高频谐振功率放大器设计

1、目录摘要11. 高频功率放大器的简介21.1高频功率放大器的分类及特点21.2高频功率放大器的三种工作状态31.3功率放大器的主要技术指标31.4 高频功率放大器的分析方法42 放大器电路分析42.1 谐振功放基本电路组成42.2 集电极电流余弦脉冲分解62.3 谐振功率放大器的动态特性72.3.1 谐振功放的三种工作状态72.3.2 谐振功率放大器的外部特性83单元电路的设计103.1丙类功率放大器的设计103.1.1放大器工作状态的确定103.1.2谐振回路和耦合回路参数计算113.2甲类功率放大器的设计123.2.1甲类功放的参数计算123.2.2静态工作点计算133.3 电路原理图及元

2、器件清单表144. 电路的仿真155实物图及实物测试166.结果分析17参考文献18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，而且通信距离越远，要求输出功率越大。所以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。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。 本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后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：甲类功放

3、乙类功放 谐振回路 耦合回路 工作状态1. 高频功率放大器的简介通信电路中，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

4、设备中都得到了广泛的应用。高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。1.1高频功率放大器的分类及特点高频功率放大器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。谐振功率放大器的特点： 放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又

5、能实现放大器输出端负载的匹配。 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。 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。1.2高频功率放大器的三种工作状态 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。表1-1为甲、乙、丙三种工作状态的特点。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。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

6、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。 电流导通角越小，放大器的效率越高。丙类放大器的导通角90%，效率可达到80，高频功率放大器一般选择在丙类工作状态。本设计采用甲类功放输出的最大不失真信号作为激励源，丙类功放作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。表1-1 不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理想效率负 载应 用甲类qc=180°50%电阻低频乙类qc=90°78.

7、5%推挽，回路低频，高频甲乙类90°qc180°50%h78.5%推挽低频丙类qc90°h78.5%选频回路高频丁类开关状态90%100%选频回路高频1.3功率放大器的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。例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。1.4 高频功率

8、放大器的分析方法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。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量IC0和基频分量Icm1。根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。如图为晶体管实际特性和理想折线。理想化折线（虚线）icgceb0VBZ图1-1 晶体管实际特性和理想折线2 放大器电路分析

9、2.1 谐振功放基本电路组成如图2-1所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。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，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。图2-1 高频功率放大器基本电路图2-2 谐振功率放大器各级电压和电流波形2.2 集电极电流余弦脉冲分解当晶体管特性

10、曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。晶体管的内部特性为： ic = gc (EbVBZ) 外部电路关系式： Eb= VBB + Vbmcoswt Vce = VCC Vcmcoswt当wt=0时， ic = ic max又因为临界导通时，Eb=VBz所以，VBZ=Vbmcos qc VBB 因此，由式可得，ic max = gcVbm(1cos qc) 若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得 ic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+Icmncosnwt+由傅里叶级数的求系数法得q / °a1 /a0 = g1a0a1a2a3a

11、0 , a1 , a2 , a32.01.01.010 30 50 70 90 110 130 150 1700.50.40.30.20.10-0.05图2-3 尖顶脉冲的分解系数由图可见，当qc120°时，Icm1/Ic max达到最大值。在Ic max与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取qc=120°应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。为了兼顾效率和功率，常常取导通角70度左右,使功率放大器工作于丙类工作状态。2.3 谐振功率放大器的动态特性2.3.1 谐振功放的三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进

12、入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方；过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区；临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。 ic ic 3 2 1 Im 0 180° 90° 半导通角 wt B A C D 3 2 1 负载增大 eb=ebmax max VCC Q ec min Vc 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 Rp Vc Vc图2-4 电压、电流随负载变化波形2.3.2 谐振功率放大器的外部特性（1）负载特性如果VCC、VB

13、B、Vb 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 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。欠压状态：B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。临界状态：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。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。过压状态：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R

14、RecrIC1mVC1mIC0欠压过压RLRecr欠压过压P1P0PCh图2-5 谐振放大器的负载特性(2)集电极调制特性集电极调制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能随VCC变化的特性。如图2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脉冲宽度一定，因而对应于VCEmin的动态点必定在VBEVBEmax的那条特性曲线上移动；当VCC由大减小时，相应的VCEmin也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，IC波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。VC1mIc1mIc0过压 临界 欠压过压 临界 欠压VCCVCChP1P0图2-6 谐振放大器的集电极调制特性

15、3单元电路的设计3.1丙类功率放大器的设计3.1.1放大器工作状态的确定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为PE=Ucc*Ico=132.3mW集电极损耗功率为P= PE PC =32.3mW转换效率为= PC / PE =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，有：输入功率为P1=P0/A

16、p=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 =2 P1/ IB1M5.3V3.1.2谐振回路和耦合回路参数计算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。因为初级回路有载品质因数，一般取。由计算可得N2=23，N1=N3=8,然后便可以根据设定的线圈匝数进行绕制。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，3.2甲类功

17、率放大器的设计3.2.1甲类功放的参数计算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3-1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，其中，Pi为放大器的输入功率性能参数计算。甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：PH = P1 =5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH =87.1设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率取0.8，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 =2 PC / ICM =2.5V最

18、佳负载电阻为=0.5k则射极直流负反馈电阻100 (ICM)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 /=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所以本级输入电压0.46V3.2.2静态工作点计算综上可知Ui=0时，晶体管射极电位UEQ= ICQ×RE1 = 8.9VUBQ =9.5VIBQ = ICQ /=0.17mA若基极偏置电流I1 =5 IBQ，则R2 = UBQ /5 IBQ 11.2k所以，有2.95k3.3 电路原理图及元器件清单表图3-1图3-1由

19、两级功率放大器组成的高频功率放大器电路，其中VT1 组成甲类功率放大器，晶体管VT2 组成丙类谐振功率放大器。元器件清单序号品名型号/规格数量1三极管 2N221922电感220uH13电容1nF14可变电容60pF25电容100nF56电容100pF27电阻10028电阻1019电阻20210电阻75111可变电阻10k112绕制线圈2表3-14. 电路的仿真5实物图及实物测试图5-1图5-26.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