高频功率放大器课程设计

通信电子线路课程设计说明书高频功率放大器院、部电气与信息工程学院学生姓名专业电子信息工程学号10401140419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。高频功率放大器电路由两极功率放大器组成，第一级为甲类功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器。本次课设报告先是对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。关键词高频放大仿真甲类放大丙类放大ABSTRACTHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERISANIMPORTANTPARTOFTRANSMITTINGEQUIPMENT,ONEOFTHECOMMUNICATIONCIRCUIT,INORDERTOMAKEUPFORTHESIGNALINTHEPROCESSOFWIRELESSTRANSMISSIONATTENUATIONREQUIREMENTSTRANSMITTERHASGREATPOWEROUTPUT,COMMUNICATIONDISTANCEISFAR,THEGREATERTHEPOWEROUTPUTREQUIREMENTSINTHEHIGHFREQUENCYRANGE,INORDERTOOBTAINENOUGHHIGHFREQUENCYOUTPUTPOWER,BEABOUTTOUSEHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERDUETOTHEHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERWORKFREQUENCYISHIGH,THERELATIVEBANDNARROW,SOTHEGENERALUSEOFTHEFREQUENCYSELECTIVENETWORKASTHELOADCIRCUITHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERCIRCUITBYTHEPOLESOFPOWERAMPLIFIER,THEFIRSTLEVELFORCLASSAPOWERAMPLIFIER,THESECONDCLASSCRESONANCEPOWERAMPLIFIERTHISCLASSAREPORTFIRSTTOHIGHFREQUENCYPOWERAMPLIFIERRELEVANTTHEORETICALKNOWLEDGEASANINTRODUCTION,INPERFORMANCEINDEXBASEDONTHEANALYSISOFTHEUNITCIRCUITDESIGNFINALLYTODESIGNTHEWHOLECIRCUITDIAGRAM,THESOFTWARESIMULATIONVERIFYWHETHERTHETECHNICALREQUIREMENTS,THESIMULATIONRESULTSWEREANALYZED,ANDFINALLYSUMMARIZESACLASSEXPERIENCEKEYWORDSHIGHFREQUENCYAMPLIFICATIONSIMULATIONCLASSAPOWERAMPLIFIERCLASSCPOWERAMPLIFIER目录1设计要求111主要技术参数112具体要求12方案论证23原理分析34电路设计541参数选取5411甲类谐振放大器参数计算5412丙类谐振功率放大器电路742仿真与调试12421电路仿真及结果12422电路仿真调试14结束语15致谢16参考文献17附录A18附录B19附录C201设计要求11主要技术参数输出功率，中心频率，效率，负载电阻MWPO50MHZF1075。电源电压。50LRVC1212具体要求分析高频功率放大器原理，通过给定的技术指标要求确定甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计的工作状态和计算出电路中各器件参数，比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点、功率、效率。利用电子设计工具软件MULTISIM对电路进行仿真测试，分析电路的特性。并写出课程设计说明书，作出实际电路。2方案论证在“低频电子线路”课程中已知，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度，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度；丙类放大器电流的流通角则小于180度。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。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。因此，接下来只需要进行甲类跟丙类放大电路的设计，再将其级联，就能得到此次课程设计所需要的电路。3原理分析丙类功率放大器通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本实验单元模块电路如图21所示。该实验电路由两级功率放大器组成。其中VT1（3DG12）、XQ1与C15组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中R2、R12、R13、VR4组成静态偏置电阻，调节VR4可改变放大器的增益。XQ2与CT2、C6组成的负载回路与VT3（3DG12）组成丙类功率放大器。甲类功放的输出信号作为丙放的输入信号（由短路块J5连通）。VR6为射极反馈电阻，调节VR6可改变丙放增益。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变S5拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路Q值。当短路块J5置于开路位置时则丙放无输入信号，此时丙放功率管VT3截止，只有当甲放输出信号大于丙放管VT3BE间的负偏压值时，VT3才导通工作。图31高频功率放大电路（参考电路）丙类功率放大器工作原理丙类功率放大器工作原理电路如图33所示，VBB使放大器工作于丙类。LC回路调谐于输入信号的中心频率，构成滤波匹配网络。图33丙类谐振功率放大原理电路丙类放大功率放大器是特性分析即存在欠压，临界和过压三种工作状态。在本次设计中主要设计谐振功率放大器负载特性工作电路图如34所示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。图34丙类谐振功率放大负载特性甲类功率放大器工作原理本次采用共射极三极管电路，具有输出电阻小带负载能力强，常作为集成放大器的输出级。甲类放大的典型工作状态如图32所示，当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号愈大输送功率愈多。图32甲类放大工作波形4电路设计41参数选取411甲类谐振放大器参数计算1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，设计参考电路见图411所示。图411甲类谐振功率放大器2设置静态工作点,由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在082MA之间选取为宜。设计电路中取,设。ICQMAIC51KRE1了增强所示电路稳定静态工作点Q的效果，同时兼顾其他指标，工程上一般取,这就要求偏置电阻应满足，IVBBQ105,3BE0式中。RBB213Q点的估算由图412所示直流通路球Q点的值。在的条件下有IBQ141VRICBBB22集电极电流（42）EBQEEQBEQC由此式可见，该电路集电极静态电流只与直流电压及电阻有关。ICRE基极电流43ICQB集电极射极电压（44）RIVECCQEQ因此在本电路中取,。,KB10B20VBQ8。此处为最大值。的值可由三极管固定值算出。MAIEQC146IEQ图412基极分压式射极偏置电路（A）原理电路（B）直流通路动态增益极即小信号模型如图413所示（45）RRVAEBERLIO1由式可知电压增益与射极电阻成反比关系，即射极电阻（静态偏置电阻）越高，增益越低，因此在本次设计中我们采用的是电位器来控制电压增益，使电压增益在一个可调范围之内，提高了甲类功放的性能。图413小信号等效电路由图411分析得采用的是射极偏置电路，利用电阻RE对的自动调节作ICQ用来稳定静态工作点Q的。采用阻容耦合方式，由于的隔值通交BE21,和作用，此处50PF，射极电阻RE上的交流电被CE旁路，使电压增益不至CB1于下降很多。此处为CE1UF。2甲类放大的选频电路本次设计的甲类放大采用的是并联LC谐振回路。4621LCF在实际电路中选取。在理论计算中当选取时，PFUHL0,UHL1当时输入频率为10MHZ时电容C的计算值要比实际值大。约为400PF。通过LC谐振回路可以将所需频率选出来使之顺利输入下一极电路。3甲类功放输出信号经过C4的作用再一次滤除直流信号，大小可选为1UF。412丙类谐振功率放大器电路1自给偏置电路中，未加输入信号时，0，因此偏置电压也为零。当输LB入信号幅度由小加大时，增大，其直流分量IB0也增大，反向偏压随之增B大。这种偏置电压随输入信号幅度而变化的现象称为自给偏置效应,如图412所示。2自给偏置电路说明如图414所示是利用基极电流脉冲IB中的直流成分IBO流经来产生偏置电压，显然根据的流向偏压是反向的。由图可RBIB0V见，偏置电压容量要足够大，以便有效地短路基波及各次VIB0CB谐波电流，使来上产生稳定的直流压降。改变的大小，可调节反向偏置RB电压的大小。3在原理图的绘制中产生压降电阻值为51，的值取1UF，电感值取为B100UH,射极输出电压经的压降，取上的压降作为功率管基极正向的偏置RBB偏置电压，为了保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。图414基极自给偏压4对滤波匹配网络的要求在丙类谐振功放中，把RL变换为REPT，以获得最大输出功率的作用，称为阻抗匹配。而线性电路中的阻抗匹配，指负载阻抗与信号源的输出阻抗相等时，负载可从信号源取得最大功率在所需频带内进行有效的阻抗变换，给放大器提供REPT有效滤除不需要的谐波成分将有用功率有效地传送给负载，因此其固有损耗要小。在本次设计中L形滤波匹配网络，如图415所示图415形滤波匹配网络计算公式如下11222QRLPLL（47）5丙类功放的参数计算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、高效率，一般选用临界状态，其电流流通角在范C906围。现设70在晶体管功率放大器中，可以通过改变激励电压、基极偏压、C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，集电极电流余弦脉25070冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为05W。4701功率放大器集电极的等效电阻为105022WCESPVROP（48）集电极基波电流振幅为（49）MARPIECM95201集电极电流脉冲的最大振幅为MAAXCCCI21611（410）集电极电流脉冲的直流分量为（411）MACCI5420160MAX0电源提供的直流功率为（412）WMAVIPCOD650412集电极的耗散功率为（413）ODC1506集电极的效率为7PDO（414）因为，所以此参数满足设计要求。756直流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50500H，并联滤波电容一般取1F。电路中取为1UF。C95,7计算谐振回路与耦合线圈的参数输出采用型匹配网路,原理图如413所示，仿真电路如416所示图41610MHZ谐振功率放大器电路由滤波匹配网有以下公式（415）匹配网路的电感为1595UH，电容参考值为629PF。此处说明接入的是两个电容并联，其中接入可调电容，可扩大选频范围，提高振荡精度。此处做出说明，实际仿真的主要目的是为了更好更接近设计要求，因此在实际电路中存在与计算参数中必然存在误差，如在丙类谐振选频网络中要求选频为10MHZ，在理论计算中将C定于120PF时电感的可由公式得L22UH，这与在21LCF实际电路中的元器件参数选取存在差别。通过各级电路的参数计算，最后得出总电路图如下图417高频功率放大器总电路图42仿真与调试421电路仿真及结果将原理图通过MULTISIM软件进行仿真，仿真图如下图421仿真总电路1本次设计中输入信号为,电压值波形，输入波形如下MHZF10VI80图422输入波形2输入波形经过甲类放大之后得到的波形图，即甲类输出、丙类输入波形如下图423甲类功放输出波形3再经过丙类放大之后，得到的波形如下图424丙类功放输出波形422电路仿真调试1调试甲类放大电路，我们对射极1K电位器进行调节,在调节过程中将电位器的阻值由小到大进行调节，可发现波形图由失真变为可调，因此在仿真过程中尽量将电位器调节到最佳阻值，以达到最好输出波形。2调试丙类放大电路中的静态工作点与甲类一致，主要在滤波匹配环节网络的调节，因试验电路图与仿真存在一定差别，因此在进行最佳匹配中在选取好各元器件参数的同时，调节可调电容，使丙类输出最大不失真波形。3最后将甲类、丙类连接起来进行级调。将上述单元电路按图所示电路进行组装，先将甲、丙类功率放大电路与滤波网络相接，再将甲、丙类功率放大电路连接起来，然后再进行逐级调整并级联。仿真调试观察波形时，用一示波器各探头逐一接一、二、级输出，逐级调试。在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，因此再调节时应当动作细微，以调出最佳波形。最后由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。结束语高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件,经过几天对高频功率放大器电路的设计使我对高频电路课程有了更深一步的了解，课程设计是培养学生综合运用所学知识,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。此次的高频课设，不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设计出的电路经过MULTISIM软件仿真达到预期的放大效果，不仅让小组所有成员