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高频 功率放大器 设计

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湖南工程学院 课 程 设 计 课程名称 通信电子线路课程设计 课题名称 高频功率放大器 专 业 电子科学与技术 班 级 1202 学 号 201201180202 姓 名 郭明飞 指导教师 刘正青 2014年 12月 31日 湖南工程学院 课 程 设 计 任 务 书 课程名称 通信电子线路课程设计 题 目 高频功率放大器设计 专业班级 学生姓名 学号 指导老师 刘正青 审 批 任务书下达日期：2014 年 12月 22日 星期一 设计完成日期： 2014年 1月 2日 星期五 设计内容与设计要求 一、设计内容： 设计一高频功率放大器主要技术术指标： 1、输出功率P0≥100mW 2、工作中心频率 f0≈6MHz 3、效率η＞ 60% 4、负载RL=75Ω 已知条件：+VCC=+12V，晶体管3DG12的主要参数：PCM=700mW，ICM=300mA，VCE（sat）≤0.6V，hfe≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB。晶体管3DA1的主要参数：PCM=1W，ICM=750mA，VCE（sat）≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。 二、设计要求： 1、通过具体计算，选择器件给出设计电路； 2、仿真调试，出示仿真结果； 3、给出最终实现电路； 4、写出设计报告； 主要设计条件 提供计算机和必要的实验仪器 说明书格式 1、 课程设计报告书封面； 2、 任务书； 3、 说明书目录； 4、 电路具体设计计算； 5、 电路仿真及仿真结果； 6、 最终电路的确定； 7、 设计体会； 8、 参考文献。 进 度 安 排 第一周：星期一 ： 安排任务、讲课； 星期二 ～星期五： 查资料、设计； 第二周：星期一～星期二：实验系统调试； 星期三～星期四：写总结报告 星期五：答辩。 参 考 文 献 [1] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002 [2] 王卫东.高频电子线路.北京：电子工业出版社，2008 [3]谢自美.电子线路设计实验测试.武汉：华中科技大学出版社，2000 [4] 张新喜. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，2010年2月 [5]王廷才.Muitisim 11电子电路仿真分析与设计.机械工业出版社，2011 目录 一 概述 1 二 高频功率放大器设计 2 2.1 甲类功率放大器 2 2.1.1 静态工作点 2 2.1.2 负载特性 2 2.1.3 功率增益 3 2.2 丙类功率放大器 4 2.2.1 基本关系式 4 2.2.2 负载特性 5 2.3 参数的计算和选择 6 2.3.1丙类功率放大器的设计 6 2.3.2甲类功率放大器的设计 8 三 电路仿真 10 四 总结 11 五 参考文献 12 一 概述 高频谐振功率放大器，是无线电发射机的重要组成部分,它的主要功用是实现对高频已调波信号的功率放大, 然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间,以实现用无线信道的方式完成信息的远距离传送。功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成负载回路的交流功率的放大器。 甲类功率放大器效率较低，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的功率放大器成为谐振功率放大器，一般工作在丙类。 随着现代通信技术的日益发展高频放大应用的领域也越来越广。在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要的技术攻关项目。特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标。 图1 高频功放原理图 二 高频功率放大器设计 本次课程设计需要达到的技术指标如下： 1、输出功率P0≥100mW 2、工作中心频率 f0≈6MHz 3、效率η＞ 60% 4、负载RL=75Ω 已知条件：+VCC=+12V设计要求输入6.0MHz信号经功率放大器放大输出一个信号, 再经过阻抗变换网络产生高频输出交流电压。综上考虑本设计采用甲类功率放大器作为激励级，丙类功率放大器作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。如图所示为由两级功放组成的高频功放电路。其中晶体管Q1与选频回路组成甲类功放，晶体管Q2与选频网络组成丙类谐振功放。 2.1 甲类功率放大器 2.1.1 静态工作点 晶体管 VT1 组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。设RB1、RB2 为基极偏置电阻；RE1 为直流负反馈电阻，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： 式中，RF1一般为几欧至几十欧。 2.1.2 负载特性 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： 式中，PH′为输出负载上的实际功率，ηB为变压器的传输效率，一般为 。 图2 甲类功放的负载特性特性 图2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 应选交流负载线 AB的中点，此时集电极的负载电阻 RH称为最佳负载电阻。集电极的输出功率 PC的表达式为： 式中，为集电极输出的交流电压振幅，为交流电流的振幅，它们的表达式别为 式中， 称为饱和压降，约1V。 如果变压器的初级线圈匝数为 N1，次级线圈匝数为N2，则 式中，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。 2.1.3 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，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 其中，为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压及输入电阻的关系为 式中，又可以表示为 式中，为共发射级接发晶体的输入阻抗，高频工作时，可认为它近似等于晶体管基极体电阻；为晶体管共发射电流放大系数，即。 2.2 丙类功率放大器 2.2.1 基本关系式 丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在射极电阻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为余弦脉冲波。利用谐振回路的选频作用可输出基波谐振电压,电流。根据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： 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；为集电极回路的谐振阻抗。 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 式中，为集电极接入初级匝数。 为初级线圈总匝数。 为次级线圈总匝数。 为初级回路有载品质因数，一般取。 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 式中，为晶体管基极体电阻， 2.2.2 负载特性 当功率放大器的电源电压，基极偏压，输入电压或称激励电压确定后，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。根据谐振功率放大器的交流负载特性，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，集电极输出的功率和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。所对应的值称为最佳负载电阻值，用表示，即 当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。当时，放大器处于过压状态，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状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是: 式中，集电极输出电压幅度。晶体管饱和压降。 图3 谐振功放的负载特性 2.4 参数的计算和选择 已知条件：，晶体管3DG12C。 性能指标：输出功率，工作中心频率，效率，负载。 从输出功率P0≥100mW来看，末级功放可以采用甲类或乙类或丙类功率放大器，但要求总效率η＞60%，显然不能只用一级甲类功放，但可以只用一级丙类功放。因此采用了甲类结合丙类的电路，其中晶体管选用了3DG12C。首先设计丙类功率放大器，再设计甲类功率放大器。 2.4.1丙类功率放大器的设计 (1) 确定放大器工作状态： 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=75,所以谐振回路的最佳电阻为: Re=（Vcc-Uces）22Po=（12-1.5）220.1=551.25Ω ， 集电极基波电流振幅: Po=12Ic1m 2Rc ，Ic1m=2PoRe=2*0.1551.25≈19mA ， 查表可知余弦脉冲分解系数: a175=0.46，a075=0.27，cos75=0.26. 集电极电流最大值为： Icm=Ic1ma175=41.30mA ， 其直流分量为： Ico=a0（75）Icm=11.15mA ， 电源供给的直流功率： PS=VccIco=133.8mW ， 集电极损耗功率： Pc=Ps-Po=33.8mW ， 转换效率： ηc=100133.8=74.7% , 当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，有： 输入功率为：Pi=P0/=5mW 基极余弦电流最大值为：IBM =ICM /β≈4.13mA 基极基波电流振幅：=1.90mA 基极输入电压振幅： (2)计算谐振回路和耦合回路参数 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Rbb<25Ω 则输入阻抗≈73.44Ω 则输出变压器线圈匝数比为：，取 为丙放集电极接入的初级匝数，为负载接入的次级匝数 取=0.02uF。 (3)基极偏置电路参数计算 基极直流偏置电压(其中Uj≈0.7V ) UB=Uj-UbMCOSθ≈ -0.67V 则射极电阻R5=/≈60Ω 取高频旁路电容CE2=0.01μf 图6 丙类功率放大器设计 2.4.2甲类功率放大器的设计 (1)计算电路性能参数 综上所述，知甲类功率放大器输出功率等与丙类功放的输入功率，即：PH=P1=5mW 输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH==73.44Ω 设变压器效率ηT取0.8 则集电极输出功率Po=PH/ηt≈6.25mW ； 取集电极交流电流振幅 则集电极电压振幅UCM=2Po/ ICM=1.79V 最佳负载电阻为R=UCM22Po=254.3Ω 则射极直流负反馈电阻≈1371Ω 则输出变压器线圈匝数比：≈1.6初级匝数取7，次级匝数取3 本级功放采用3DG12C晶体管，取β=30 =6dB即4倍放大倍数 则输入功率Pi=P0/AP=1.56mW，放大器输入阻抗Ri=Rbb+β*R3=25Ω+30R3 若取交流负反馈电阻R3=20Ω，则Ri=625Ω， ∴本级输入电压≈1.40V (2)计算静态工作点 综上可知Ui=0时，晶体管射极电位Ueq= Icq* R4 = 2.5V , Ubq=Ueq+0.7=3.2V Ibq=Ico/β=0.17mA 若基极偏置电流I1=5IBQ ， 则R2= UBQ/5IBQ=≈3.76kΩ ∴有≈10.34kΩ 实际可取 电源退耦电路按经验为：为50~100 为 图5 甲类功率放大器设计 三 电路仿真 本次仿真的输入信号为F=6MHz，峰峰值为600mV的正弦波。 图7 总原理图 图8 输入信号波形图 图可得Vopp=4.5 V， 放大增益A=Vo/Vi=4500mV/600mV=7.5,20LgA=20Lg7.5=17.5dB， 所以Po=（Vopp)^2/2R=135mW。 测底Ic=16mA，则，DCP=Vcc*Ic=12*0.016=192mV， 所以n=Po/DCP=135mV/192mV=70%。 四 总结 本次课程设计所做的高频谐振功率放大器，以6MHz为谐振频率，75欧为负载电阻，仿真效果良好，输出功率为170mW，大于要求的100mW，效率大于60%，即每项指标都符合要求。 在老师讲了一遍又认真的看了老师给的资料后脑袋里有了一些思路，但是当我拿起笔准备算时却发现并没有那么简单。没办法，只有上网查查，经过几天的奋斗，才明白课程设计的任务书要求效率η>60％，对此，用一级宽带放大器或者乙类放大器又或是丙类功率放大器是达不到要求的，因此，就用了一级宽带功率放大器和一级谐振功率放大器进行级联而得。在我刚开始画好宽带功率放大器并进行调试时，发现示波器怎么都不出波形，在经过不断检查和修改后，明白了R1，R2的取值不合理，导致宽带功率放大器的静态工作点不对。 修改后，宽带功率放大器起振了波形也出来了。可是到了两级功率放大器连起来的时候就没这么简单了，怎么弄都不对，找了几个同学帮忙看，好不容易才波出来。 此次高频课设强化了自己将理论转化为实践的能力。通过这次课程设计使我懂得了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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 五 参考文献 [1] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002 [2] 王卫东.高频电子线路.北京：电子工业出版社，2008 [3]谢自美.电子线路设计实验测试.武汉：华中科技大学出版社，2000 [4] 张新喜. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，2010年2月 [5]王廷才.Muitisim 11电子电路仿真分析与设计.机械工业出版社，2011 电气与信息工程系课程设计评分表 项 目 评 价 优 良 中 及格 差 设计方案的合理性与创造性(10%) 硬件设计或软件编程完成情况(10%) 硬件测试或软件调试结果*(10%) 设计说明书质量(10%) 设计图纸质量(10%) 答辩汇报的条理性和独特见解(10%) 答辩中对所提问题的回答情况(10%) 完成任务情况(10%) 独立工作能力(10%) 出勤情况（10%） 综 合 评 分 指导教师签名：________________ 日 期：________________ 注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； ②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。  - 14 -

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