W高頻電子線路課程設(shè)計——高頻功率放大器的設(shè)計

1、學號：課程設(shè)計題 目高頻電子線路課程設(shè)計高頻功率放大器的設(shè)計學 院信息工程學院專 業(yè)通信工程班 級姓 名指導教師 2010 年 年 1月月26日日 課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級： 通信0704 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目:高頻電子線路課程設(shè)計高頻功率放大器的設(shè)計 初始條件：1、可選元件：晶體管、高頻磁環(huán)、電阻、電容、開關(guān)等2、仿真軟件：EWB要求完成的主要任務(wù)：電路的主要技術(shù)指標：輸出功率Po125mW，工作中心頻率fo=6MHz，65%，已知：電源供電為12V，負載電阻,RL=51，晶體管用3DA1，其主要參數(shù)：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,f

2、T=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）。時間安排：1、理論講解，老師布置課程設(shè)計題目，學生根據(jù)選題開始查找資料；2、課程設(shè)計時間為1周。（1）確定技術(shù)方案、電路，并進行分析計算， 時間1天；（2）選擇元器件、安裝與調(diào)試，或仿真設(shè)計與分析，時間2天；（3）總結(jié)結(jié)果，寫出課程設(shè)計報告，時間2天。 指導教師簽名： 2010年 1月 日系主任（或責任教師）簽名： 2010 年 1月 日目錄摘 要IAbstractII1 高頻功率放大器概述11.1 基本原理框圖21.2 放大器工作狀態(tài)特點32 設(shè)計原理42.1 整體介紹42.2 諧振放大器基本原理42.3 電路動態(tài)特性63 單元電路

3、設(shè)計與參數(shù)計算83.1 設(shè)計要求及思路83.2 丙類功率放大器的設(shè)計及參數(shù)計算83.2.1確定放大器的工作狀態(tài)83.2.2 基極偏置電路計算93.2.3 諧振回路與耦合線圈的參數(shù)計算93.2.4 電源去耦濾波元件選擇103.3 甲類功率放大器的設(shè)計103.3.1 電路性能參數(shù)計算113.3.2 靜態(tài)工作點計算114 高頻功率放大器總電路圖125 仿真結(jié)果及分析135.1 甲類放大器、丙類功率放大器靜態(tài)直流工作點的測量與比較135.2末級諧振功率放大器（丙類）仿真135.3 仿真遇到的問題146 總結(jié)與體會16參考文獻17附錄18元件清單18本科生課程設(shè)計成績評定表19摘 要高頻功率放大器是通信

4、系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件，廣泛應(yīng)用在發(fā)射機、高頻加熱裝置和微波功率源等待腦子設(shè)備中。高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級時，作用是為了彌補信號在無線傳輸?shù)倪^程中的衰耗要求，將高頻已調(diào)波信號進行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是

5、一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。高頻功率放大器大多工作于丙類。高頻放大器的主要技術(shù)指標是輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制。關(guān)鍵詞：丙類功放 高頻 選頻回路 功率與效率、技術(shù)指標AbstractHigh-frequency power amplifier for the transmitter final stage, the role of wireless transmission to compensate for signal attenuation in the process of request, high-frequency signals

6、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 to the satisfaction of the receiver can receive the signal level, and does not interfere with adjacent channel of communication. H

7、igh-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 and broadband high-frequency power amplifiers are two types of narrow-band high-frequency power amplifier usually has a frequenc

8、y-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-frequency power amplifier output circuit is a transmission-line transformer other broadband matching circuits, so called non-tune

9、d 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-frequency power amplifier work in Class C.Key words: C high-frequency amplifier power and efficiency of frequency-selective circuit1

10、高頻功率放大器概述在低頻電子線路中，為了獲得足夠大的輸出功率必須采用低頻功率放大器。這種低頻功率放大器一般工作在甲類或是乙類（推挽輸出）或甲乙類的放大器，效率不會超過78.5%，同樣的在高頻電子線路中，為了獲得足夠大的輸出功率，也必須采用高頻功率放大器。不過，由于高頻功率放大器的特殊性，高頻功率放大器既可以工作在甲類或甲乙類狀態(tài)，也可以工作在丙類或是丁類甚至是戊類，效率可以高過78.5%，比如在調(diào)幅信號發(fā)射機中，高頻功率放大器把已調(diào)波的功率放大到足夠的大，使調(diào)幅廣播計劃的覆蓋地區(qū)能夠正常的接聽。在通信方面，常常也需要高頻功率放大器如閉路電視。由此可見，高頻功率放大器是通信發(fā)送設(shè)備的重要組成部分

11、，廣泛應(yīng)用在發(fā)射機、高頻加熱裝置和微波功率源等待腦子設(shè)備中。高頻功率放大器有窄帶和寬帶放大器兩種。窄帶高頻功放常采用具有選頻功能的諧振網(wǎng)絡(luò)作為負載，所以又被稱為諧振功率放大器。為了提高效率，諧振功率放大器常工作于乙類或是丙類狀態(tài)。帶寬高頻放大器采用工作頻帶很寬的傳輸線變壓器作為負載，它可以實現(xiàn)功率合成。由于不采用諧振網(wǎng)絡(luò)，因此這種高頻功率放大器可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率而不必調(diào)諧。高頻功率放大器的技術(shù)指標包括輸出功率、效率、功率增益。帶寬和諧波抑制等。這幾項指標往往是相互矛盾的，對于不同應(yīng)用，要有所兼顧。它的主要技術(shù)指標是輸出功率和效率。由于高頻功率放大器的輸出功率比較大，耗能比較多，所以

12、工作效率就顯得比較重要。放大器的基本原理都是利用輸入基極或柵極的信號區(qū)控制集電極或是漏極或陽極的直流電源，讓這個直流電源輸出的功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c輸入信號頻譜結(jié)構(gòu)相同的輸出信號的功率。顯然，這個轉(zhuǎn)換的效率不能到100%，因為電子元器件本身還要消耗功率，比如電阻、晶體管、場效應(yīng)管、電子管等。事實上，這個直流電源輸出的功率一部分轉(zhuǎn)化為了交流輸出，另一部分主要以熱能的形式被集電極或是漏極或陽極所消耗。稱為耗散功率。工作效率的提高意味著更加的節(jié)能。1.1 基本原理框圖高頻功率放大器是對載波信號或高頻信號進行功率放大的電路。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展高頻放

13、大應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。在某些場合高頻放大技術(shù)的高低成為制約本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。比如射頻手機和高頻信號收發(fā)機等，都需要用到高頻功率放大器，并且作為一項非常重要的技術(shù)攻關(guān)項目。特別是移動電話機中高頻功率放大器品質(zhì)的高低直接影響其產(chǎn)品的技術(shù)指標。所以本次課程設(shè)計我選擇高頻功諧振率放大器。如圖1-1所示為高頻功放基本原理圖，圖中，高頻扼流圈提供直流通路，C1為隔直流電容，諧振回路分別為輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。其中天線等效阻抗，作為輸出負載。與非諧振功放比較，它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別。圖1-1高頻功放基本原理框圖諧振式高頻功率放大器的特點是：為了提高效率，放大器常

14、工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為反向偏置，由Eb（VBB）來保證，流過晶體管的電流為余弦脈沖波形；負載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外，還能實現(xiàn)放大器的阻抗匹配。1.2 放大器工作狀態(tài)特點 根據(jù)放大器的導通角的范圍可以分為甲類、乙類、丙類、丁類等功放。電流導通角的大小和效率有關(guān)系如下表2-1所示:表2-1 各類功放特點工作狀態(tài)半導通角理想效率負載應(yīng)用甲類18050%電阻低頻乙類9078.5%推挽，回路低頻，高頻甲乙類90-18050%-78.5%推挽低頻丙類90大于78.5%選頻回路高頻丁類開關(guān)狀態(tài)90%-100%選頻回路高頻高頻功率放大器一般工作在丙類，屬于非

15、線性電路。丙類的效率可以達到80%左右。丙類功放作為發(fā)射機的末級，以獲得較大的輸出功率和較高的輸出效率。在這次的課程設(shè)計的技術(shù)指標輸出功率Po500mw來看，末級功放可采用甲類或丙類功率放大器，但要求總效率50%，顯然，只用一級甲類功放是不能達到目的的，故采用兩級功率放大器，第一級采用甲類功率放大器，第二級采用丙類功率放大器。.2 設(shè)計原理2.1 整體介紹基本部分組成，即電子管、諧振回路和電源。電子管在放大器中起著把直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的作用；諧振回路是電子管的負載；電源供給電子管各電極電壓，它們共同保證電子管的正常工作。 放大器有兩個主要電路：板極電路和柵極電路。板極電路包括并聯(lián)振蕩回路和

16、直流板極電壓Ea的饋電電路。振蕩回路由電感L1、電容C1和電阻r組成。電路中C1為高頻旁路電容，L1為高頻阻流圈。在柵極電路中加入直流偏壓Eg，一般Ea為負值。電路中C2和L2分別是柵極回路的高頻旁路電容和高頻阻流圈。2.2 諧振放大器基本原理如下圖2-2所示丙類功放基本電路圖所示:圖2-1 丙類功放基本電路圖丙類功放的基極偏置電壓是利用發(fā)射極電流的直流分量在射級電阻R上產(chǎn)生的壓降來提供，故稱為自給偏壓降電路。在電路中： （2-1） （2-2）當電路接好并將各電極電壓加上時，則在板極電路中就會出現(xiàn)受到柵極電壓控制的板流脈沖，脈沖波形如圖3-1所示。ia是周期性函數(shù)，由數(shù)學知識可知，它可用傅氏級

17、數(shù)來表示。可見，板極電流等于直流分量Ia0、一次諧波(基波)、二次諧波和其他高次諧波之和。當放大器的輸入信號 為正弦波時，集電極的輸出電流 為余弦脈沖波，但只有在欠壓或是臨界狀態(tài)下才是尖頂余弦脈沖，如下圖所示: 圖2-2 尖頂余弦脈沖波形若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)即： （2-3）其中各系數(shù)應(yīng)滿足： （2-4）其中、等系數(shù)滿足的波形如下圖：圖2-3 尖頂脈沖波的分解系數(shù)由圖，兼顧功率與效率，一般高頻功率放大器導通角選在70左右。此時的效果最佳?？梢赃_到80%左右。2.3 電路動態(tài)特性當功率放大器的電源電壓+Ucc，基極偏壓Ub，輸入電壓C確定后，如果電容導通角確定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集

18、電極回路的等效負載電阻Rp。諧振功率放大器的交流負載特性如圖所示。圖 2-4 諧振功率放大器的負載特性 激勵電壓ugUgcost是隨時間而變化的。當Eg、Ea、Roe保持不變時，激勵電壓振幅Ug的變化對工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響：當Ug0時，丙類高頻功率放大器將處于截止狀態(tài)。 當Ug由零開始增加，且egEg十UgEg時，板ia開始導通，在eg0時，柵流為零，顯然此時為欠壓狀態(tài)。 Ug繼續(xù)增加，且egEg十Ug0時，柵流ig開始出現(xiàn)，并隨Ug增加而增大。所以工作狀態(tài)便由欠壓進入臨界進而轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。由此可見，改變Ug大小，就可以改變工作狀態(tài)。 當功率放大器的電源電壓+Ucc，基極偏壓Ub，輸入電壓C確定

19、后，如果電容導通角確定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻Rp。諧振功率放大器的交流負載特性如圖所示。圖 2-4 諧振功率放大器的負載特性 激勵電壓ugUgcost是隨時間而變化的。當Eg、Ea、Roe保持不變時，激勵電壓振幅Ug的變化對工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響：當Ug0時，丙類高頻功率放大器將處于截止狀態(tài)。 當Ug由零開始增加，且egEg十UgEg時，板ia開始導通，在eg0時，柵流為零，顯然此時為欠壓狀態(tài)。 Ug繼續(xù)增加，且egEg十Ug0時，柵流ig開始出現(xiàn)，并隨Ug增加而增大。所以工作狀態(tài)便由欠壓進入臨界進而轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。由此可見，改變Ug大小，就可以改變工作狀態(tài)。 圖2-5

20、 Ug變化對工作狀態(tài)影響的三組曲線在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴重失真的脈沖序列波形或周期性的開關(guān)波形。為實現(xiàn)不失真放大，必須限定輸入信號為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號）或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號。在這種信號作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級數(shù)將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)取出基本波分量，濾除其它無用分量，就能在負載上獲得不失真的輸出信號。同理，在功率管輸入端，基極電流也是失真脈沖序列，通過輸入匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，加到功率管輸入端的為不

21、失真的信號電壓。與非諧振功放一樣，在特定的偏置條件下，對應(yīng)于特定大小的輸入信號，功率管有一最佳負載，這時，諧振功放的輸出功率最大，效率也較高。因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用，即將輸出負載（往往是非電阻性負載）變換為功率管所需的最佳負載?？傊C振功放是在限定輸入信號波形的情況下，通過濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，使輸出負載上得到所需的不失真功率。3 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算3.1 設(shè)計要求及思路電路的主要技術(shù)指標：輸出功率Po125mW，工作中心頻率fo=6MHz，65%。 已知：電源供電為12V，負載電阻,RL=51，晶體管用3DA1，其主要參數(shù)：Pcm =1W,Icm = 750mA,VCE

22、S= 1.5V,fT = 70MHz,hfe 10，功率增益Ap13dB（20倍）。從輸出功率Po125mW來看，末級功放可采用甲類或丙類功率放大器，但要求總效率 65%，顯然，只用一級甲類或是丙類功放是不能達到目的的，故采用兩級功率放大器，第一級采用甲類功率放大器，第二級采用丙類功率放大器，丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴重失真，諧波分量大，所以一般選用臨界狀態(tài)。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵電壓、基極偏壓、集電極負載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。3.2 丙類功率放大器的設(shè)計及參數(shù)計算丙類功率放大器的電路組成如下圖3

23、-1：圖3-1 丙類功放電路圖3.2.1確定放大器的工作狀態(tài)對高頻功率放大器的基本要求是,盡可能輸出大功率、高效率，為兼顧兩者，通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài)，其電流流通角在600900范圍。現(xiàn)設(shè)=700，查表得：集電極電流余弦脈沖直流ICO分解系數(shù)，集電極電流余弦脈沖基波ICM1分解系數(shù)，。設(shè)功放的輸出功率為0.5W。功率放大器集電極的等效電阻為：集電極基波電流振幅為： 集電極電流脈沖的最大振幅為：集電極電流脈沖的直流分量為：電源提供的直流功率為： 集電極的耗散功率為： 集電極的效率為： 根據(jù)設(shè)計要求，已知 即，則輸入功率：基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)3DA1的=10）： 基極基波電流的振幅

24、為： 得基極輸入的電壓振幅為： 3.2.2 基極偏置電路計算因為 ，則基極偏置電壓： 因為 ，則射極電阻： 高頻旁路電容取3.2.3 諧振回路與耦合線圈的參數(shù)計算丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻RbbVbVe，滿足晶體管的放大管放大條件，即為甲類放大器的直流工作狀態(tài)特點；第二級丙類功放，測得晶體管靜態(tài)時基極偏置為0。5.2末級諧振功率放大器（丙類）仿真1、輸出波形仿真在輸入端口，輸入頻率為fo=6MHz,峰-峰值為80-100mV的等幅波，適當改變頻率，找到諧振頻率。用示波器觀測輸入波形和輸出波形。圖5-1 輸出波形分析波形：通過計算示波器的數(shù)值（電壓幅值），可以看

25、出輸出波形放大了。甲類放大得到的波形，應(yīng)該還是個正弦波，第一次仿真出來的波形，是底部被切割的波形，修改了頻率參數(shù)，波形有所改善。2、丙類功率放大器波形仿真測量丙類功放管集電極的輸出波形：圖5-2 BG2集電極輸出波形（1） 圖5-2 BG2集電極輸出波形（2）分析波形：通過理論分析，丙類放大管的集電極輸出波形應(yīng)該為一個尖頂余弦脈沖。波形（1）是初次調(diào)試時得到的波形，可以看出，波形的底部已經(jīng)有所變化，但不是完美的余弦脈沖，波形（2）是通過改變了部分參數(shù)得到的波形。5.3 仿真遇到的問題1、高頻功率放大器，是較為普遍的一個電路設(shè)計，可以有很多的方法。在通信電子電路設(shè)計的時候，丙類放大器的輸出回路是

26、LC諧振回路。這一次，是采用變壓器耦合方式。但是在multisim的仿真庫里，相關(guān)的變壓器參數(shù)不好設(shè)置。和同學一起研究，在網(wǎng)上找資料，至今還沒能很好的設(shè)置變壓器的參數(shù)，使得電路達到原本的設(shè)計要求。但是，大致能實現(xiàn)電路功能。2、電路設(shè)計后，剛開始仿真時，首先是測量晶體管的靜態(tài)偏置，兩個晶體管，都分別在甲類、丙類工作狀態(tài)。但是，在輸入高頻信號后，并不能得到理想的波形。在第二級的晶體管集電極，得到的波形并不是一個理想的尖頂余弦脈沖。返回去檢查第一次甲類放大的輸出波形，發(fā)現(xiàn)正弦波并不平緩。通過修改濾波電容，得到了改善。但波形還是不是很美觀。3、做仿真的時候，應(yīng)該是寫真回路處于諧振狀態(tài)，即集電極的負載阻

27、抗為純電阻，猜想電路不能很好的進行仿真，可能是電路失諧了。查找資料，找到解決方法，為保證晶體管安全工作，調(diào)諧時，先將電源電壓+Vcc降低到規(guī)定值的1/1-1/3，微調(diào)電路參數(shù)，在回路寫真時，末級輸出電壓應(yīng)該最大，切示波器監(jiān)測的波形為不失真基波。通過這樣的方法找到諧振點。電路開始正常工作了。4、對于電路得到波形，與理論計算推導的不完全符合，除了，選取的相關(guān)元器件并不是最理想的元器件外，可能是技術(shù)振蕩之類的影響。通過查閱書籍和相關(guān)之類，找到了解決的辦法。消除參量自激型的辦法是在基極或發(fā)射極介入防震電阻（幾歐姆至幾十歐姆），或引入適當?shù)母哳l的電壓負反饋，或降低回路的Ql值等；而消除高頻幾聲振蕩的有效

28、本辦法是，盡量減少引線的長度、合理布局元器件或基極回路介入防震電阻（這個在軟件仿真里不會有影響）。5、第二次對電路仿真的時候，不能得到起初得到的比較好的波形，一直都是不規(guī)律的諧波之類。又再次調(diào)整電路參數(shù)，但還是沒有得到改善。對仿真軟件不夠熟悉，不能更好的運用軟件有事一方面要進一步提高的。6 總結(jié)與體會 高頻課程設(shè)計在通信電子線路設(shè)計之后，之前就做過了高頻功率放大器，并相應(yīng)地焊了電路板。當時在考試期間，并且是團隊合作，工作量比較低。這一次自己做高頻的課設(shè)，相關(guān)的資料、參數(shù)計算和電路設(shè)計。本次課程設(shè)計的題目是設(shè)計滿足一定要求的高頻功率放大器，由于在高頻電子線路中已經(jīng)接觸過高頻功率放大器，并對它的功

29、能以及技術(shù)指標有了一定得了解。在拿到題目后，我沒有停止過學習高頻功率放大器，一直在尋找一種最佳設(shè)計方案得出符合要求的電路圖。但是在這過程中自己遇到很多的困難，雖然對高頻功率放大器已經(jīng)有了很大了解，但這些只是一個很籠統(tǒng)的概念，不能解決自己在設(shè)計過程中遇到的問題。因此，我結(jié)合已有的高頻功率放大器的理論知識并不斷地上網(wǎng)查資料，不斷的請教周圍的同學或是老師，自己一旦發(fā)現(xiàn)問題一定及時的解決問題。在這其中，遇到了很多問題，小到在仿真庫里找不到相應(yīng)的元件，大到仿真得不到輸出波形。不斷地在網(wǎng)上尋找資料，咨詢同學，有時候，真的是焦頭爛額了。但還是得堅持做下去，檢查電路，修改參數(shù)，重復計算，反反復復不下十次了。最終得到了想要的波形，雖然不是特別的理想，但是大致完成了任務(wù)了。這樣的時間，的確很緊張，熬夜，早起，一直在電腦和課本間反復推敲。自己動手設(shè)計電路，才能更加深刻的體會的電路各個元器件的作用。從中，獲得更多的知識。 參考文獻 1 張肅文，陸兆雄. 高頻電子線路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993 2 陽昌漢. 高頻電子線路. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2000 3 高吉祥. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實