高频功率放大器的设计说明

1、. . . . 课程设计任务书课程设计任务书学生：学生： 专业班级：专业班级：指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位：题题 目目: : 高频功率放大器设计高频功率放大器设计初始条件：初始条件：1、可选元件：晶体管、高频磁环、电阻、电容、开关等2、仿真软件：Mulitisim要求完成的主要任务要求完成的主要任务: :设计一个高频功率放大器，要求1. 输出功率 Po125mW2. 工作中心频率 fo=6MHz3.65%时间安排：时间安排：1理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2课程设计时间为 1 周。 （1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间 1 天； （2）选择元

2、器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间 2 天； （3）总结结果，写出课程设计报告，时间 2 天。指导教师签名：指导教师签名： 20102010 年年 月月 日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日. . . . 目录目录摘要摘要 IIIIABSTRACTABSTRACTIIII1 1 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理 3 31.1 基本原理电路 31.2 高频谐振功率放大器的电路组成 31.3 集电极电流余弦脉冲分解 41.4 高频谐振功率放大器的性能分析 71.4.1 谐振功率放大器的动态特性 71.4.2 谐振功率放大器的负载特性 71

3、.4.3 放大器工作状态的调整 92 2 具体设计过程具体设计过程 10102.1 电路元件参数计算 112.1.1 基极偏置电路计算 112.1.2 计算谐振回路与耦合线圈的参数 112.1.3 电源去耦滤波元件选择 122.2 谐振功率放大器的功率和效率关系协调 123 3 高频谐振功率放大器电路仿真与结果分析高频谐振功率放大器电路仿真与结果分析 13133.1 仿真结果 133.1.1 第一放大级并测量所需参数和输出波形 133.1.2 第二放大级并测量所需参数和输出波形 143.1.3 第三放大级并测量所需参数和输出波形 143.2 仿真结果分析 15总结总结 1616参考文献参考文献

4、 1717附录附录 1818. . . . / 22摘要通信电路中，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。为获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。我们对高频功率放大器和低频功率放大器的共同要输出功率大和效率高，但由于两者的工作频率和相对带宽相差颇大，就决定了他们之间有根本的差异。基于两种放大器的不同特点，使得这两种功率放大器所选的状态有所不同：低频功放工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态，现在也出现了一些工作于丁类的低频放大器；高频功率放大器则一般工作于丙类（某些特殊情况可工作于甲类、乙类、丁类、戊类等） 。高频放大

5、器的主要技术指标是输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制等。这几项指标往往是相互矛盾的，在设计功率放大器时，总是根据该放大器的工作特点，突出其中一些指标，然后兼顾另外一些指标。. . . . I / 22AbstractIn communication circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output, communication, the greater t

6、he distance the greater the required output power. In order to obtain a large enough high-frequency output power, high-frequency power amplifier must be used. Our high-frequency power amplifier and low-frequency power amplifier output power of the common requirement is large and high efficiency, but

7、 because of the work of both frequency and relative bandwidth vary considerably, we decided there is a fundamental difference between them. Based on two different characteristics of the amplifier, making the status of these two different from the selected power amplifier: low-frequency power amplifi

8、er works in Category A, and B or Class B (limited to push-pull circuit) state, and now there have been some work on the small Class of low-frequency amplifiers; high-frequency power amplifiers are generally working in a Class C (in some special cases can work on the A, B, D, E, etc.). The main techn

9、ical indicators of high-frequency amplifier is the output power, efficiency, power gain, bandwidth and harmonic suppression and so on. The above targets, often contradictory, and in the design of power amplifiers, it always work according to the amplifier characteristics, highlighting some of the in

10、dicators, and then take into account some other indicators. . . . . 0 / 221 1 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理由于高频功率放大器通常工作于丙类，因此不能用线性等效电路来分析。对他们的分析方法通常采用折线近似分析法。1.1 基本原理电路图 1.1 谐振功率放大器的基本电路图 1.1 是高频谐振功率放大器的基本原理图。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 LC 是晶体管的负载.电路工作在丙类工作状态外部电路关系式： （式 1.1）tVVebmBBbcos（式

11、1.2）tVVecmCCccos晶体管的部特性： （式 1.3）)(BZbccVegi图 1.2 谐振功率放大器转移特性曲线. . . . 1 / 22故晶体管的转移特性曲线表达式：Vbmcosc= +VBZ（式 1.4）BBV故得： （式 1.5）bmBZBBcVVVcos必须强调指出，集电极电流虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，ci仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如图所示：图 1.3 高频功率放大器中个分电压与电流的关系1.21.2 高频谐振功率放大器的电路组成高频谐振功率放大器的电路组成丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因

12、欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，所以一般选用临界状态。在晶体管功率放大器中，可以通过改变激励电压、基极偏压、集电极负载、集电极直流供电电压来改变放大器的工作状态。从输出功率 Po500mw 来看，末级功放可采用甲类或丙类功率放大器，但要求总效率 50%，显然，只用一级甲类功放是不能达到目的的，故采用两级功率放大器，第一级采用甲类功率放大器，第二级采用丙类功率放大器，其中甲类功放选用晶体管 3DG12，丙类功放选择晶体管 3DA1。. . . . 2 / 22其参数的设定：功放的基极偏置电压BEU是利用发射极电流的直流分量0EI在射极电阻2ER上产生的压降来提供的，故称为自给偏压

13、电路。当放大器的输入信号iU为正弦波时，则集电极的输出电流ci为余弦脉冲波。利用谐振回路22CL的选频作用可输出基波谐振电压!CU、电流1Ci。当功率放大器的电源电压，基极偏置电压，输入电压（或激励电CCUbU压）确定后，如果电流导通角 选定，则放大器的工作状态只取决于集电bmU极回路的等效负载电阻。qR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管压降，集电极电流脉冲接近最大值。CESUcmI1.31.3 集电极电流余弦脉冲分解集电极电流余弦脉冲分解参阅图 1.4，一个尖顶余弦脉冲主要由脉冲高度和通角这两个参量完全确定。因此maxcic得先确定和的公式

14、，然后对脉冲进行分解。maxcic. . . . 3 / 22图 1.4 尖顶余弦脉冲将式（1.1）代入晶体管部特性方程的表达式（1.3） ，得： （式 1.6）(cos)ccBBbmBZigVVtV当=时=0，代入上式得：tcci （式 1.7）0(cos)cBBbmBZgVVtV即 （式 1.8）cosBBBZcbmVVV因此知道了与的值，的值就完全确定了。BBVBZVbmVc将式（1.6）与式（1.7）相减，即得： （式 1.9）(coscos)ccbmcig Vt当=0 时，=，因此tcimaxci （式 1.10）max(coscos)cccigt当跨导激励电压与通角已知后，将式（1

15、.9）与式（1.10）相除，即cgbmVc得maxcoscos1 coscccciti或 （式 1.11）maxcoscos1 coscccctii式（1.11）即为尖顶余弦脉冲的解析式，它脉冲高度与通角。将上式用maxcic傅里叶级数展开分解为平均分量基波分量和各次谐波分量，即：（式 1.12）012coscos2coscccmcmcmniIItItIn t （式0max0()cccIi 1.13）式中称为平均分量电流分解系数。基波分量振幅0sincos()(1 cos)ccccc . . . . 4 / 22为： （式1max1()cmccIi 1.14）式中，称为基波电流分解系数。n 次

16、谐波分量振幅12sin2()2 (1 cos)cccc 为： （式max()cmncncIi 1.15）式中，称为 n 次谐波电流分解系数。22sincos2 cossin()(1 cos) (1)ccccnccnnnn n 等与的关系见图 1.5。01nc图 1.5 尖顶余弦脉冲的分解系数由上图可看出，当的最大值为 0.536，约为。此时达到最1()c co1201maxcmcIi大值。因此，在与负载阻抗为某定值的情况下，输出功率maxcipR将达到最大值。这样看来，可能=是最佳通角了。但事实2Ocm1p1P =IR2co120上，这时放大器工作在甲乙类状态，集电极效率太低。. . . .

17、5 / 22 （式 1.16）Oc1=P1=gP2c（）将式中集电极电压利用系数，定义为波形系数。因cmccVV110()g()ccc （）为对高频功率放大器的基本要,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，其电流流通角在围。c0600901.41.4 高频谐振功率放大器的性能分析高频谐振功率放大器的性能分析1.4.11.4.1 谐振功率放大器的动态特性谐振功率放大器的动态特性高频放大器的工作状态是由负载阻抗 Rp、激励电压vb、供电电压 VCC、VBB等 4 个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态

18、发生怎样的变化。当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为： （式 1.17）be BBbmVV coswt （式 1.18）cCCe VcmV cos t消去可得：cos t （式 1.19）CCbBBbmcmVeVVVce 另一方面，晶体管的折线化方程为： （式 1.20）()ccbbzig eV得出在icec坐标平面上的动态特性曲线方程：BZcmcCCbmBBccVVeVVVg)(i (式bmcmBBcmBZCCbmccmbmcVVVVVVVeVVg1.21）. . . . 6 / 221.4.21.4.2 谐振功率放大器的负载特性谐振功率放大器的负载特性图 1.6 电压、电流随负载

19、变化波形如果、3 个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻 R Rp pCCVBBVbV决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随 R Rp p而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。1)vc、ic随负载变化的波形vc、ic随负载变化的波形如图所示，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 123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的i ic c波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。2) 欠压、过压、临界三种工作状态 临界状态。负载线和eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，

20、输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态。B 点以右的区域。在欠压区至临界点的围，根据 Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区必随负载电阻 RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。. . . . 7 / 22 过压状态。放大器的负载较大，在过压区，随着负载 Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线：图 1.7 负载特性曲线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

21、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。临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。1.4.31.4.3 放大器工作状态的调整放大器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. . . . 8 / 22负载 Rp；改变供电电压 VCC；改变偏压 VBB；改变激励 Vb。1) 改变 Rp，但 Vb、VCC、VBB不变 当负载电阻 Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经

22、临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。2) 改变 VCC，但 Rp、Vb、VBB不变 当集电极供电电压 VCC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。在欠压区，输出电流的振幅基本上不随 VCC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VCC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 VCC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 VCC来实现调幅过程的。集电极调幅电路就是调制信号使 Vcc 改变的调制方式。因此，集电极调幅要工作在过压区。3) VCC、VBB、Rp不变，Vbm变化。当 Vbm自 0 向正值增大

23、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过压状态。因此，在欠压区可以实现线性放大，在过压区则可作为限幅器。谐振功放的放大特性是指放大器性能随 Vbm 变化的特性。2 2 具体设计过程具体设计过程图 1.8 是设计的总电路图，电源为单电源+12V,前面两级为高频小信号谐振放大器，最后一级为高频谐振功率放大器。电路参数计算主要以计算第三级参数为主。. . . . 9 / 22图 1.8 总体设计电路2.12.1 电路元件参数计算电路元件参数计算电源电压为+12V，Vbe=1.5V2.1.12.1.1 基极偏置电路计算基极偏置电路计算因 则有 ：cosEZcBmVVV （式0

24、cos5.3cos701.1EbmcZVVVV2.1）因 则有 ：ECOEVIR （式3/1.1/(54 10 )20EEcoRVI2.2）取高频旁路电容pfCE01. 022.1.22.1.2 计算谐振回路与耦合线圈的参数计算谐振回路与耦合线圈的参数图 1.9 L 型匹配网络输出采用 L 型匹配网路， （ 式110 ,51pLRR2.3） （式2(1)pLLRQR2.4） （式110111.07651pLLRQR . . . . 10 / 222.5） （式20SLLLQR2.6） （式2601.076 511.4626 10LLSQ RLHH 2.7） （式2211(1)(1) 1.462

25、.72 H1.076pSLLLQ2.8）则 （式222261125944 3.1462.72 10PCpFpFf L2.9） 匹配网路的电感 L 为，电容 C 为。1.46 H259pF2.1.32.1.3 电源去耦滤波元件选择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，滤波电感可按经验取50100H，滤波电容一般取 0.01F。2.22.2 谐振功率放大器的功率和效率关系协调谐振功率放大器的功率和效率关系协调 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上

26、，成为集电极耗散功率。PDC=直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；根据能量守衡定理：PDC= Po+ Pc故集电极效率：. . . . 11 / 22 （式 2.10）cooDCocPPPPP由上式可以得出以下两点结论：1) 设法尽量降低集电极耗散功率 Pc，则集电极效率 hc自然会提高。这样，在给定 PDC时，晶体管的交流输出功率 Po就会增大；2） 由式可知：cccoPP1 如果维持晶体管的集电极耗散功率 Pc不超过规定值，那么提高集电极效率 hc，将使交流输出功率 Po大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。x 越大(即 Vcm

27、越大或 ecmin越小),qc越小,效率 hc越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率 hc的途径即为减小 qc角；使 LC 回路谐振在信号的基频上，即 ic的最大值应对应 ec的最小值。故谐振功率放大器是基极偏置为零偏压；半通角 qc90，即丙类工作状态；负载为 LC 谐振回路。3 3 高频谐振功率放大器电路仿真与结果分析高频谐振功率放大器电路仿真与结果分析3.13.1 仿真结果仿真结果将上述设计的元件参数，按图 1.8 所示电路绘制仿真电路图。输入信号为为 100mV 的频率为 5.85MHz 的正弦信号。ppV3.1.13.1.1 第一放大级并测量所需参数和输出波形第一放大级并测量所需参数

28、和输出波形绘制第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值。测得静态工作点各点电压如下表：测量点bVcVeV. . . . 12 / 22电压值（V）3.66912.0003.029表 3.1 第一级静态工作电压第一级输出波形如下图（图 3.1）图 3.1 第一级输出波形3.1.23.1.2 第二放大级并测量所需参数和输出波形第二放大级并测量所需参数和输出波形绘制第二级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值。测得静态工作点各点电压如下表：测量点bVcVeV电压值（V）1.6712.0000.954表 3.2 第二级静态工作电压第二级输出波形如下图（图 3.2

29、）. . . . 13 / 22图 3.2 第二级输出波形3.1.33.1.3 第三放大级并测量所需参数和输出波形第三放大级并测量所需参数和输出波形绘制第三级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值。测得静态工作点各点电压如下表：测量点bVcVeV电压值（V）012.0000表 3.3 第二级静态工作电压第三级输出波形如下图（图 3.3）图 3.3 第二级输出波形3.23.2 仿真结果分析仿真结果分析从表 3.1 和表 3.2 可以看出第一级和第二级的晶体管静态工作电压bV和值满足和0.7V 的关系，因此第一级和第eVcVcVbVeVbVeV二级的晶体管工作在甲类。从表 3.3 可看出第三级晶体管静态工作电压bV和eV值满足12V（电源电压）0 的关系，因此第三级晶体管cVcVbVeV工作在丙类。三级的输出