高频电子线路课程设计高频功率放大器设计

1、目录摘要IAbstractII1 高频功率放大器的基本原理11.1 宽带功放21.1.1 静态工作点31.1.2 甲类功放的负载特性31.1.3 宽带功放的功率增益41.2 丙类功率放大器51.2.1丙类功放基本关系51.2.2 负载特性92 参数设计112.1 宽带功放参数计算112.1.1 电路参数计算112.1.2 静态工作点计算122.2 丙类功放参数计算122.2.1 放大器的工作状态计算122.2.2计算谐振回路及耦合回路的参数132.2.3 基极偏置电路参数计算143 总体电路设计154 电路仿真164.1 宽带功率放大器电路仿真164.2 丙类功放电路仿真185 心得体会196

2、元件清单207参考文献21摘要高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大。以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内 的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。放大器可以按照电流导通角的不同， 将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360°， 适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180°；丙 类放大器电流的流通角则小于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

3、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。高频功率放大器在很多领域和方面都有应用，并且涉及到很多方面的知识点，则在此次设计中我们可以掌握高频宽带功放与高频谐振功放的设计方法，电路调谐及测试技术；负载的变化及激励电压，基极偏置电压，集电极电压的变化对放大器工作状态的影响；了解寄生振荡引起的波形失真及消除寄生振荡的方法；并且可以了解并掌握仿真软件的应用。 Abstract The high frequency power amplifier u

4、ses in transmitter's last stage, the function is carries on the high frequency modulated wave signal the power amplification. Satisfies the sending power the request, then radiates after the antenna it the space, guaranteed that the receiver may receive satisfaction in certain region the signal

5、level, and does not disturb adjacent channel's correspondence. The high frequency power amplifier is in the communications system the transmitter installation important module. The amplifier may defer to the electric current breakover angle the difference, divides into the armor, the second grad

6、e, the third three kind of active status it. The Class A amplifier electric current's angle of flow for 360°, is suitable for the small signal low power enlargement. The class B amplifier electric current's angle of flow approximately is equal to 180° The third kind of amplifier el

7、ectric current's angle of flow is smaller than 180°. The class B and the third kind are suitable for the high efficiency work. The third kind of active status's output and the efficiency are in three kind of active statuses the highest. The high frequency power amplifier mostly works Yu

8、 Binglei. But the third kind of amplifier's current waveform distorts is too big, thus cannot use in the low frequency power amplification, can only use in using the tuning circuit to take the load the resonance power amplification. Because the tuning circuit has the filter capacity, the loop cu

9、rrent and the voltage extremely nearly in the sinusoidal waveform, the distortion were still very small. The high frequency power amplifier has the application in many domains and the aspect, and involves to many aspect knowledge spots, we may grasp the high frequency wide band power amplifier and t

10、he high frequency resonant power amplifier design method in this design, the electric circuit harmonious and the test technology; Load change and excitation voltage, base electrode bias voltage, collector voltage change to amplifier active status influence; The understanding parasiteic oscillation c

11、auses the wave distortion and eliminates the parasiteic oscillation the method; And may understand and grasp simulation software's application.I1 高频功率放大器的基本原理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，需要经过多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。则此次可用两级功率放大器组成高频功率放大器，如下图1-1宽带功放丙类功放 小功率信

12、号 大功率信号 图1-1 高频功率放大器原理方框图利用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。但是效率较低，一般只有20%左右。它通常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Q越小，放大器的效率越高。如丙类放大器Q<90°，但是效率可达到80%。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效率。1.1 宽带功放 图 1-2 宽带功放电路图1.1.1 静态工作点如图1-2所示，晶体管Q1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，

13、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： （公式1-1）式中，RF1一般为几欧至几十欧。 （公式1-2） （公式1-3）1.1.2 甲类功放的负载特性如图1-2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： （公式1-4）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B=0.750.85。 图1-3 甲类功放的负载特性图1-3为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负

14、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： （公式1-5）式中，ucm为集电极输出的交流电压振幅，Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别 （公式1-6)式中，uCES称为饱和压降，约1V （公式1-7)如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则 （公式1-8)式中，RH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。 1.1.3 宽带功放的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1-1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 （公式1-9）其中，Pi

15、为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为 （公式1-10） 式中，Ri又可以表示为 (公式1-11)式中，hie为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻rbb¹ 。hfe为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数。1.2 丙类功率放大器图1-4 丙类功放电路图1.2.1丙类功放基本关系 如图1-4所示，丙类功率放大器的基极偏置电压uBE是利用发射极电流的直流分量IEO（ICO）在射极电阻RE2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

16、ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2C3的选频作用可输出基波谐振电压uc1,电流ic1。图1-5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： (公式1-12)图1-5 丙类功放的基极、集电极电流和电压波形式中, 为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；为集电极基波电流振幅；Ro为集电极回路的谐振阻抗。（公式1-13） 式中，PC为集电极输出功率 (公式1-14)式中，PD为电源供给的直流功率,ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。（公式1-15）电流脉冲ic经傅立叶级数分解，可得峰值Icm与分解系数的关系式 分解系数与的关系如图1-6所示。图1-6 与的关系

17、放大器集电极的耗散功率PC为 PC=PD - PC （公式1-16）放大器的效率为 （公式1-17）式中：称为电压利用系数。图1-7 输入电压与集电极电流波形图1-7 输入电压与集电极电流波形图1-7为功放管特性曲线折线化后的输入电压与集电极电流脉冲ic的波形关系。由图可得： (公式1-18)式中：uj为晶体管导通电压（硅管约为0.6V，锗管约为0.3V） ubm为输入电压（或激励电压）的振幅。 uB为基极直流偏压。 (公式1-19)当输入电压ube大于导通电压uj时，晶体管导通，工作在放大状态，则基极电流脉冲Ibm与集电极电流脉冲Icm成线性关系，即满足 (公式1-20)因此基极电流脉冲的基

18、波幅度Ib1m 及直流分量Ibo也可以表示为 （公式1-21） (公式1-22)基极基波输入功率Pi为 (公式1-23)放大器的功率增益Ap为 （公式1-24）丙类功率放大器的输出回路采用了变压器耦合方式，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 (公式1-25)式中，N1为集电极接入初级匝数。 N2为初级线圈总匝数。 N3为次级线圈总匝数。QL为初级回路有载品质因数，一般取210。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(公式1-26) 式中，为晶体管基极体电阻25。1.2.2 负载特性当功率放大

19、器的电源电压+ucc，基极偏压ub，输入电压C或称激励电压usm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极回路的等效负载电阻Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图1-8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Pc和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。Rq所对应的值称为最佳负载电阻值，用R0表示，即(公式1-27) 当Rq< R0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Rq > R0时，放

20、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选择在临界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：ucc - ucm = uCES (公式1-28)式中，ucm集电极输出电压幅度。uCES晶体管饱和压降。图1-8 谐振功放的负载特性2 参数设计2.1 宽带功放参数计算2.1.1 电路参数计算由丙类功率放大器的计算结果可得，甲类功率放大器的输出功率应等于丙类功放的输入功率Pi，输出负载应等于丙类功放的输入阻抗|Zi|，即= Pi= 25 m W = |Zi| = 86 设甲类功率放大器

21、的电路如图1-1所示的激励级电路，得集电极的输出功率P0为(若取变压器效率T =0.8)P0 =/T 31 m W若取放大器的静态电流ICQ = Icm = 7 mA，得集电极电压的振幅Vcm及最佳负载电阻Re分别为Vcm = 2 P0/Icm =8.9 V因此射极直流负反馈电阻RE1为             取标称值360。输出变压器匝数比为 若取二次侧匝数N2 = 2，则一次侧匝数N1 = 6本级功放采用3DG12晶体管，设=30，若取功率增益AP =13dB（20倍）

22、，则输入功率Pi为Pi = P0 /AP = 1.55 m W得放大器的输入阻抗Ri为Ri rb'b +R3 = 25 +30×R3若取交流负反馈电阻R3 = 10 ， 则Ri = 335 得本级输入电压的振幅Vim为2.1.2 静态工作点计算由上述计算结果得到静态时(Vi=0)晶体管的射极电位VEQ为若取基极偏置电路的电流I1=5IBQ，则 VEQ = ICQ RE1 = 2.5 V则 VBQ = VEQ + 0.7 V = 3.2 VIBQ = ICQ / = 0.23 m AR2= VBQ / 5 IBQ = 2.8 k 取标称值3k。2.2 丙类功放参数计算2.2.1

23、 放大器的工作状态计算为获得较大的效率及最大输出P。将丙类功放的工作状态选为临界状态，取，可得集电极的负载电阻集电极基波电流振幅 集电极电流脉冲的最大值ICM及其直流分量ICO分别为 电源供给的直流功率=0.65w集电极的耗散功率PC=PD - PC=0.15w集电极效率 =Po/Pd=77%若设本级功率增益Ap=13dB（20倍），则输入功率Pi=Po/Ap=25mW基极余弦脉冲电流的最大值（设晶体管3DA1的=10）IBm=ICm/=21.6mA基极基波电流的振幅IBm1=IBm=9.5mA输入电压的振幅VBm=2Pi/IBm1=5.3V2.2.2计算谐振回路及耦合回路的参数丙类功放的输入

24、,输出耦合回路均为高频变压器耦合方式,其输入阻抗|Zi|可以计算|所以输出变压器的线圈匝数比为取N3=2，N1=3。若取集电极并联回路的电容C=100PF，得回路电感若采用的NXO-100铁氧体磁环来绕制输出耦合变压器，可算出变压器初级线圈的总匝数N2，即则 N2=8需要指出的是，变压器的匝数N1，N2，N3的计算值只能作为参考值，由于分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通常采用磁芯位置可调节的高频变压器。2.2.3 基极偏置电路参数计算由 Vb=Vi-VBmcos=-1.1V 可得基极直流偏置电压 由 RE2=|VB|/Ic0=20 得射极电阻 取高频旁路电容 CE2=0.01

25、uF3 总体电路设计根据前面章节的分析讲述则高频功率放大器的总体电路图设计如下图3-1 图3-1 高频功率放大器的总体电路图4 电路仿真4.1 宽带功率放大器电路仿真利用PSpice软件对宽带功率放大器电路(如下图4-1)进行仿真，首先要对宽带功放电路参数进行设置并进行调试，调整其静态工作使其满足Vbq=2.8V，Veq=2.2V,Icq=6mA；图4-1 宽带功放测试电路在输入峰值为10mA，频率为5MHz的交流信号时，对其输出进行仿真可以得到如下图4-2，图4-3仿真波形。图 4-2 输入信号图 4-3 输出信号在对其频带进行分析得到如图4-4，图 4-4 输出电压的频率特性由上图分析可得

26、此宽带功放的通频带为1.7MHz，在此通频带内此电路可以得到较高的放大倍数。4.2 丙类功放电路仿真如上图 1-4为丙类功放测试电路，在输入峰值为10mA，频率为5MHz的交流信号时，对其输出，输出进行仿真可以得到如下图4-5，图4-6仿真波形。图 4-5 输入信号图 4-6 输出信号根据调试在输入峰值为10mA，频率为5MHz的交流信号时，其可得到最大峰值为200mV信号，则此电路设计的谐振频率为5MHz。5 心得体会高频电子电路与实际应用密切联系，是一门工程性很强的科目，但对于我们同学来说，高频电子线路涵盖知识面广而且线路复杂，原理深奥难懂。此次高频电子线路课程设计为我们同学更深刻地理解理论知识，应用到实践当中提供了一个很好的平台。与电子技术课程设计相比，此次课程设计更要求学生要有扎实的理论知识水平和灵活的学习方式。课程设计和平时的理论学习有很大的不同，除了要扎实的掌握理论知识外，还要