高频功率放大器参考论文

1、辽宁省交通高等专科学校机电系毕业设计文件设计题目:高频功率放大器设计专业:应用电子技术姓名:_班级：学号：完成期限:一 201 年03月w日至一 201 年05月03日指导教师：臧雪岩设高频功率放大器设计计务设计要求阐述高频功率放大器结构特点有高频功率放大器原理分析有方案论证有电路仿真设计成果第一稿（手写）；第二稿（打印，按格式）设计进程201年03月25日至27日完成写作提纲；201年03月28日至04月10日完成第一稿；201年04月11日至4月21完成第二稿（清样）；201年04月22日至05月03日完成定稿。指 导 教 师 评 语1 攵字评阅人评语成 绩设计成绩指导教师评阅成绩评阅教师

2、答辩成绩答辩负责人总评负责人摘要:高频功率放大器是无线电发送设备的重要组成部分，它主要用在发射机的末端。摘要信号经高频功率放大器放大后能够满足天线对发射功率的要求，以足够大的功率发射出去， 被远方的接收机可靠地接收。高频功率放大器按工作频带来分，可分为窄带高频功率放大器 和宽带高频功率放大器，窄带高频功率放大器通常以LC谐振网络作为负载，又称谐振功率放 大器，实用高频信号通常是窄带信号，窄带信号是指带宽远小于其中心频率的信号，如中波 广播电台的带宽为10kHz，如果中心频率为1000kHz，其带宽远小于其中心频率，该信号即为 窄带信号。窄带信号具有类似于单一频率正弦信号的特性，可采用谐振电路滤

3、波。宽带功率 放大器是以传输线变压器为负载，又称非谐振功率放大器，区别于窄带功率放大器，宽带功 率放大器可在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐，但不具有滤波能力。关键词：高频功率放大器、窄带信号、谐振功率放大器。Abstract:High frequency power amplifier is an important part of radio transmission equipment, it mainly use at the end of the transmitter. Signal after high frequency power amplifier amplificati

4、on can satisfy the requirements of the antenna to transmit power, with enough power to launch out, distant receiver receives in a reliable way. High frequency power amplifier according to the working frequency points, high frequency power amplifier can be divided into narrowband and broadband high f

5、requency power amplifier, narrow-band high frequency power amplifier is usually to LC resonant network as a load, also called resonance power amplifier, high frequency signal is usually a narrow-band signal, narrow-band signal refers to the signal bandwidth is far less than its center frequency, suc

6、h as the bandwidth of the medium wave radio station to 10 KHZ, if the center frequency of 1000 KHZ, its bandwidth is far less than its center frequency, the signal is narrow band signal. Narrow-band signal is similar to the single frequency sine signal characteristics, resonant circuit filter can be

7、 used. Broadband power amplifier is based on a transmission line transformer load, also known as the resonance power amplifier, difference in narrow band power amplifier and broadband power amplifier working frequency can be changed in a very wide range and dont have to be tuned, but I dont have fil

8、tering capability.Key words: High frequency resonance power amplifier, power amplifier, narrow band signal.目 录 TOC o 1-5 h z 概述及基本原理41方案及各部分设计原理分析61.1整体介绍61.2原理分析61.3具体分析72.参数的计算和选择 72.1功率放大器输出功率的计算分析 82.2谐振回路的计算分析 92.3放大管栅极和板极的电流电压关系 92.4高频功率放大器的能量关系 152.5发射管的工作状态173单元电路的设计18 HYPERLINK l bookmark12

9、1 o Current Document 3.1丙类功率放大器的设计 183.1.1放大器工作状态的确定18 HYPERLINK l bookmark154 o Current Document 3.2甲类功率放大器的设计 19 HYPERLINK l bookmark163 o Current Document 3.2.1静态工作点计算213.2.2电路性能参数计算213.3电源去耦滤波元件选择234电路仿真与结果分析26【参考文献】27高频功率放大器设计刖言高频功率放大器用于发射机的末级，作用是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

10、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。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在“低频电子线路”课程中已知， 放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲类（导通角=360度）、乙类（导通角 = 180度）、甲乙类（导通角=

11、 180度360度）。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

12、。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20000 Hz，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kHz 一直到几百、几千甚至几万MHz）， 但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535 1605 kHz的频段范围）的频带宽度 为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，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

13、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

14、频交流输出。高频功率放大器，又称射频功率放大器，用于发射机的末级，作用是将高频 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。在工作一般性原理上，它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下， 将直流电源转换为输出功率。1功放电路的典型结构与特点1.1功放电路的典型结构与特点功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负 载，带负载能力要强。高频功率放大器，又称射频功率放大器，用于发射机的末级，作用是将高频 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

15、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。在工作一般性原理上，它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下， 将直流电源转换为输出功率。1.2功率放大电路与电压放大电路的区别本质相同电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路：主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制 的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功率放大电路和电压放 大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。任务不同电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并

16、不 一定大。在小信号状态下工作.功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真(或失真较小)的输出功率。 在大信号状态下工作。指标不同电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。研究方法不同电压放大电路：图解法、等效电路法。功率放大电路：图解法电压放大电路功率放大电路本质相同能量转换能量转换任务不同不失真的输出电压不失真(或失真较小)的输 出功率指标不同电压增益、输入和输出阻抗功率、效率、非线性失真研究方法不同图解法、等效电路法图解法1.3功率放大电路的特殊问题功率要大：为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大 的输出幅度，因此管子

17、往往在接近极限运用状态下工作。P = V x I(1-1)效率要高：所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率 的比值。它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力.门二 P / P(1-2)失真要小：功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线 性失真，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。在不同场合下，对非 线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，而 在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降 为次要问题了。散热要好：在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上， 使结温和管壳温度升高。为了充

18、分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率， 放大器件的散热就成为一个重要问题。1.4放大电路的工作状态分类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。根据放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情况，可将放大 电路分为下列三种工作状态：甲类放大在输入正

19、弦信号的一个周期内三极管都导通，都有电流流过三极管。这种工 作方式称为甲类放大。或称A类放大。此时整个周期都有七0，功率管的导电角 0= 2n。乙类放大(B类放大)在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期三极管导通。称为乙类放大。 此时功率管的导电角0=n。甲乙类放大(AB类放大)在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上三极管是导通的。称为甲乙类放大.此时功率管的导电角0满足：n 0 2n。（4）丙类放大（c类放大）功率管的导电角小于半个周期，即0 0 500mW来看，末级功放可以采用甲类或乙类或丙类功率放大器，但要求 总效率n50%，显然不能只用一级甲类功放，但可以只用一级丙类功放。本课程

20、 设计采用的电路甲类功放选用晶体管3DG130,丙类功放选用3DA1。首先设计丙类 功率放大器，再设计甲类功率放大器。4.2丙类功率放大器设计4.2.1放大器的工作状态为获得较高的效率n及最大输出功率p0。放大器的工作状态选为临界状态，取9 = 70。，得谐振回路的最佳负载电阻Re为P =（上 上（汕）2 =110。，集电极2 P基波电流振幅I 1为11 =-芝=95mA，集电极电流脉冲的最大值I及其直流分量 I ，艮口 I = I/ a （）=216mA， I = I - a （如）=54mA。电源供给的直流功率Pd为：PD = VCIc0 = 0.65W。集电极的耗散功率Pc,为：Pc,

21、= PD - P0= 0.15W。放大器的转换效率n为：n= P/PD=77%。若设本级功率增益Ap=13dB （20倍），输入功率I 1为P = P/AP=25mW，基极 余弦脉冲电流的最大值为、（设晶体管3DA1的直流 即0） Ibm = Im /p=21.6mA， 基极基波电流的振幅 七 为七=Ib1 a （m）=9.5mA，输入电压的振幅Vb为 V =巴=5.3V。bm Ib1m4.2.2谐振回路及耦合回路的参数在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率 增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络，输 入和输出匹配网络在谐振功率放大器中

22、的连接情况如图4.1所示。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。 对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载 上只有基波电压；将外接负载RL变换成谐振功放所要求的负载电阻R，以保证放 大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络， 要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。其输入阻抗IZiI可计N其输入阻抗IZiI可计N = R = 0.67，N R20r*牝86。，输出变压器线圈匝数比为(1 - cos 6 )a (6)1N3=2,N1=

23、3。若取集电极并联谐振回路的电容C=100pF，得回路电感为2.53 x 104pH任10皿。若采用的10mmx6mmx5mm的NXO-100铁氧体磁环来绕制输出耦合变压器，可以计算变压器一次线圈的总匝数N2,即由L = 4兀2(p)(AN2 x 10-3pHH / m (I)2cm可得N疔8。需要指出的是，变压器的匝数吨、N2、N3的计算值只能作为参考值， 由于电路高频工作时分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通 常采用磁心位置可调节的高频变压器。4.2.3基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压 匕为VB = VBE -匕cos9 =-1.1V。射极电阻Re 2为Re 2=|七1

24、/1 CO=20Q。取高频旁路电容C =0.01此。E 24.3甲类功率放大器设计4.3.1电流性能参数由丙类功率放大器的计算结果可得甲类功率放大器的输出功率PO，应等于丙类 功放的输入功率P，输出负载R应等于丙类功放的输入阻抗IZ I，即P = P =25mW,ieiOiRe =I Z=86Q。集电极的输出功率Po为（若取变压器效率门t =0.8）Po = Po/ 门 t 31mWo若取放大器的静态电流iCQ=Icm=7mA，得集电极电压的振幅Vcm及最佳负载电阻 Re 分别为 Vcm=2Po/Icm=8.9V，R = f = 1.30。0因射极直流负反馈电阻Rb为R 匕C 匕勇E）= 35

25、7。，取标称值360Q， E1E1ICQ得输出变压器匝数比为 N =:世牝3,若取二次侧匝数N =2，则一次侧匝数 N 2 R2N6。输入功率P,为P, = p R - 书 + 输入功率P,为P, = p R - 书 + P r3=25Q+30 x R3若取交流负反馈电阻/ Ap =1.55mW，得放大器的输入阻抗R为R3=10Q则R =335Q，得本级输入电压的振幅V为4.3.2静态工作点由上述计算结果得到静态时（乂=0）晶体管的射极电位veq为 Veq = 1段 Re1=2.5V，则 VBQ = Veq +0.7V=3.2V，Iq = Iq/p=0.23mA，若取基极偏置 电路的电11 =

26、5 y，贝R2 = Vq /5 y =2.8kQ，取标称值3kQ。 R = L VRQ R = 8.25k。， 在实验时可以调整时取R =5.1kQ+10kQ电位器。1 VB 21取高频旁路电容CE1 =0.022四F，输入耦合电容C0.02四F。高频电路的电源去耦滤波网络通常采用 n形C1 =0.002四FLC低通滤波器，LL，可按经验取50100四H，C，C，C，C按经验取0.01pF。L“L”可 1020101120211020以采用色码电感，也可以用环形磁心绕制。5电路仿真与调试5.1电路仿真用EWB软件仿真如图5.1所示:图5.1电路仿真图用示波器接入勺的发射极，调节匕，使得Ic工作

27、在欠压（图5.2）临界压（图 5.3），过压（图5.4）三个状态图依次如下图所示：图5.3临界状态图5.4过压状态用电压表和电流表测得一级宽带功放的静态工作点为匕广2.8V,匕广2.2V，I =6mA。其波形放大如图5.5所示:图5.5功率放大器的波形放大图5.2电路调试变压器安装后，应确保其输入、输出电压反相(示波器测量)，否则会产生 较大干扰。5.2.1谐振状态的调整理论上分析，丙类功放的集电极回路处于谐振状态时，回路电压VL为最大， 集电极平均电流ic0最小。但由于受放大器内部电容Cb,c的影响，两者并不同时出 现。因此在实际应用中，一般以VL最大为谐振指示。5.2.2寄生振荡的消除寄生

28、振荡是高频功率放大器调整过程中经常遇到的一种现象，根据振荡产生 的原因，常见寄生振荡有以下两种：参量自激型寄生振荡当放大器的输出电压足够大时，放大器的动态工作点可 能进入参量状态，这 时晶体管的许多参数将随着工作状态而变化，将产生许多新的频率分量，其中某 些频率分量会形成自激振荡。对输出波形影响较大的是1/2基波频率，消除参量 寄振荡的常用办法是在基极或发射极接入防振电阻(几欧至几十欧)，或引入适 当的高频电压负反馈，或降低回路的有载QL值，或减小激励信号电平。反馈型寄生振荡反馈型寄生振荡又分为低频寄生振荡与高频或超高频寄生振荡。低频寄生振 荡的频率低于放大器的工作频率，高频寄生振荡的颇率高于

29、放大器的工作频率。 低频寄生振荡一般是由输入回路中的电容引起的。消除低频寄生振荡的办法是设 法破坏它的正发馈支路，例如减少基极回路线圈的电感量或串入电阻RF，降低线 圈的有效Q值。高频寄生振荡一般是由电路的分布参数(分布电容、引线电感 等)的影响所造成。消除高频寄生振荡的有效方法是尽量减少引线的长度、合理 布局或基极回路接入仿振电阻5.2.3.调试方法通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热， 甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故 障后才能通电。静态调试交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为 交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之 分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输 入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断 电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。动态调试调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向 来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通 过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步 对电路参数提出合理的修正。5.2.4