高频功率放大器课程设计.doc

高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 高高 频频 功功 率率 放放 大大 器器 姓 名： 专业班级： 学 号： 学 院： 指导教师： 20102010 年年 6 6 月月 2 2 日日 高频功率放大器 1 摘 要 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，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。 高频功率放大器 2 目目 录录 摘要 .1 一 选题意义 .3 二 总体方案 .4 2.1 方案论证 .4 2.2 甲类谐振放大器 .4 2.3 丙类高功放 .5 2.4 总体电路设计 .6 三 各部分设计及原理分析 .6 3.1 电路工作原理 .6 3.2 高功放性能分析 .9 3.2.1 谐振功率放大器的动态特性.9 3.2.2 功率放大器的负载特性.9 3.2.3 放大器工作状态的调整10 四 参数选择 12 4.1 设计任务要求 12 4.2 参数计算 12 4.2.1 甲类谐振放大器参数计算12 4.2.2 丙类功放的参数计算 14 五 电路仿真与结果分析 16 5.1 输入信号波形 16 5.2 一级甲类放大波形 16 5.3 两级甲类放大波形 17 5.4 最终输出波形 17 六 结果分析 18 七 元件清单 19 八 心得体会 20 九 参考文献 21 高频功率放大器 3 一一 选题意义选题意义 现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采取自动调谐技术，以便于迅 速转换工作频率。由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡频率很小，因此在它后 面要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大器，获得足够的高频 功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级 采用宽带高频功率放大器 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分。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 4 二二 总体方案总体方案 2.1 方案论证方案论证 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。 2.2 甲类谐振放大器甲类谐振放大器 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2-1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 3-2 一级甲类放大电路设计 高频功率放大器 5 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2-2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 2- 2 两级甲类放大电路设计 2.3 丙类高功放丙类高功放 图 2-3 丙类功放原理图 高频功率放大器 6 2.4 总体电路设计总体电路设计 图 2-4 设计总图 三三 各部分设计及原理分析各部分设计及原理分析 3.1 电路工作原理电路工作原理 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的范围 可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小放大器的效率越高。如丙 c 类功放的小于90度， 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 c 较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图3-1所示。 c 高频功率放大器 7 图3-1 谐振功率放大器的基本电路 谐振功率放大器的特点： （1） 放大管是高频大功率晶体管，能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。 （3） 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。 （4） 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。 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。功率放大器各分压与电流的关系如图1-2所示。 图 3-2 功率放大器各分压与电流关系 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 （3-1） 12 ( )coscos2cos ccoc mc mcnm i tiititin t 高频功率放大器 8 图 3-3 ic(t)各次谐波的波形示意图 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，可以求出式（3-1）直流分量及各次谐波分量 （3-2） （3- max () cmncnn iia 3） 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 。 各次谐波分量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 （3-4） 0dcccc pui 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上的功率为 （3-5） 集电极的功耗为 （3-6） 0cdc pp p 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源提供功率之比 （3-7） 甲类状态，度，180 c 50% 乙类状态，度， 90 c 78.5% 丙类状态，度，60 c 89% 工作在丙类状态时，效率最高。 011 1 00 ( )111 ( ) 22( )2 ccm dcccc pi ua g pi ua 2 sincoscossin2 () (1)(1 cos) cccc nn c nnn a n n 2 2 011 111 222 cm cmcmcmp p u piuir r 高频功率放大器 9 3.2 高功放性能分析高功放性能分析 高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，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折线法来分析其工作原理和工作状态。 3.2.1 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b、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发生怎样的变化。 3.2.2 功率放大器的负载特性功率放大器的负载特性 如果vcc、vbb、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻rp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。电压、电流随负载变化波形如图3-4所示。 图 1-4 电压、电流随负载变化波形 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ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。 临界状态时负载线和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， 输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。 高频功率放大器 10 欠压状态 时b点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据vc=rpic1，放 大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻rp的增大而增大，其输出功率、效率的 变化也将如此。 过压状态时放大器的负载较大，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如图3-5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 3-5 谐振功率放大器的负载特性曲线 3.2.3 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：改变集电极负载 rp；改变供电电压vcc；改变偏压vbb；改变激励vb。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临界转入过压。在 临界状态时输出功率最大。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。vcc变化时对工作状态 的影响如图1-6所示： 高频功率放大器 11 图 3-6 vcc 变化是对工作状态的影响 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。改变vcc时，其工作状态和电流、 功率的变化如图3-7所示。 vcc 图 3-7 改变 vcc 时工作状态和电流、功率的变化 vcc,vbb,不变，变化，自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度 p r bm v bm v 和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当vbm自0向正值增大时，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。谐振功放 的放大 特性是指放大器性能随vbm 变化的特性，其特性曲线如图3-8所示。 图3-8 vbm 变化的特性 高频功率放大器 12 四四 参数选择参数选择 4.1 设计任务要求设计任务要求 设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率mw,工作中心频 0 125p 率mhz，。 0 6f 65% 已知：电源供电为12v，负载电阻，晶体管用2n2219，其主要参数：51 l r pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍）。 4.2 参数计算参数计算 4.2.1 甲类谐振放大器参数计算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，设计参考电路见图4-1所示。 图 4-1 设置静态工作点 由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82ma之间 cq i 选取为宜。 高频功率放大器 13 涉及电路中取=1.5ma,设=1k。 c i e r ,v,v bqeq vv0.7 beq v1.50.72.2 bq v , v ceqcceq vvv122.29.8 ceq v , k 2 /(5 10) bbqbq rvi/107.3 bqcqbq iii 取标称电阻8.2k。 k 12 ()/36.5 bccbqbqb rvvvr 考虑调整静态电流的方便，用22k电位器与15k电阻串联。 谐振回路参数计算 回路中的总电容c pf 0 1/2flc 2 0 1/(2)150.35cfl 回路电容c pf 2 21 () oe ccpc150.35c 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，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， 2 lkn 式中k与线圈的尺寸及磁性材料有关。n为线圈的匝数。 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，再用下面的 公式求出系数k值： 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 h/匝 8 2 10k 要得到4uh的电感，所需匝数为 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。 匝 112 4.5npn （4）宽带的确定 14 m l n k 0 2 0 l k n 高频功率放大器 14 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。 4.2.2 丙类功放的参数计算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600900范围。 c 现设0 70 c 度。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。 c 集电极电流余弦脉冲直流ico分解系数，集电极电流余弦脉冲基波icm1分解 0 0.25a 系数，。设功放的输出功率为0.5w。 1 0.44a 功率放大器集电极的等效电阻为： 2 0 () 110 2 ccces p vv r p 集电极基波电流振幅为： ma 10 2/95 cmp ipr 集电极电流脉冲的直流分量为： ma max0( )54 cocc iia 电源提供的只留功率为： w0.65 dccco pvi 集电极的耗散功率为： w0.15 cdo ppp 集电极的效率为： /77% od pp 满足设计要求 已知db, 即13 p a 20 p a 则输入功率： mw/25 iop ppa 基极余弦脉冲电流的最大值 ma21.6 cm bm i i 0 0.7w l f b q 1 l q lg 高频功率放大器 15 基极基波电流的振幅为： ma 11 9.5 b mbm iia 得基极输入的电压振幅为： v2/5.3 bmibqm vp i (2)基极偏置电路计算 vcos1.1 ebmc vv ecoe vir /20 eeco rvi 取高频旁路电容pf 2 0.01 e c (3)计算谐振回路与耦合线圈的参数 输出采用l型匹配网络。 2 (1) pll rqr uh uh pf 匹配网络的电感l为1.46uh,电容c为259pf (4)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50-100uh,滤波电感一般取0.01uf 22 1 259 4 p c f l 2 1 (1)2.72 ps l ll q 2 0 1.46 ll s q r l 高频功率放大器 16 五五 电路仿真与结果分析电路仿真与结果分析 5.1 输入信号波形输入信号波形 输入波形信号如图5-1所示，由仿真示波器可以看到输入信号是一个频率为 5.85mhz，峰峰值为99.8mv的正弦波信号。 图 5-1 输入信号 5.2 一级甲类放大波形一级甲类放大波形 经过第一级甲类放大器后输出波形如图5-2所示，其峰峰值增大到589mv，将输入 信号电压放大了。 图5-2 一级放大后波形 高频功率放大器 17 5. 3 两级甲类放大波形两级甲类放大波形 经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为2.01v，如图5-3所示。 图5-3 两级放大后波形 5. 4 最终输出波形最终输出波形 信号最终经过丙类放大器放大，提高其功率与效率，仿真波形如图5-4所示。 图5-4 丙类放大器输出波形 高频功率放大器 18 六六 结果分析结果分析 甲类功率放大器的优点是线性好、失真小，较好的噪声系数，在1db压缩点以下 具有几乎不失真的脉冲响应，在不同输出电平时的通带起伏小和在不同输出电平时的 相位和增益不变。它的缺点是效率不高、较大的热损耗和尺寸大。丙类功放的优点是 效率非常高，尺寸紧凑，输出功率高，可达几千瓦，工作温度比乙类还要低，可靠性 较高，在要求失真不严的系统中得到广泛应用。它的最大缺点是动态范围非常窄。将 上述单元电路按图2-4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、三级输出，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，经分析可能有 以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态 工作点的测量分析，另一方面可能是选频、滤波回路l、c等参数设置的影响。 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。 经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因 此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。 高频功率放大器 19 七七 元件清单元件清单 元器件、组件名称型号及参数数量 三极管 电感 变容二极管 固定电阻 固定电阻 固定电阻 固定电阻 固定电阻 固定电阻 固定电阻 固定电阻 固定电阻 电容 电容 电容 发光二极管 直流电源 q2n2219 500nh，3.9uh，1uh diode varactor 10 20 1k 2k 6.8k 10k 15k 20k 22k 1.5nf 100nf 470pf led +12v 3 7 2 2 1 2 1 2 3 1 1 1 2 2 2 1 1 高频功率放大器 20 八八 心心得体会得体会 通过这次高频课程设计，我受益良多。课程设计的意义在于让学生联系课堂知识， 增强查阅、收集、整理、吸收消化资料的能力；培养一定的独立分析问题、解决问题 的能力；培养学生综