高频课程设计资料

1、2015 2016学年第1学期高频电子线路课程设计报告题 目高频谐振功率放大器的设计专 业：电子信息工程班 级：姓 名：指导教师：电气工程学院2015年12月12日任务书课题名称高频谐振功率放大器的设计指导教师（职称）:执行时间20152016学年第1学期 第14周学生姓名学号承担任务系统电路设计及协调电路原理分析电路原理分析硬件电路设计硬件电路设计画电路图及仿真设计目的1、了解丙类功率放大器的工作原理；2、掌握丙类功率放大器的分析方法；3、熟悉丙类功率放大器的二种工作状态；4、掌握简单的高频谐振功率放大器的设计。设计要求1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计；2、电源电压Vcc =+

2、 12V；3、工作频率fO = 6MHz ；4、负载电阻R= 75Q时，输出功率POIOOMw,效率n>60%;5、完成课程设计报告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

3、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：高频谐振功率放大器 ; 谐振回路; 耦合回路 ; 工作状态目录高频电子线路 1任务书 2摘 要 3目 录 4第一章 高频功率放大器简介 51.1 高频功率放大器的分类 51.2 高 频 功 率 放 大 器 的 主 要 技 术 指 标 61.3 功率放大器的三种工作状态 61.4 高频功率放大器的分析方法 7第二章 放大器电路分析 92.1 谐振功放基本电路组成 92.2 集电极电流余弦脉冲分解 102.3 谐振功率放大器的动态特性 112.3.1 谐振功放的三种工作状态 112.3.2 谐振功率放大器的外部特性 122.

4、3.2.1 负载特性 122.3.2.2 集电极调制特性 122.3.2.3 基极调制特性 132.3.2.4 放大特性 13第三章 单元电路的设计 153.1 丙类功率放大器的设计 153.1.1 放大器工作状态的确定 153.1.2 谐振回路和耦合回路参数计算 153.2 甲类功率放大器的设计 163.2.1 电路性能参数计算 163.2.2 静态工作点计算 163.3 电路原理图 17第四章 课程设计心得体会 20参考文献 21答辩记录及评分表 22第一章 高频功率放大器简介在 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

5、有较大的输出，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

6、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 。例 如， 自 20 至 20000Hz ， 高 低频 率之比 达 1000 倍 。 因此 它们 都是 采用 无调 谐负 载， 如电 阻、 变 压器 等。高 频功 率放 大器 的 工作 频率 高（ 由几 百 Hz 一直 到几 百、 几 千甚 至 几 万 MHz ），但 相 对 频 带 很 窄

7、。例 如 ，调 幅 广 播 电 台（ 535 1605kHz 的频段范围）的 频带宽度为 10kHz ，如 中心频为 1000kHz ，则 相对频 宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。 因此， 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 ）。1.1 高频功 率放大器的分类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

8、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，又能实现放大器输出端负载的匹配。 基 极 偏 置 电 路 为 晶

9、 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

10、的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。1.3 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 ， 图 1-1 为 甲 、 乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。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。低 频 功 率 放 大 器 因 其 信 号 的 频 率 覆 盖 系

11、 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。表1-3-1不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理性效率负载应用甲类?c=180°50%电阻低频乙类?c=90°78. 5%推

12、挽，回路低频，咼频甲乙类90° ?c<180°50%<n <78.5%推挽低频丙类?c<90°n >78.5%选频回路咼频丁类开关状态90%100%选频回路咼频甲类乙类丙类图1-3-1放大器的三种工作状态1.4高频功率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一一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

13、功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量ICO和基频分量I cm1 o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。Ec图1-4-1晶体管实际特性和理想折线第二章放大器电路分析2.1谐振功放基本电路组成如图2-1-1所示为咼频功率放大器的基本电路。为了使咼频功率放大器有咼 效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。我们知道，在一元件（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

14、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。"bbVcc图2-1-1高频功率放大器基本电路图2-1-2为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曲线理想化后, 冲。这适用于欠压或临界状态。丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉 晶体管的内部特性为：ic =gc(eb Pbz)on它的外部电路关系式:eb= BB +V bmCos?tec =Vcc -/cmCOS?t当?t=0 时,ic = ic max因此，icmax=gc Vb

15、m(1 cos?若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得ic =I co+Icm1 cos?t+I cm2COS2?t+ +LmnCoSn?t+ 由傅里叶级数的求系数法得：Ic0= iCmax a ( ?c)I cm仁 i Cmax a ( ?c)I cmn=i Cmax a ( ?c)其中00(?c) =(si n ?c- ?ccos?c)/ 几(dos?J(?c) =( ?c- cosQsin ?c)/ 刃-(1os?)(?c) =2(sin n?ccos?c- ncos n ?csin ?c)/ n 刃 n2-1)( 1- cos?)图2-2-1尖顶脉冲的分解系数由图2-2-1可见，当？严12(

16、时，Icm/cmax达到最大值。在kmax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？c=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。2.3谐振功率放大器的动态特性 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。图2-3-1电压、电流随负载变化波形高频放大器的工作状态是由

17、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。谐振功率放大器的外部特性2.321负载特性如果Vcc、Vbb、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* Ici,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Ebmax正好相交

18、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，Ici要下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2-3-3所示。由于Vbb和Vbm 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VbE = VBEmax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

19、的脉冲波。2.323基极调制特性基极调制特性是指Vcc、Vbm和R 一定，放大器性能随Vbb变化的特性。如 图2-3-4所示。当Vbm 定，Vbb自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽 度增大，而且还因VBEmax增大而使其高度增加，因而1。0和Icim （相应的Vcm） 增大，结果使VcEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。图2-3-4谐振放大器的基极调制特性2.324放大特性放大特性是指Vbb、Vcc和R 一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图 2-3-5所示。固定Vbb、增大Vbm和上述固定Vbm、增大Vbb的情况类似，它们 都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠

20、压进入过压；进入过压后，随着Vbm的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度 增加，凹陷加深。图2-3-5谐振放大器的放大特性第三章 单元电路的设计3.1 丙类功率放大器的设计放大器工作状态的确定 因为要求获得的效率n >60%放大器的工作状态采用临界状态，取？=70° a(70° =0.436,oo(70°0.253),输出电压 Ul=2.804V,负载 Rl=75Q,则输出功率：2PO=U2L/RL=157mW集电极基波电流振幅：IC1m= U CM / RP= 3 7 . 39mA集电极电流最大值为：Icm=Ic1m/a1( 70°)

21、=85.75mA其直流分量为：Ic0=Icm*a0(70°)电源供给的直流功率为：PD=UCC*IC0=260.33mW转换效率为：n =P/Pd=157/260.3360.3%当本级增益Ap=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流B =10寸，有输入功率为：Pi=P/A p =5mW基极余弦电流最大值为：Ibm=Icm/4.36Ma基极基波电流振幅：IB1M =Ibm X a (70 )=4.36 ®.436=1.9mA所以输出电压的振幅为：Ubm=2PI B1M Q 5.3V谐振回路和耦合回路参数计算 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

22、<25 Q ,则输入阻抗：Z1=Rbb/(1-cos?) X 0?) =25 Q/(1cos70° )0.436 87.1 Q 则输出变压器线圈匝数比为：1/2N3/N1=(RL/R0)1/2Q0.37在这里，我们假设取N3=3和N仁8,若取集电极并联谐振回路的电容为 C=100pF, 则L=(1/2 jf/C 7.036 订采用10mM6mM5mm磁环来绕制输出变压器，因为有：L=4J (卩)XCmAll)cm N22X10-32,其中卩=100H/m Amm ' l=25mm, L=7.036(iH所以计算得 N=73.2 甲类功率放大器的设计电路性能参数计算甲类功

23、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=Z1=87.1 Q设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率n取0.8，则集电极输出功率：Pc=Ph/ n 6.25mW若取放大器的静态电流lcc=lcM=5mA，则集电极电压振幅：UCM=2PC/ICM=2.5V最佳负载电阻为：2RH=UcM2/2Pc=0.5k Q则射极直流负反馈电阻 ：Rei=Ucc-U cm -Uces/I cq 1780Q£qCm) 则输出变压器线圈匝数比为：1/2Ni/N2=(Rh n/R0)"2本级功放采用3DG12晶体管，取B =

24、30 A p=13dB即20倍放大数，则输入功率：Pi=P。/ a p=0.3125mW放大器输入阻抗：Ri=Rbb+B *R3=25Q +30R3若取交流负反馈电阻R3=10Q，则Ri=335Q所以本级输入电压：1/2Uim=(2RiPi) 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 =IcQXRE1=8.9VUeq =9.5V|bq=|cq/ B =0.17mA若积极偏置电流Ii=5 Ibq，则R2=Ubq/5 Ibq 11.2k Q所以，有Ri=Ucc-Ub0><R2/Ub02.95k Q3.3电路原理图123*屮JV图3-3-1功率放大

25、器电路图如图3-3-1为高频谐振功率放大器的总体电路图 C31：2DpF:=J=12DpF :4 L.to0joon :3T1图3-3-2输出电压图3-3-3输入信号波形仔XSC1图3-3-4输出信号波形第四章 课程设计心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识， 是发现、 提出、分析和解决实际问 题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 这次的高频课程设计， 加深了我对电子电路理论知识的理解， 并锻炼了实践动手 能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力 。回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理 论到实践， 在整整一星期的日

26、子里， 可以说得是苦多于甜， 但是可以学到很多很 多的的东西， 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识， 而且学到了很多在书本上 所没有学到过的知识。 通过这次课程设计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