W高频电子线路课程设计-高频功率放大器的设计

1、学号：课程设计题目高频电子线路课程设计高频功率放大器的设计学院信息工程学院专业通信工程班级姓名指导教师2010 年1 月2月6 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级：通信0704指导教师： 工作单位：信息工程学院题 目:高频电子线路课程设计高频功率放大器的设计初始条件：1、可选元件：晶体管、高频磁环、电阻、电容、开关等2、仿真软件：EWB要求完成的主要任务：电路的主要技术指标：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 Q ,晶体管用3DA1 ,其主要参数： Pcm=lW,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MH

2、z,hfe10，功率增益 Ap13dB (20 倍)。 时间安排：1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、课程设计时间为1周。(1)确定技术方案、电路，并进行分析计算，时间1天；( 2 )选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天； (3)总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名：2010年1月 日系主任(或责任教师)签名：2010系主任(或责任教师)签名：2010年 1月 日目录 TOC o 1-5 h z 摘 要 IAbstract II HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 高频功率放大器概述 1基

3、本原理框图 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 放大器工作状态特点 3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 设计原理 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 整体介绍 4 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 谐振放大器基本原理 4 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 电路动态特性 6 HYPERLINK l bookmark44 o Current Do

4、cument 单元电路设计与参数计算 8 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 设计要求及思路 8 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 丙类功率放大器的设计及参数计算 9 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.2.1确定放大器的工作状态 9 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 基极偏置电路计算 10 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 谐振回路与耦合线圈的参

5、数计算 10 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 电源去耦滤波元件选择 11 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 甲类功率放大器的设计 11 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 电路性能参数计算 11 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 静态工作点计算 12 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 高频功率放大器总电路图 12 HYPERLINK l book

6、mark102 o Current Document 仿真结果及分析 13 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 5.1 甲类放大器、丙类功率放大器静态直流工作点的测量与比较 14 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 5.2末级谐振功率放大器（丙类）仿真 14 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 仿真遇到的问题 15 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 总结与体会 16参考文献 17 HYPERLI

7、NK l bookmark112 o Current Document 附录 19 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 元件清单 19本科生课程设计成绩评定表 20摘要高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，广泛应用在发射机、高频加热装 置和微波功率源等待脑子设备中。高频功率放大器用于发射机的末级时，作用是为了弥补 信号在无线传输的过程中的衰耗要求，将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率 的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信 号电平，并且不干扰相邻信道的通信。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频

8、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。高频功率放大器大 多工作于丙类。高频放大器的主要技术指标是输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑 制。关键词：丙类功放 高频 选频回路 功率与效率、技术指标AbstractHigh-frequency power amplifier for the transmitter final

9、 stage, the role of wireless transmission to compensate for signal attenuation in the process of request, high-frequency signals have been modulated wave power amplifier, transmit power to meet the requirements, and then through the antenna will its radiation into space, to ensure a certain region t

10、o the satisfaction of the receiver can receive the signal level, and does not interfere with adjacent channel of communication. High-frequency communication systems to send power amplifier is a key component devices. Their work is divided into narrow band width of the high-frequency power amplifiers

11、 and broadband high-frequency power amplifiers are two types of narrow-band high-frequency power amplifier usually has a frequency-selective filtering effect of frequency-selective circuit as the output circuit, it is also known as tuned power amplifier, or resonance power amplifier; broadband high-

12、frequency power amplifier output circuit is a transmission-line transformer other broadband matching circuits, so called non-tuned power amplifier. High-frequency power amplifier is an energy conversion device, the DC power supply will be converted into high frequency AC power output. Most high-freq

13、uency power amplifier work in Class C.Key words: C high-frequency amplifier power and efficiency of frequency-selective circuit高频功率放大器概述在低频电子线路中，为了获得足够大的输出功率必须采用低频功率放大器。这种低频 功率放大器一般工作在甲类或是乙类（推挽输出）或甲乙类的放大器，效率不会超过78.5%， 同样的在高频电子线路中，为了获得足够大的输出功率，也必须采用高频功率放大器。不 过，由于高频功率放大器的特殊性，高频功率放大器既可以工作在甲类或甲乙类状态，也 可以

14、工作在丙类或是丁类甚至是戊类，效率可以高过78.5%，比如在调幅信号发射机中， 高频功率放大器把已调波的功率放大到足够的大，使调幅广播计划的覆盖地区能够正常的 接听。在通信方面，常常也需要高频功率放大器如闭路电视。由此可见，高频功率放大器 是通信发送设备的重要组成部分，广泛应用在发射机、高频加热装置和微波功率源等待脑 子设备中。高频功率放大器有窄带和宽带放大器两种。窄带高频功放常采用具有选频功能的谐振 网络作为负载，所以又被称为谐振功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器常工作于 乙类或是丙类状态。带宽高频放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，它可以 实现功率合成。由于不采用谐振网络，

15、因此这种高频功率放大器可以在很宽的范围内变换 工作频率而不必调谐。高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率、功率增益。带宽和谐波抑制等。这 几项指标往往是相互矛盾的，对于不同应用，要有所兼顾。它的主要技术指标是输出功率 和效率。由于高频功率放大器的输出功率比较大，耗能比较多，所以工作效率就显得比较 重要。放大器的基本原理都是利用输入基极或栅极的信号区控制集电极或是漏极或阳极的 直流电源，让这个直流电源输出的功率转变为与输入信号频谱结构相同的输出信号的功 率。显然，这个转换的效率不能到100%，因为电子元器件本身还要消耗功率，比如电阻、 晶体管、场效应管、电子管等。事实上，这个直流电源输出的功

16、率一部分转化为了交流输 出，另一部分主要以热能的形式被集电极或是漏极或阳极所消耗。称为耗散功率。工作效 率的提高意味着更加的节能。武汉理工大学高频电子线路课程设计报告1.1基本原理框图高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。利用选频网络作为负 载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。随着现代通信技术的日益发展高频放大应用的 领域也越来越广。在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。 比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要 的技术攻关项目。特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术 指标。所以本次课程设

17、计我选择高频功谐振率放大器。如图1-1所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1为隔直 流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。其中天线等效阻抗，作为输出负载。 与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。gm牯播图1-1高频功放基本原理框图谐振式高频功率放大器的特点是：为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体 管发射结为反向偏置，由Eb（VBB）来保证，流过晶体管的电流为余弦脉冲波形；负载 为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放 大器的阻抗匹配。放大器工作状态特点根据放大器的导通角9的范围可以分

18、为甲类、乙类、丙类、丁类等功放。电流导通 角9的大小和效率有关系如下表2-1所示：表 2-1 各类功放特点工作状态半导通角理想效率负载应用甲类18050%电阻低频乙类9078.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90 -18050%-78.5%推挽低频丙类90大于78.5%选频回路高频丁类开关状态90%-100%选频回路高频高频功率放大器一般工作在丙类，属于非线性电路。丙类的效率可以达到 80%左右。丙类功放作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的输出效率。在这次的课程 设计的技术指标输出功率 Po500mw 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n50%，显然，只用一级甲类

19、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。设计原理整体介绍基本部分组成，即电子管、谐振回路和电源。电子管在放大器中起着把直流能量转换 为交流能量的作用；谐振回路是电子管的负载；电源供给电子管各电极电压，它们共同保 证电子管的正常工作。放大器有两个主要电路：板极电路和栅极电路。板极电路包括并联振荡回路和直流板极电压E的馈电电路。振荡回路由电感L、电容C和电阻r组成。电路中C为高频a 1 1 1旁路电容，L为高频阻流圈。在栅极电路中加入直流偏压E , 般E为负值。电路中C1 g a 2 和 L 分别是栅极回路的高频旁路电容和高频阻流圈。2谐振

20、放大器基本原理如下图 2-2 所示丙类功放基本电路图所示:图 2-1 丙类功放基本电路图丙类功放的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量I在射级电阻R上产生EO 的压降来提供，故称为自给偏压降电路。在电路中： TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark28 o Current Document u (t) = V + V cos(t)(2-1)BEBB i HYPERLINK l bookmark30 o Current Document u (t) = V + V cos t)(22)CECCc m当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极

21、电压控制的板流脉冲，脉冲波形如图3-1所示。i是周期性函数，由数学知识可知，它可用傅氏级 a数来表示。可见，板极电流等于直流分量I、一次谐波(基波)、二次谐波和其他高次谐波之和。a0当放大器的输入信号V为正弦波时，集电极的输出电流i为余弦脉冲波，但只有在欠 TOC o 1-5 h z ic压或是临界状态下才是尖顶余弦脉冲，如下图所示：若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数即： HYPERLINK l bookmark32 o Current Document i 二 I +1 coswt +1 cos2wt + (2-3)c c0 cmlcm2其中各系数应满足：I = i a (0 )C 0C max

22、0 C HYPERLINK l bookmark34 o Current Document I = i a (9 )(2-4)cmlC max 1 CI = i a (9 )cmnC max n C其中a 0、a 等系数满足的波形如下图：图2-3尖顶脉冲波的分解系数由图，兼顾功率与效率，一般高频功率放大器导通角选在70左右。此时的效果最 佳。可以达到80%左右。2.3电路动态特性当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压Ub,输入电压C确定后，如果电容导通角 确定，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Rp。谐振功率放大器的 交流负载特性如图所示。图2-4谐振功率放大器的负载特性激励

23、电压u尸Ugcos t是随时间而变化的。当E、E、R保持不变时，激励电压振幅 gggaoeU的变化对工作状态将产生影响：g当U=0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。g当Ug由零开始增加，且eg=Eg十UEg时，板i开始导通，在e V0时，栅流为零, gggg gag显然此时为欠压状态。U继续增加，且e =E十U三0时，栅流i开始出现，并随U增加而增大。所以工gggggg作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变U大小，就可以改变工作g状态。当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压Ub,输入电压C确定后，如果电容导通角确定，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Rp。

24、谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。图2-4谐振功率放大器的负载特性激励电压u尸Ugcos t是随时间而变化的。当E、E、R保持不变时，激励电压振幅 gggaoeU的变化对工作状态将产生影响：g当U=0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。g当Ug由零开始增加，且eg=Eg十UgNEg时，板i开始导通，在e V0时，栅流为零, gggg gag显然此时为欠压状态。U继续增加，且e =E十U三0时，栅流i开始出现，并随U增加而增大。所以工gggggg作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变U大小，就可以改变工作g状态。*11W111V*ik11円111U11nZ- 11ps11比

25、五卡那过乐to)HIEe卩灯耗界JUE图2-5 Ug变化对工作状态影响的三组曲线O在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊 类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波形。为实现不失真放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者 在高频附近占有很窄频带的已调波信号。在这种信号作用下，功率管集电极电流波形为接 近余弦的脉冲序列，用傅氏级数将它分解为平均分量，基波分量和各次谐波分量之和，输 出滤波匹配网络取出基本波分量，滤除其它无用分量，就能在负载上获得不失真的输出信 号。同理，在功率管输入端，基极电流也是失真脉冲序

26、列，通过输入匹配滤波网络的滤波 作用，加到功率管输入端的为不失真的信号电压。与非谐振功放一样，在特定的偏置条件下，对应于特定大小的输入信号，功率管有一 最佳负载，这时，谐振功放的输出功率最大，效率也较高。因此滤波匹配网络除了滤波作 用外，还起到匹配作用，即将输出负载（往往是非电阻性负载）变换为功率管所需的最佳 负载。总之，谐振功放是在限定输入信号波形的情况下，通过滤波匹配网络，使输出负载 上得到所需的不失真功率。单元电路设计与参数计算设计要求及思路电路的主要技术指标：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,R=51Q，晶体管用3DA1,其

27、主要参数：LP =1W,I = 750mA,V = 1.5V,f = 70MHz,hfe 10，功率增益 Ap13dB （20 倍）。 cmcmCEST从输出功率Po125mW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 n65%，显然，只用一级甲类或是丙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，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

28、状态。丙类功率放大器的设计及参数计算丙类功率放大器的电路组成如下图3-1：2R2丙类功率放大器的电路组成如下图3-1：2R2确定放大器的工作状态对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选 丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角e在60。一900范围。现设e =700，查表得：集cc电极电流余弦脉冲直流I分解系数 (700)二0.25，集电极电流余弦脉冲基波I分解系 CO 0 CM1数, a (70o)二0.44。设功放的输出功率为0.5W。1功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为：I =：2P /R = 95mAcm1o pRp =(VCC _Ves

29、)、2P =(12T.52(0.5)Wo=110Q集电极电流脉冲的最大振幅为：I 二I /a (0 )二95mA/0.44二216mAc maxcm1 1 c集电极电流脉冲的直流分量为：I = I xa (0 ) = 216x0.25 = 54mA电源提供的直流功率为：coc maxo cP = V I二 12V x 54mA 二 0.65wDCC CO集电极的耗散功率为：P 二 P - P 二 0.65 - 0.5 二 0.15wCDo集电极的效率为：耳二 P / P 二 0.5/ 0.65 二 77% oD9根据设计要求，已知A二13dB即A二20，则输入功率：Pi = Po/ Ap =

30、0.5/20 = 25mVpp基极余弦脉冲电流的最大值(设3DA1的卩=10)：= 21.6 = 21.6 mA基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为I = I a (70。)= 9.5mAB1mBm 1V = 2P / I= 5.3VBmi B1m基极偏置电路计算因为cos9 = VE + VZ ，则基极偏置电压：V = V cos9 -V = 5.3cos 700 = 1.1Vc VE bmc ZBm因为 V = I R，则射极电阻：R = V /1 = 1.1/(54 x 10-3) = 200E CO EE E co高频旁路电容取ce

31、2 = 0.01 pf谐振回路与耦合线圈的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RbbVbVe,满足晶体管的放大管放大条件， 即为甲类放大器的直流工作状态特点；第二级丙类功放，测得晶体管静态时基极偏置为0。5.2末级谐振功率放大器（丙类）仿真1、输出波形仿真在输入端口，输入频率为fo=6MHz,峰-峰值为80-100mV的等幅波，适当改变频率,找到谐振频率。用示波器观测输入波形和输出波形。-2i .seov -2Z.Q16 V 应勰mVTimeChamnel_A27/M3 IEmV29u&-1 IQ.QTBmV找到谐振频率。用示波器观测输入波形和输出波形。-2i

32、.seov -2Z.Q16 V 应勰mVTimeChamnel_A27/M3 IEmV29u&-1 IQ.QTBmV2. OK us-276.SKuV-Time；IT2-r *Ext. TrhserTrigaerEdge 7 址 |C-liari rial ASDifellOOmV/DhC han：nsl BSDife II20 V-Div图5-1输出波形分析波形：通过计算示波器的数值（电压幅值），可以看出输出波形放大了。甲类放大得到的波形，应该还是个正弦波，第一次仿真出来的波形，是底部被切割的波形，修改了频率参数，波形有所改善。2、丙类功率放大器波形仿真测量丙类功放管集电极的输出波形:Sca

33、b IO) mWDiwScaleY rYrrtnnY rmirinn-TimeScab 11&D r&DiwX rmrrinn lb 7=!TriggerEdgeT-勺 测量丙类功放管集电极的输出波形:Scab IO) mWDiwScaleY rYrrtnnY rmirinn-TimeScab 11&D r&DiwX rmrrinn lb 7=!TriggerEdgeT-勺 |i图5-2 BG2集电极输出波形（2）图5-2 BG2集电极输出波形（1）TrClkaniKl_AhaiirKl_E81 .W2 mV2.1MYT2-T11G lia 叮i 亡 I 赳一一 Cha nExt. Trigg

34、er分析波形：通过理论分析，丙类放大管的集电极输出波形应该为一个尖顶余弦脉冲。波形（1）是初次调试时得到的波形，可以看出，波形的底部已经有所变化，但不是完美 的余弦脉冲，波形（2）是通过改变了部分参数得到的波形。5.3仿真遇到的问题1、高频功率放大器，是较为普遍的一个电路设计，可以有很多的方法。在通信电子 电路设计的时候，丙类放大器的输出回路是LC谐振回路。这一次，是采用变压器耦合方 式。但是在multisim的仿真库里，相关的变压器参数不好设置。和同学一起研究，在网 上找资料，至今还没能很好的设置变压器的参数，使得电路达到原本的设计要求。但是, 大致能实现电路功能。2、电路设计后，刚开始仿真

35、时，首先是测量晶体管的静态偏置，两个晶体管，都分 别在甲类、丙类工作状态。但是，在输入高频信号后，并不能得到理想的波形。在第二级 的晶体管集电极，得到的波形并不是一个理想的尖顶余弦脉冲。返回去检查第一次甲类放 大的输出波形，发现正弦波并不平缓。通过修改滤波电容，得到了改善。但波形还是不是 很美观。3、做仿真的时候，应该是写真回路处于谐振状态，即集电极的负载阻抗为纯电阻， 猜想电路不能很好的进行仿真，可能是电路失谐了。查找资料，找到解决方法，为保证晶 体管安全工作，调谐时，先将电源电压+Vcc降低到规定值的1/1-1/3，微调电路参数，在 回路写真时，末级输出电压应该最大，切示波器监测的波形为不

36、失真基波。通过这样的方 法找到谐振点。电路开始正常工作了。4、对于电路得到波形，与理论计算推导的不完全符合，除了，选取的相关元器件并 不是最理想的元器件外，可能是技术振荡之类的影响。通过查阅书籍和相关之类，找到了 解决的办法。消除参量自激型的办法是在基极或发射极介入防震电阻（几欧姆至几十欧 姆），或引入适当的高频的电压负反馈，或降低回路的 Ql 值等；而消除高频几声振荡的有 效本办法是，尽量减少引线的长度、合理布局元器件或基极回路介入防震电阻（这个在软 件仿真里不会有影响）。5、第二次对电路仿真的时候，不能得到起初得到的比较好的波形，一直都是不规律 的谐波之类。又再次调整电路参数，但还是没有得

37、到改善。对仿真软件不够熟悉，不能更 好的运用软件有事一方面要进一步提高的。6 总结与体会高频课程设计在通信电子线路设计之后，之前就做过了高频功率放大器，并相应地焊了电路板。当时在考试期间，并且是团队合作，工作量比较低。这一次自己做高频的课 设，相关的资料、参数计算和电路设计。本次课程设计的题目是设计满足一定要求的高频 功率放大器，由于在高频电子线路中已经接触过高频功率放大器，并对它的功能以及技术 指标有了一定得了解。在拿到题目后，我没有停止过学习高频功率放大器，一直在寻找一 种最佳设计方案得出符合要求的电路图。但是在这过程中自己遇到很多的困难，虽然对高 频功率放大器已经有了很大了解，但这些只是一个很笼统的概念，不能解决自己在设计过 程中遇到的问题。因此，我结合已有的高频功率放大器的理论知识并不断地上网查资料， 不断的请教周围的同学或是老师，自己一旦发现问题一定及时的解决问题。在这其中，遇到了很多问题，小到在仿真库里找不到相应的元件，大到仿真得不到输 出波形。不断地在网上寻找资料，咨询同学，有时候，真的是焦头烂额了。但还是得坚持 做下去，检查电路，修改参数，重复计算，反反复复不下十次了。最终得到了想要的波形 虽然不是特别