高频谐振功率放大器设计

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书天津天狮学院高频电子线路设计报告题目：高频谐振功率放大器专业：（本 14 级电子信息工程班级：2 班姓名：黄霞总成绩：天津天狮学院信息与自动化学院2016 年5月10日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、 米用晶体管完成一个咼频谐振功率放大器的设计2、 电源电压 VCc = + 1

2、2V, 采用 NXO 100 环形铁氧体磁芯，3、 工作频率 fo=6MHz4、 负载电阻 RL = 75 Q 时， 输出功率 P0> 100Mw效率 n >60%5、 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总2武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书目录摘要 . .I1高频功率放大器简介 .11.1高频功率放大器的分类 . .11.2高频功率放大器的主要技术指标 . .21.3功率放大器的三种工作状态 . .21.4高频功率放大器的分析方法 . .32放大器电路分析 .42.1谐振功放基本电路组成 . .42.2集电极电流余弦脉冲分解 . .52.3谐振功率放大器的动态特

3、性 . .72.3.1谐振功放的三种工作状态 .72.3.2谐振功率放大器的外部特性 .83单元电路的设计 .113.1丙类功率放大器的设计 . .1.13.1.1放大器工作状态的确定 .1.13.1.2谐振回路和耦合回路参数计算.123.2甲类功率放大器的设计 . .123.2.1电路性能参数计算 .123.2.2静态工作点计算 .143.3电路原理图 . .144电路的安装与调试 .155课程设计心得体会 .16参考文献 . .17附录 1.183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是发送设备的重要组成部分之一，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

4、有较大的功率输出，而且通信距离越远，要求输出功率越大。所以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。由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，最后设计出整体电路图，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，最后总结课设体会。关键词：高频谐振功率放大器谐振回路耦合回路工作状态1 高频功率放大器简介在通信电路中，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

5、，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

6、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 Hz 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工作

7、于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。4武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书1.1 高频功率放大器的分类高频功率放大器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。谐振功率放大器的特点： 放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 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

8、端负载的匹配。 基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。1.2 高频功率放大器的主要技术指标高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标， 兼 顾其他一些指标。 例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。1.3 功率放大器的三种工作状态高频功率放大器的效率

9、是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，图1-1 为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。表1-1 为甲、乙、丙三种工作状态的特点。提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐

10、波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。5武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书甲类乙类丙类图 1-1放大器的三种工作状态表 1-1 不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理想效率负载应用甲类(i=180 °50%电阻低频乙类0=90°78.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90 冬 Q v 180 °50%< < 78.5%推挽低频丙类ft< 90 °>1> 78.5%选频回路高频丁类开关状态90%100%选频回路高频1.4 高频功率放大器的分析方法高频功率放大器因工作于大信

11、号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法一一折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量Ico和基频分量Icm1 。根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示 （VBZ为截止偏压 ）。如图为晶体管实际特性和理想折线。武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书图 1-2 晶体管实际特性和理想折线2 放大器电路分析2.1 谐振功放基本电路组成如

12、图 2-1 所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN 型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。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，谐振回路中 LC 是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。V BBVCC图 2-1 高频功率放大器基本电路(b)(c)(d)武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书图 2-2 谐振功率

13、放大器各级电压和电流波形2.2 集电极电流余弦脉冲分解当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲用于这适欠压或临界状态。晶体管的内部特性为：ic = gc (eb V BZ )它的外部电路关系式：eb = A/ BB + V bmCOS tec = V CC - /cm cos t当 t=0 时，i c -ic max因此，ic max = g cVbm (1 OS 6c )若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得ic =lc0 +lcml COS ， t+lcm2 COS2 t+bmn COSn t+由傅里叶级数的求系数法得C0I cm1 - Cmax |(= c )I c

14、mn=icmax nLc )其中sin - Jc cosn c :(1 -COS c)2兀 coscSi 门乙:(1 -COS )8sinn r Ccosd C - ncosnsin2武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书1图 2-3 尖顶脉冲的分解系数由图可见，当兀? 120 时， Icm1/lc max 达到最大值。在Ic max 与负载阻抗 Rp 为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取兀=120 应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。为了兼顾效率和功率，常常取导通角70 度左右。2.3 谐振功率放大器的动态特性2.3.1 谐振功放的三种工作状态在非线性谐振

15、功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种： 欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方 过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区9武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书 临界工作状态 :是欠压和过压状态的分界点,集电极最大点电流正好落在临界线上。如图 2-4 为电压、电流随负载变化的波形图。iBAe b =e bmaxmax2Im3 3-JRP负载增大tV CC01801：欠压状半导通角态V 90e .V2；临界状态c min3.过压状态图 2-4 电压、电流随负载变化波形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、 VB

16、B 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发生怎样的变化。2.3.2 谐振功率放大器的外部特性(1) 负载特性如果 VCC 、 VBB、 Vb 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 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。10武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书 欠压状态： B 点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1 ，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R 的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。 临界状态：负

17、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，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。 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图 2-5 谐振放大器的负载特性(2) 集电极调制特性集电极调制特性是指VBB 、Vbm 和 R定，放大器性能随Vcc 变化的特性。如图2-6 所示。由于 VBB 和 Vbm 定，也就是VBEmax 和 Ic 脉冲宽度一定，因而对应于VcEmin 的动态点必定在VBE=VBEmax 的那条特性曲线上移动；当VCC 由大减小时

18、，相应的VcEmin 也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，IC 波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。11武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书图 2-6 谐振放大器的集电极调制特性(3) 基极调制特性基极调制特性是指Vcc 、 Vbm 和 R 一定，放大器性能随VBB 变化的特性。如图2-7 所 示。当Vbm 定， VBB 自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEmax 增大而使其高度增加，因而bo 和 Icim ( 相应的 Vcm ) 增大，结果使 VcEmin 减小，放大器由欠压进入过压状态。(4) 放大特性放大特性是指 VBB 、Vcc 和

19、 R 一定，放大器性能随Vbm 变化的特性，如图2-8 所示 固定 VBB 、增大 Vbm 和上述固定 Vbm 、增大 VBB 的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的12武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着Vbm 的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。图 2-8 谐振放大器的放大特性3 单元电路的设计3.1 丙类功率放大器的设计3.1.1 放大器工作状态的确定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13武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书路的最佳

20、电阻为2(U cc UCES )RoCC 竺=551.25Q2P0集电极基波电流振幅" 2 暮.019A0集电极电流最大值为I cm c1 “_ ( 70) =0.019/0.436=43.578mA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*lco = 132.3mW集电极损耗功率为P= PD -PC =32.3mW转换效率为n 二 Pc / PD =100/132.3=75.6%当本级增益 A ：=13dB 即 20 倍放大倍数，晶体管的直流B =10 寸，有：输入功率为P 仁 P0/AP=

21、5mW基极余弦电流最大值为IBM = I CM / B & 4.36Ma基极基波电流振幅14武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书lB1M =IBM ： 4(70 )=4.36 0.436=1.9mA所以输出电压的振幅为UBM =2 P i/ IBIM Q 5.3V3.1.2 谐振回路和耦合回路参数计算丙类功放输入、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250(1 - cosr)r ( 习(1-COS70 ) 0.436Rbb <25Q,Q 87.1则输出变压器线圈匝数比为N3在这里，我们假设取N3=3 和 N1=8 ，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100p

22、F , 则1 12L ()27.036 订C 2f 0采用 10mr K 6mr K 5mm 磁环来绕制输出变压器，因为有2L=4 ( i)(A2r N； 10；(l)cm其中尸 100H/m , A= 10mm 2, l =25mm, L =7.036田所以计算得 N=73.2 甲类功率放大器的设计3.2.1 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 = P 1 =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b 取 0.8，则集电极输出功率15武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书Pc

23、= 6.25mW若取放大器的静态电流Icc = lcM =5mA ，则集电极电压振幅UCM = 2 P c /ICM =2.5V最佳负载电阻为=0.5k Q则射极直流负反馈电阻R E1UCC_UCM-UCES ?Qq"C M)1 cq1780 I (则输出变压器线圈匝数比NiRH b "2N2R0本级功放采用3DG12 晶体管 ,B =30 A ： =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= R bb+ B *R3=25 Q +30R3若取交流负反馈电阻R3=10 Q，则 Ri=335 Q 所以本级输入电压Um

24、 二 2RP " 0.46V3.2.2 静态工作点计算综上可知 Ui=0 时，晶体管射极电位UEQ = l CQ XRE1 = 8.9VUBQ =9.5V16武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书IBQ = ICQ / f=0.17mA若基极偏置电流II =5 I BQ ,则R2 = UBQ /5 I BQ ? 11.2k Q所以，有RUccR2 ? 2.95K 3Ubo3.3 电路原理图如图 3-1 为高频谐振功率放大器的总体电路图VCC12V图 3-1 高频谐振功率放大器电路图4 电路的安装与调试根据上述设计的元件参数，按图1 所示电路进行安装 （上述未标出的器件参数，以图上标注

25、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3DA1 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为纯阻抗。但是回路的初始状态或者17武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书在调谐过程中，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1 1定值的丄一丄，待找到谐振点后，再将+Vcc 升到规定

26、值，然后微调一下回路参数就可以了。23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 课程设计心得体会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。18武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书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