认识，使我受益匪浅。3.这次实验也锻炼了我独立思考的能力，由于参