高频功率放大器的设计.doc

东北石油大学本科生课程设计（报告）东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 高频电子线路 题 目 高频功率放大器的设计 院 系 电子科学学院 专业班级 电信08- 9 班 学生姓名 姜长剑 学生学号 080901140922 指导教师 2012年 2月 24日东北石油大学课程设计任务书课程 高频电子线路题目 高频功率放大器的设计专业 电子信息工程 姓名 学号 07主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容 利用所学的高频电路知识，设计一个高频功率放大器。通过本次电路设计，掌握高频谐振功率放大器的设计方法、电路调谐及测试技术。加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。2、基本要求 设计一个高频功率放大器，主要技术指标为： (1) 工作中心频率； (2) 输出功率； (3) 负载电阻； (4) 效率。3、主要参考资料 1 阳昌汉。 高频电子线路。 哈尔滨：高等教育出版社，2006。 2 张肃文，陆兆雄。 高频电子线路(第三版)。 北京：高等教育出版社，1993。 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 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。完成期限 2月20号-2月24号 指导教师 专业负责人 2012 年 2 月 17 日1、 电路原理1电路原理及用途 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、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。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。高频功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。根据放大器电流导通角的范围，电流导通角越小，放大器的效率越高。基于这一特点，高频功率放大器一般都工作在丙类状态。图1为丙类谐振功率放大器 图1 丙类谐振功率放大器 工作状态半导通角理想效率负 载应 用甲类qc=18050%电阻低频乙类qc=9078.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90qc18050%h78.5%推挽低频丙类qc90h78.5%选频回路高频丁类开关状态90%100%选频回路高频表1 不同工作状态时放大器的特点2主要技术指标高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。本次课程设计的主要技术指标要求如下： (1) 工作中心频率 (2) 输出功率 (3) 负载电阻 (4) 效率2、 设计步骤和调试过程1、总体设计电路丙类功率放大器甲类功率放大器输入信号输出信号图2 总体设计框图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，所以一般选用临界状态。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。从输出功率Po100mw来看，末级功放可采用甲类或丙类功率放大器，但要求总效率60%，显然，只用一级甲类功放是不能达到目的的，故采用两级功率放大器，第一级采用甲类功率放大器，第二级采用丙类功率放大器，其中甲类功放选用晶体管3DG12，丙类功放选择晶体管3DA1。功放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。(1)负载特性：当功率放大器的电源电压，基极偏置电压，输入电压（或激励电压）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。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管压降，集电极电流脉冲接近最大值。(2)高频变压器的电感有关高频变压器的电感推倒，下面对电路的具体估算有详细推算。(3)功率与效率关于功率与效率的推算，见后面的参数计算部分。整个电路的原理图如图3所示：图3 高频功率放大器电路原理图2、 电路工作状态或元件参数的确定（1）所需器件：器件类别主要参数1、晶体管3DG123DA12、电阻各阻值电阻若干3、电容各值电容若干4、高频磁环镍锌铁氧体磁环（NX-100），10mm6mm5mm5、漆包线0.31mm6、电源+UCC=12V表2 元件类别及参数（2）丙类功率放大器的设计 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=70，所以谐振回路的最佳电阻为:=551.25集电极基波电流振幅:0.019A集电极电流最大值为：=0.019/0.436=43.578mA其直流分量为：=*=43.578*0.253=11.025mA电源供给的直流功率PD =Ucc*Ico=132.3mW集电极损耗功率P= PD - PC =32.3mW转换效率= PC/PD=100/132.3=75.6%当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流=10时： 输入功率为：P1=P0/AP=5mW 基极余弦电流最大值为：IBM =ICM /4.36mA 基极基波电流振幅：=4.360.436=1.9mA 所以输出电压的振幅为UBM=2P1/ IB1M 5.3V 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Rbb25，则输入阻抗87.1则输出变压器线圈匝数比为：0.37则这里，我们假设取N3=3和N1=8若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则60H用10mm6mm5mm磁环来绕制输出变压器，所以有其中=100H/m ， A=， =25mm， L =60H 所以20 图4 丙类谐振功率放大器的匹配网络 基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压(其中U10.6V ) UB=U1-UbM COS -1.1V 则射极电阻RE2=/100 取高频旁路电容CE2=0.01f（3）甲类功率放大器的设计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=87.1 设甲类功率放大器的电路的激励级电路，则集电极输出功率PC=6.25mW 若取放大器的静态电流ICC=ICM=5mA则集电极电压振幅UCM=2PC/ ICM=2.5V 最佳负载电阻为=0.5k则发射极直流负反馈电阻1780 (ICM) 则输出变压器线圈匝数比：2本级功放采用3DG12晶体管，取=30，=13dB即20倍放大倍数则输入功率Pi=P0/AP=0.3125mW，放大器输入阻抗Ri=Rbb+*R3=25+30R3 若取交流负反馈电阻R3=10，则Ri=335，本级输入电压0.46V计算静态工作点综上可知Ui=0时，晶体管射极电位Ueq= Icq * RE1 = 8.9V ，Ubo=9.5VIbo=Ico/=0.17mA 若基极偏置电流I1=5Ibo ，则R2= Ubo/5Ibo11.2k所以有2.95k3、仿真及仿真结果分析将上述设计的元件参数，按图1所示电路进行安装(上述未标出的器件参数，以图上标注为准)。先安装第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值，再安装第二级放大器。测得晶体管3DA1静态时，基极偏置电压Ube=0，静态工作点调整后在进行动态调试。先假定谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载电阻为纯阻抗。但是回路的初始状态或者在调谐过程中，回路出现失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时可能损毁晶体管。为保证元器件安全工作，调谐时可以先将电源电压降低到规定值的，待找到谐振点后，再将升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测的波形为不失真基波。 图5 高频功率放大器仿真电路图图6 高频功率放大器输入输出波形仿真图4、设计电路的性能评测 利用电子设计工具软件 Multisism设计了高频功率放大器，并对所设计的功率放大器性能进行了仿真实验，仿真结果表明所设计的放大器性能良好，满足设计要求，即 (1) 工作中心频率；(2) 输出功率；(3) 负载电阻；(4) 效率。三、结论及心得体会经过这次将近一周的高频课程设计，不仅使我巩固了以前所学过的知识，更使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，才能真正学到属于自己的知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏实际设计及动手的经验，所以难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处，比如说发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。不过，这次实验的最大收获就是锻炼了我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要求我在设计过程中必须认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。而参数不对，最终将直接影响到仿真的结果。虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的高频功率放大器，但是离真正能够利用已学的知识自由设计使用电路的还有一段距离。课程设计的这段时间我确实受益匪浅，不仅提升了我的实践能力，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步。四、参考资料1 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社,2006.2 张肃文,陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社,1993. 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 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,2002.5 陈松,金鸿. 电子设计自动化技术 Multisi m2001 & Protel99 se.南京:东南大学出版社 , 2001.东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称高频电子线路题目名称高频功率放大器的设计学生姓名姜长剑