高频功率放大器设计

1、目 录摘 要 关键词 . 21 高频功率放大器知识简介 . 31.1 电路工作原理 . 31.2 高频功放性能分析 . 6 谐振功率放大器的动态特性 . 6 功率放大器的负载特性 . .7 放大器工作状态的调整 . 82 方案论证 . 103 电路设计与参数计算 . 103.1 设计任务要求 . 10 甲类谐振放大器参数计算 . 10 丙类功放的参数计算 . 123.3 单元电路设计 . 13 甲类谐振放大器 . 13 丙类高功放. 153.4 总体电路图设计 . 154 电路仿真与结果分析 . 164.1 MULTISIM软件简介 . 164.2 仿真波形 . 17 输入信号波形 . 17

2、一级甲类放大波形 . 17 两级甲类放大波形 . 18 最终输出波形 . 18 结果分析 . 185 元件清单 . 186 心得体会.197 参考文献 . 21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，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。本次课设报告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，在软件中仿真验证是否达到技

3、术要求，对仿真结果进行分析，最后总结课设体会。关键词：高频、放大、仿真1 高频功率放大器知识简介 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

4、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。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大， 决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。 高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；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）。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。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

5、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。1.1 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 c 的范

6、围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角 c 越小放大器的效率越高。如丙类功放的 c 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 1-1 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） 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。功率放大器各分压与电流的关系如图 1-2 所示。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

7、多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解为 iC (t ) = I c 0 + I c1mCost + I c 2 mCos 2t + I cnmCosnt + （5-4）I c 0 I c1m I c 2m I cnm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（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 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

8、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;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 集电极的功耗为；放大器集电极能量装换效率等于输出功率与电源供给功率之比甲类状态， c 180，50乙类状态， 90，78.5丙 类 状 态 ， c 60 ，89工作在丙类状态时，效率最高1.2 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。 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

9、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。 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 1-4 所示。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

10、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=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 1-5 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

11、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。 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

12、态的影响如图 1-6 所示：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 1-7 所示。CC、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 1-8 所示。2 方案论证在 “低频电子线路”课程中

13、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

14、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。3 电路设计与参数计算3.1 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 Po125mW，工作中心频率fo=6MHz， >65%， 已 知： 电源供电 为 12V ，负载 电阻,RL=51 ，晶体管用 2N2219， 其主要参 数 ：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益 Ap13dB（20 倍 ）。3.2 参数计算 甲类谐振放大器参数计算 依设计技术

15、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 3-1 所示。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 I CQ 一般在 0.82mA 之间选取为宜。 设计电路中取 I c = 1.5mA ，设 Re = 1K 。因为： VEQ = I EQ Re VEQ=1.5mA ×1K =1.5VVBQ =1.5V + 0.7V = 2.2VVCEQ = VCC VEQ= 12V 2.2V = 9.8V Rb 2 = VBQ /(5 10) I BQ而I BQ = I CQ / = 1.5mA / 50 = 0.03mA

16、则：Rb 2 = VBQ / 10 I BQ = 2.2V / 0.3 = 7.3K取标称电阻 8.2K 因为：Rb1 = (VCC VBQ ) / VBQ Rb 2则：Rb1= (12V 2.2V ) / 2.2V 8.2= 36.5 K 谐振回路参数计算1）回路中的总电容 C因为： =150.35pf2）回路电容 C 则C= 150.35 pF (12 7 pF ) = 143.04 pF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

17、个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比， L = KN 2式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-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 Lm 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 LO ，再用下面的公式求出系数 K 值：K = Lo / N o2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K = LO / N O 2=2 ×106/ 102=2 ×108要得到 4 uH

18、 的电感，所需匝数为N= = =14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。因有N1 = p1 N 2而 N 2 = 14 匝 则 N 1 = 0.3 14 = 4.5 匝带宽的确定 由于 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。 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

19、出大功率、高效率，一般选用临界状态，其电流流通角 c 在 60 90 范围。现设 c =700。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 0 (700 ) = 0.25 ，集电极电流余弦脉冲基波 ICM1分解系数， 1 (700 ) = 0.44 。设功放的输出功率为 0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为: =95mA集电极电流脉冲的最大振幅为 =95MA/0.44=216MA集电极电流脉冲的直流分量为 I co =I c max × o ( c ) =

20、216 × 0.25 =54mA电源提供的直流功率为PD = V CC I CO = 12V × 54mA = 0.65 w集电极的耗散功率为：PC = PD Po = 0.65 0.5 = 0.15w集电极的效率为 =0.5/0.65=77% 满足设计要求已知： Ap = 13dB 即 Ap = 20 Pi = Po / Ap =0.5 / 20= 25mV基极余弦脉冲电流的最大值（设 3DA1 的 =10） =21.6mA 基极基波电流的振幅为：基极输入的电压振幅 VBm=2 Pi / I B1m=5.3V （2）基极偏置电路计算VE= Vbm cos c = 5.3c

21、os 700=1.1V RE= Ve/ I co = 1.1/(54 ×103 ) = 20 取高频旁路电容 C E 2 = 0.01 pf （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， R p = 110 , RL = 51 R p= (1 + QL 2 ) RL = =(1+ )Ls=2.72uH = =259Pf匹配网路的电感 L 为1.46 µ H ，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 型 LC 低通滤波器，滤波电感 0 可按经验取50100H，滤波电感一般取 0.013.2 单元电路设计 甲类谐振

22、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 3-2 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。 为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图 3-3 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。 丙类高功放 由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图 3-4 所示。3.4 总体电路图设计设计的总体电路图如图 3-5 所示

23、，4 电路仿真与结果分析4.1 multisim 软件简介 随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。 Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设

24、计环境。 本次课程设计电路就是利用 multisim 软件进行绘图并仿真。4.2 仿真波形 输入信号波形输入波形信号如图 4-1 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。 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 4-2 所示，其峰峰值增大到 589mv，将输入信号电压放大了。 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 4-3 所示。 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 4-4 所示。 结果分析 由于高频放大器有甲类，丙类。将上述单元电路按图 2-12 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