毕业设计高频功率放大器设计与Multisim仿真改

1、毕业设计（论文） 作 者 姓 名 鲍帅 专 业自动化 指导教师姓名 王晓芳 专业技术职务 讲师 摘 要当今社会无论是广播通信，还是其它无线通信，发射机发射信号都要有一定的功率。特别是传送信号的距离越远，需要的发送功率就要越大。而要得到发送功率大就要用到高频功率放大器。高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier) 它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗，确保有效性传输就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。在高频范围内，为了

2、获得足够大的高频输出功率，就要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。关键词 功率 放大器 电路 MULTISIM仿真ABSTRACTToday's society both radiocommunication,or other wireless communication,transmitter transmitting signal should have a certain power.Especially the signal transmission distance more far,the transmissio

3、n power required is more.To obtain the transmit power touse high frequency power amplifier.High-frequency power amplifier is an important part of transmission equipment is often referred to as the RF power amplifier(Radio Frequency Power Amplifier)which is widely used in the transmitter,the high-fre

4、quency heating apparatus and microwave power source equipment such as electronic.Communication circuit,in order to compensate for signal attenuation in the wireless transmission process,ensure the effective transmission requires a higher transmitter power output.Communication distance farther,the gr

5、eater the output power required.In the high-frequency range,in order to obtain enough high-frequency output power,we must use high-frequency power amplifier.As the working frequency of high frequency power amplifier of the high,relatively narrow band,it is generally used as a frequency selective net

6、work load circuit.Keywords: power; amplifier ;electro circuit ;MULTISIM simulation 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1功率放大器知识简介11.2 功率放大器的系统组成21.2.1 高频放大器的分类2第二章 高频谐振功率放大器分析22.1 高放电路工作原理22.1.1 丙类谐振功率放大器电路的工作原理32.2 高放谐振电路的工作状态5丙类谐振功率放大器的工作状态52.2.2 丙类谐振功率放大器的动态线52.2.3 丙类谐振功率放大器的特性62.3 谐振功率放大器的构成102.4谐振功率放大器的管

7、外电路11丙类谐振功率放大器的直流馈电电路112.5 功率放大器的匹配网络13第三章 相关方案的证明143.1 三类放大器143.1.1 甲类谐振放大器143.1.2 丙类高频功率放大器173.2 三类放大器的分析比较193.3 单元电路选择22单元电路的选择22第四章 高频谐振放大器电路244.1整体电路24第五章 电路的仿真255.1 multisim 软件简介255.2 仿真波形265.2.1 输入信号波形26一级甲类放大波形265.2.3 结果分析28结束及致谢29参考文献30附录：元器件清单31第一章 绪论当今世界已进入高速发展的信息网络时代，其中最为活跃和发展最快的当属无线网络和I

8、nternet，二者常被称为天地两大网。Internet以光纤、电缆和电话线为传输媒质，把成千上万的计算机和智能终端连接成网，可传输数据、图像、话音（IP电话）等多媒体信息，目前正向以IPv6 为主要协议的下一代互联网（NGI）发展。无线用户要接入Internet，Internet用户希望在移动中享受Internet服务，只有这两大网络互相补充和发展，人们才会享受到更加便捷、业务多样、更高速率和个性化的宽带多媒体信息服务。因此，宽带无线通信技术受到国内外的广泛重视，并投入巨资进行开发和研究。宽带无线通信技术包括宽带移动通信技术和宽带固定无线接入技术。移动通信网大约35年发生一次大的变革，现已经

9、历了第一代、第二代，目前发展到第三代（3G）,3G在部分国家和地区已经开始运行，第四代（4G）的标准和关键技术也已经完全展开。当今社会，人们越来越向高标准快节奏的方向迈进。这就要求有可靠、高效、方便、快捷的信息服务。其中无线通信就是其中的一项重要支柱，对于高精度，超远距离信息的传递，无线通讯的发送设备就需要高功率的放大器来支持。而现实中的，功率放大器发展往往与通信技术的进步并不协调，以至于造成整个行业的进展延迟。所以研究高频功率放大器对于整个行业及整个社会的进步都有重要的意义。高频功率放大器有关理论知识作介绍，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

10、术要求，对仿真结果进行分析，增强对功率放大器的整体认识。1.1功率放大器知识简介在通信电路中，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，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

11、、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。 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

12、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。1.2 功率放大器的系统组成 高频放大器的分类 根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大类。1. 窄带型高频功率放大器通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态，近年来出现了工作在开关状态的丁类状态的谐振功率放大器。2. 宽带型高频功率放大器采用传输线变压器作负载。传

13、输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成 第二章 高频谐振功率放大器分析2.1 高放电路工作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放称为谐振功放。根据放大器电流导通角 c 的范围可分为甲类、乙类、丙类、丁类等。电流导通角 c 越小放大器的效率越高。如丙类功放的 c 小于900 丙类谐振功率放大器电路的工作原理U iu B Ei Bi Cu CU i为余弦电压，

14、可表示为u i=U i m COSct则：u B E= VB B+u i= VB B+ U i m COSct根据三极管的转移特性可得到集电极电流i C，为余弦脉冲波如图2-1所示：图2-1 iC波形根据傅立叶级数的理论，i C可分解为：I c=I co+iC1+iC2+iC3+i C n+式中：I co为直流电流分量 ；iC1为基波分量；iC1=Icm1COSctiC2为二次谐波分量；iC2=Icm2COS2ct I C n为n次谐波分量；i C n=I c m n COS nct其中，它们的大小分别为： I co=i Cmax·0（） Icm1=i Cmax·1（） I

15、 cmn=i Cmax·n（）iCmax是ic波形的脉冲幅度。n（）的大小可根据余弦脉冲分解系数表查。Ic信号的导电角可以用下面的公式进行计当iC信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，可得其谐振网络压降为：uc=RIcm1COSct=UcmCOSctuCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSct各信号的波形如图2-2所示：图2-2 波形图2.2 高放谐振电路的工作状态丙类谐振功率放大器的工作状态 以丙类功率放大器为例 欠压状态：管子导通时均处于放大区；临界状态：管子导通时从放大区进入临界饱和；过压状态：管子导通时将从放大区进入饱和区；在实际工作中，丙类放大器的工作状态不但与Ubm有

16、关，还与VCC、VBB和R有关。在丙类谐振功放中，工作状态不同，放大器的输出功率和管耗就大不相同，因此必须分析各种工作状态的特点，以及Ubm、VCC、VBB和R的变化对工作状态的影响，即对丙类谐振功放的特性进行分析 丙类谐振功率放大器的动态线1.基本概念：大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析，为此就要在输出特性曲线上作出交流负载线。由于谐振功放的集电极负载是谐振回路，且共集电极电压与集电极电流的波形截然不同，因此其交流负载线已不是直线了，是一条曲线，又称为动态线。2.动态线的作法：三极管的输出特性曲线转上的参变量iB换成uBE，在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不变的情况下，假设ct取不

17、同的值，根据式uBE=VBB+ UbmCOSct和uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSct可得以相对应的uBE和uCE值，从而确定输出特性曲线上的各个“动态点”，然后依次连接各个“动态点”就可以得到动态线。其图形如2-3所示。图2-3 动态线3.不同工作状态的动态线如图2-4所示图2-4不同状态4.根据动态线分析放大器的特性 （1）放大器工作在过压状态时，ic波形会出现下凹。 （2）动态线、放大器的工作状态与VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有关系。 丙类谐振功率放大器的特性 负载特性： 基极调制特性： 调制特性 集电极调制特性： 放大特性：1.负载特性：负载特性是指放大器在VBB、V

18、CC和Ubm不变时，随R变化的特性1)工作状态的变化随着R从小变大，放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化2)ic波形的变化随着R增大，ic的变化如图2-5所示图2-5 ic随R变化的特性3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-6所示 图2-6 Ucm、Ico、Icm1随R的变化(4)PO、PV、Pc、的变化特性如图2-7所示图2-7 PO、PV、Pc、的变化特性2.基极调制特性基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，随VBB变化的特性（1）工作状态的变化随着VBB从小变大，放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化(2)ic波形的变化如图2-8所示图2-8 ic随VBB的变化特性

19、 3.集电极调制特性集电极调制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不变时，随VCC变化的特性1）工作状态的变化随着VCC从小变大，放大器将由过压状态临界状态欠压状态变化2）ic波形的变化如图2-9所示图2-9 ic随VCC变化的特性3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-10所示图2-10 Ucm、Ico、Icm1的变化特性4.放大特性放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不变时，随Ubm变化的特性1)工作状态的变化随着Ubm从小变大，放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化2)ic波形的变化如图2-11所示图2-11 ic随Ubm的变化特性3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-12

20、所示图2-12 Ucm、Ico、Icm1的变化特性2.3 谐振功率放大器的构成谐振功放的集电极馈电电路，应保证集电极电流ic中的直流分量Ic0只流集电极直流电源VCC(即：对直流而言，VCC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；还应保证谐振回路两端仅有基波分量压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c ,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；另外也应保证外电路对高次谐波分量icn呈现短路，以免产生附加损耗。 以图2-13示意说明图2-13 集电极馈电电路的构成原则a 直流通路 b 基波通路 c 高次谐波通路谐振功放的基极馈电电路的组成原则与集电极馈电

21、电路相仿。第一，基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源(即VBB直接加到晶体管b ,e两端)。第二，基级电流中的基波分量ib1只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。以图3-14示意说明图2-14 基极馈电电路的构成原则a 直流通路 b 基波通路2.4谐振功率放大器的管外电路 输入端的直流馈电电路和匹配网丙类谐振功率放大器的电路包含有: 络输出端的直流馈电电路和匹配网 络丙类谐振功率放大器的直流馈电电路 直流馈电电路是指把直流电源馈送到晶体管各极的电路。它包括： 串联馈电电路集电极馈电电路 并联馈电电路串联馈电电路基极馈电电路并联馈电电路1.集电极馈电电路图2

22、-15 集电极馈电电路a 串馈电路 b 并馈电路2.基极馈电电路 图2-16 基极馈电电路a 串馈电路 b 并馈电路3.基极自给偏置电路图2-17 基极自给偏置电路2.5 功率放大器的匹配网络在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络。输入和输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图4-20所示。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载上只有基波电压；将外接负载RL 变换成谐振功放所要求的

23、负载电阻R，以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。图2-18匹配网络第三章 相关方案的证明3.1 三类放大器 甲类谐振放大器1.设计要求设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率 Po125mW，工作中心频率fo=6MHz， >65%， 已 知： 电源供电 为 12V ，负载 电阻,RL=51 ，晶体管用 2N2219， 其主要参 数 ：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益 Ap13dB（

24、20 倍 ）。2. 参数计算1）甲类谐振放大器参数计算 依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见下图所示。 图3-1回路谐振放大器(1)设置静态工作点 由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流 I CQ 一般在 0.82mA 之间选取为宜。 设计电路中取 I c = 1.5mA ，设 Re = 1K 。因为： VEQ = I EQ Re VEQ=1.5mA ×1K =1.5VVBQ =1.5V + 0.7V = 2.2VVCEQ = VCC VEQ= 12V 2.2V = 9.8V Rb 2 = VBQ /(5

25、10) I BQ而I BQ = I CQ / = 1.5mA / 50 = 0.03mA则：Rb 2 = VBQ / 10 I BQ = 2.2V / 0.3 = 7.3K取标称电阻 8.2K 因为：Rb1 = (VCC VBQ ) / VBQ Rb 2则：Rb1= (12V 2.2V ) / 2.2V 8.2= 36.5 K 谐振回路参数计算1.回路中的总电容 C因为： =150.35pf2.回路电容 C 则C= 150.35 pF (12 7 pF ) = 143.04 pF取 C 为标称值 140pf,与 5-20Pf 微调电容并联。（3）求电感线圈 N2 与 N1 的匝数：根据理论推导

26、，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比， L = KN 2式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈的匝数一般 K 值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值 Lm 时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕 10 匝，然后用电感测量仪测出其电感量 LO ，再用下面的公式求出系数 K 值：K = Lo / N o2实验中，L 采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的 10S 型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm 漆包线缠绕 10 匝后得到的电感为 2uH。由此可确定K = LO

27、 / N O 2=2 ×106/ 102=2 ×108要得到 4uH 的电感，所需匝数为N= = =14匝最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有N1 = p1 N 2而 N 2 = 14 匝 则 N 1 = 0.3 14 = 4.5 匝 带宽的确定 由于 确定耦合电容与高频滤波电容：耦合电容 C1、C2 的值，可在 1000 pf0.01uf 之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容 Ce 、C3、C4 的取值一般为 0.01-1F，滤波电感的取值一般为 220-330uH。根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图3-2 所示。通过选

28、定基极偏置电阻值等方面使晶体管 Q1 工作在甲类状态，其中 L、C3、C4、R6 构成选频回路，通过调节可调电容 C3 使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联电阻 R，减小回路品质因数从而加宽通频带 图3-2 一级甲类谐振放大器 为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图 3-3 所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。 图3-3两级甲类放大 丙类高频功率放大器1.设计要求确定功放的工作状态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。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效

29、率，一般选用临界状态，其电流流通角 c 在 60 90 范围。现设 c =700。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。集电极电流余弦脉冲直流 ICO 分解系数 0 (700 ) = 0.25 ，集电极电流余弦脉冲基波 ICM1分解系数， 1 (700 ) = 0.44 。设功放的输出功率为 0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为: =95mA集电极电流脉冲的最大振幅为 =95MA/0.44=216MA集电极电流脉冲的直流分量为 I co =I c max × o ( c ) =216 

30、15; 0.25 =54mA电源提供的直流功率为PD = V CC I CO = 12V × 54mA = 0.65 w集电极的耗散功率为：PC = PD Po = 0.65 0.5 = 0.15w集电极的效率为 =0.5/0.65=77% 满足设计要求已知： Ap = 13dB 即 Ap = 20 Pi = Po / Ap =0.5 / 20= 25mV基极余弦脉冲电流的最大值（设 3DA1 的 =10） =21.6mA极基波电流的振幅为：基极输入的电压振幅 VBm=2 Pi / I B1m=5.3V2. 基极偏置电路计算VE= Vbm cos c = 5.3cos 700=1.1

31、V RE= Ve/ I co = 1.1/(54 ×103 ) = 20 取高频旁路电容 C E 2 = 0.01 pf3.计算谐振回路与耦合线圈的参数输出采用 L 型匹配网路， R p = 110 , RL = 51 R p= (1 + QL 2 ) RL = =(1+ )Ls=2.72uH = =259Pf匹配网路的电感 L 为1.46 µ H ，电容 C 为 259 pF4.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，前者滤波电感 可按经验取50100H，后者滤波电感一般取 0.01H。3.2 三类放大器的分析比较 利用宽带变压器作耦

32、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放称为谐振功放。根据放大器电流导通角 c 的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角 c 越小放大器的效率越高。如丙类功放的 c 小于 900。丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图就可以看出。如图 3-4 所示。 图3-4 丙类功放谐振功率放大器的特点：1） 放大管是高频大功率晶体管，能

33、承受高电压和大电流。2） 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端负载的匹配。 图3-5 功率放大器各分压与电流的关系3） 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。功率放大器各分压与电流的关系如图 3-5 所示。由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲 。由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解为 iC (t ) = I c 0 + I c1mCost + I c 2 mCos 2t + I cnmCosnt + （5-4）I c 0 I c1m I c 2m I cnm分别为集电

34、极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅 在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出下式中直流分量及各次谐波分量下面仅列出前面几项的表达式 只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分量的变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻RP上的功率为 集电极的功耗为放大器集电极能量装换效率等于输出功率与电源供给功率之比甲类状态， c 180，50乙类状态， 90，7

35、8.5丙 类 状 态 ， c 60 ，89由此可见放大器工作在丙类状态时，效率最高。3.3 单元电路选择 单元电路的选择1.甲类电路 根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图 4-6所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管 Q1 工作在甲类状态，其中 L、C3、C4、R6 构成选频回路，通过调节可调电容 C3 使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻 R，减小回路品质因数从而加宽通频带。 图3-6 一级甲类谐振放大器为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图 3-7 所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。图3-7两级甲类放大2.丙类高功放由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图 3-8 所示。 图3-8 丙类功放第四章 高频谐振放大器电路4.1整体电路设计的总体电路图如图 4-1 所示， 图4