课程设计高频功率放大器的设计

1、课程设计任务书20092010学年第二学期专业： 通信工程专业 学号:0801100和姓名： 需珠儿课程设计名称：通信电路课程设计设计题目：高频功率放大器的设计完成期限：自2010年6月15日至2010年6月22 h共丄周一、设计目的1、巩固所学的理论知识；2、提高综合运用所学理论知识独立分析和解决实际问题的能力；3、掌握高频功率放大器的基木原理；4、分析与计算各个参数与性能指标。二、设计内容根据功率放大器的原理，设计一个高频功率放大器。三、设计要求1、设计出高频功率放大器，并分析原理；2、分析与计算集电极电流ic及其傅立叶变换；3、分析其特点。四、参考资料1 沈伟慈通信电路西安：西安屯子科技

2、大学出版社，2007.指导教师（签字人 教研室主任（签字）： 批准日期：年 月 日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 线传输过程屮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人器。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。本次课程设计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，并对结果进行分析，最后总结课程设计体会。关键词：无线传输；高频功率放大器；频带；选频网络；负载1课题描

3、述12设计原理13设计过程53.1电路原理及特点53.1.1 高频功放性能分析53.1.2谐振功率放大器的动态特性53.1.3功率放大器的负载特性63.1.4放大器工作状态的调整73.2设计内容及参数计算94结果及分析12总 结13参考文献141课题描述在通信电路中，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、屮间放大级、末级功率

4、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。这里提到的放人级都属于高频功率放人器的范畴。通过对常见的 几种高频功率放大电路的性能及指标的分析对比，木设计最终选择了丙类谐振功率放大 电路。本文主要通过对丙类谐振放大器的各个组成部分进行透彻的分析和相关的参数计 算最终顺利的完成了设计。2设计原理高频功率放大器是将高频信号进行放大的一种电路，它常常被用在通讯设备的末 级。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。高频功率放大器像低频功率放大器一样可一工作于甲类、甲乙类或乙类等状态，但 高频功率放大器一

5、般常用的是工作于丙类。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0c的范围 可分为甲类、乙类、丙类和丁类功放。电流导通角&越小放大器的效率越高。如丙类 功放的a小于90。，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较高 的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图21所示。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）基极偏置电路为品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

6、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屮起开关控制作 用，谐振冋路lc是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图22所示。（a）（b）图2-2放大器电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(5-4)=l + r . coscot + /._ cosncot +ico iclm ic2m【nm分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的 振幅图2-3谐波波形图在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于肓流分量和基波分量等前面几项利用

7、周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式(5-4)直流分量及各次谐波分量下面仅列出前面几项的表达式：.(1 sine-ecoso.(1 0-sin9cos9x -cos0.丄、sin!o coso-isin o coso7ts 加 30 6“-3s 加伏 5812(l-cos0)只要知道电流脉冲的最大值和导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：pdc = uccco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rp上的功率为:p。=吋強=屮赢

8、rp = a集电极的功耗为：pc=pdc-po放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比其中5(0)甲类状态，ec =180, n =50%乙类状态，ec =90,7 =78.5；丙类状态，ec = 60 n =89%工作在丙类状态时，效率最高。3设计过程图31丙类功放原理图3.1电路原理及特点3.1.1高频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。3.1.2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vb、供电电压vcc、vbb等4个参量决定的。为了阐明

9、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。3.1.3功率放大器的负载特性如果vcc、vbb、vb3个参变量不变，则放犬器的工作状态就由负载屯阻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3-2所示。图32电压电流随负载变化波形图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1->2->3。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

10、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。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二rplcl,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，icl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3-3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人，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

11、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3-3谐振功率放大器的负载特性曲线3.1.4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vbo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

12、经临界转入欠压。vcc变化时对工作状态的影响如 图3-4所示：j临界图3-4 vcc变化时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3-5所示。°过圧状态欠圧状态3欠压状态(b)v ccv cc 0过压状态图3-5改变vcc时工作状态和电流，功率的变化vcc、vbb、rp不变，vbm变化。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。当vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度

13、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3-6所示。图3-6 vbm变化的特性3.2设计内容及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，其电流流通角幺在60°至90°范围。现设0c=70o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。集电极电流余弦脉冲直流ico分解系数6zn（7o°）=o.2

14、5,集电极电流余弦脉冲基 波lew分解系数，i（70°）=0.44o设功放的输出功率为0.5wo功率放大器集电极的等效电阻为:集电极基波电流振幅为:匚产卩巴/心=95九4集电极电流脉冲的最大振幅为：心=4 / 8 檢）=95 ma/0.44 = 216ma集电极电流脉冲的直流分量为：/ = / x a （0 ） = 216x 0.25 = 5ma电源提供的直流功率为：pd = vcclco =12kx 54/714 = 0.651v集电极的耗散功率为：pc = pd_£, = 0.65 一 0.5 = 05 w集电极的效率为：“=巳/& =0.5/0.65 = 77

15、%满足设计要求»仃 a=3db 即 an = 20已知：pp则输入功率：pi = po / ap = 0.5/20 = 25m v基极余弦脉冲电流的最大值（设3da1的p=10）基极基波电流的振幅为:仏=/帥0(7°") = 95九4得基极输入的电压振幅为:v臥=2pjgm=w（2）基极偏置电路计算因 ve cos0c-j/z =5.3cos70° = lit因冬=& 则有：re = ye 11c（） =1.1/（54 x1o'3） = 200=0.0 inf 取高频旁路电容 -（3）计算谐振回路与耦合线圈的参数输出采用l型匹配网路，&#

16、163; =1100,他=510心=（1 + 02）伦l076x512x6xl06 =1.46"j"2古山十為）56 = 2.72期c = 2f2lppf =259 pf1" 4x3.142x62x2.72x10-6匹配网路的电感l为1.46 ph ,电容c为259 pf。（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兀型lc低通滤波器，滤波电感0可按经验取50100|ih,滤波电感一般取o.olpifo4结果及分析高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下，丙类谐振功 放的输出功率虽不及甲类和乙类大，但效率高，节约能源，所以是高频

17、功放屮经常选用 的一种电路形式。丙类谐振功放效率高的原因在于导通角0小，也就是晶体管导通时间 短，集电极功耗减小。但导通角e越小，将导致输出功率越小。所以选择合适的。角， 是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。若丙类谐振功放用 来放大等幅信号（如调频信号）时，应该工作在临界状态；若用来放大汕等幅信号（如调幅 信号）时，应该工作在欠压状态；若用来进行基极调幅，应该工作在欠压状态；若用来 进行集电极调幅，应该工作在过压状态。折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的 作用。丙类谐振功放的输入回路常采用自给负偏压方式，输出回路有串联反馈和并联反 馈两种直流馈电方式。为了实现和前后

18、级电路的阻抗匹配，可以采用lc分立元件、微 带线或传输线变压器几种不同形式的匹配网络，分别适用于不同频段和不同工作状态。 宽带高频功放采用非调谐方式，工作在甲类状态，采用具有宽频带特性的传输线变压器 进行阻抗匹配，并可利用功率合成技术增大输出功率。总结通过该课程设计，我掌握了高频功放的原理以及步骤，还有它的工作的基本过程及 其各阶段的基木任务，熟悉高频功放电路图，及其工作状态。课木上的知识是机械的， 抽象的。在本次课程设计，我有很大的收获，这不仅仅是理论知识上的完善，而且实践能力 和动手能力有了质的飞跃!设计屮，我自感知识的缺陷，不断的上网查阅资料，翻阅各 类相关书籍，自己动手，自己设计，让我的思维逻辑更加清晰。在设计过程中，我熟练 掌握了