高頻功率放大器設計1

1、題目、主要內容和基本要求：實驗名稱：高頻功率放大器實驗目的：1 清楚丙類放大器的工作原理掌握丙類放大器的計算與設計方法2 弄清楚電源電壓和集電極負載對功率放大器功率和效率的原理3 培養(yǎng)獨立思考和動手能力。1、主要內容利用所學的高頻電路知識，設計一個高頻功率放大器。通過本次電路設計，掌握高頻諧振功率放大器的設計方法、電路調諧及測試技術。加深對高頻電子線路課程理論知識的理解，提高電路設計及電子實踐能力。2、基本要求設計一個高頻功率放大器，主要技術指標為：(1) 工作中心頻率F0=5MHZ；(2) 輸出功率PO=500MV；(3) 負載電阻RL=51歐；(4) 效率大于50%。3：所需要的元件：高頻

2、信號發(fā)生器HP8640B （用于產生和輸入高頻信號）超高頻毫伏表DA-30A（用于測量輸入輸入中的高頻信號）跟蹤示波器COS5020（用于觀察各路各級輸出信號的波形，觀察結果）數(shù)字萬用表（用來測量晶體管的靜態(tài)工作點）晶體管穩(wěn)壓電源（為晶體管和電路提供直流電源）環(huán)形鐵氧體高頻變壓器（放大輸出信號）電容、電感電阻等若干摘 要高頻功率放大器是發(fā)送設備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大。 在高頻范圍內，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采用高頻功率放大器。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶窄，所以一般采用

3、選頻網絡作為負載回路。本次課設報告先是對高頻功率放大器有關理論知識作介紹，在性能指標分析基礎上進行單元電路設計最后設計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達到技術要求，對仿真 結果進行分析，最后總結課設體會。1 高頻功率放大器知識簡介在通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大。為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無線電發(fā)射沒備的重要組成部分。在無線電信號發(fā)射過程中，發(fā)射機的振蕩器產生的高頻振蕩信號功率很小，因此在它后面要經過一系列的放大，如緩沖級、中間放大級、末級功率放大級等，獲得足夠的高頻功率后

4、，才能輸送到天線上輻射出去。這里提到的放大級都屬于高頻功率放大器的范疇。實際上高頻功率放大器不僅僅應用于各種類型的發(fā)射機中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設備中都得到了廣泛的應用。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大， 決定了他們之間有著本質的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。 高頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作

5、于乙類）。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。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或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它將電源供給的直流能量轉換成為高頻交流輸出。1.1 電路工作原理利用寬帶變壓器作耦合回路的功放稱為寬帶功放。常用寬帶變壓器有用高頻磁芯繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功放不需要調諧回路，可在很寬的頻率范圍內獲得線性放大，但效率很低，一般只有

6、20%左右，一般作為發(fā)射機的中間級，以提供較大的激勵功率。 利用選頻網絡作為負載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導通角 c 的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導通角 c 越小放大器的效率越高。如丙類功放的 c 小于 90丙類功放通常作為發(fā)射機的末級，以獲得較大的輸出功率和較高的功率。丙類諧振功率放大器原理圖如圖 1-1 所示。諧振功率放大器的特點：（1） 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。（2） 輸出端負載回路為調諧回路，既能完成調諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。（3） 輸入余弦波時，經過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。功率放大器各分壓與電流的關

7、系如圖 1-2 所示。1由于晶體管工作在丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級數(shù)可知，一個周期性函數(shù)可以分解為許多余弦波（或正弦波）的疊加 ?？梢詫㈦娏鞣纸鉃?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分別為集電極電流的直流分量、基波分量以及各高次諧波分量的振幅在對諧振功率放大器進行分析與計算時，關鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項利用周期函數(shù)傅立葉級數(shù)的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次諧波分量下面僅列出前面幾項的表達式2只要知道

8、電流脈沖的最大值和通角即可計算出直流分量、基波分量及各次諧波分量各次諧波分量變化趨勢是諧波次數(shù)越高，其振幅越小。因此，在諧振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集電極直流電源提供的直流輸入功率為;諧振功放集電極輸出回路輸出功率等于基波分量在諧振電阻RP上的功率為集電極的功耗為；放大器集電極能量裝換效率等于輸出功率與電源供給功率之比甲類狀態(tài)， c 180，50乙類狀態(tài)， 90，78.5丙 類 狀 態(tài) ， c 60 ，89工作在丙類狀態(tài)時，效率最高31.2 高功放性能分析高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析， 工程上普遍采用解析近似分析方法折線法來分析其工作原理和

9、工作狀態(tài)。1.2.1 諧振功率放大器的動態(tài)特性高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗 Rp、激勵電壓 vb、供電電壓 VCC、VBB 等 4 個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調節(jié)放大器，就應該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。1.2.2 功率放大器的負載特性如果 VCC、VBB、vb 3 個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻 Rp 決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨 Rp 而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。電壓、電流隨負載變化波形如圖 1-4 所示。放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為 Vbemax，在負載電阻 RP 由小至大變化時，負

10、載線的斜率由小變大，如圖中 123。不同的負載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的 ic 波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。臨界狀態(tài)時負載線和 eb max 正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。欠壓狀態(tài) 時 B 點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內，根據(jù) Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內必隨負載電阻 RP 的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。過壓狀態(tài)時放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載 Rp 的加大，Ic1 要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載

11、特性曲線如圖 1-5 所示。欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調幅，需采用這種工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當負載阻抗 4變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調幅級常采用這種狀態(tài)。1.2.3 放大器工作狀態(tài)的調整調整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負載 Rp；改變供電電壓 VCC；改變偏壓 VBB；改變激勵 Vb。改變 Rp，但 Vb、VCC、VBB 不變當負載電阻 Rp 由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經臨界轉入過壓。在

12、臨界狀態(tài)時輸出功率最大。改變 VCC，但 Rp、Vb、VBB 不變 當集電極供電電壓 VCC 由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經臨界轉入欠壓。Vcc 變化時對工作狀態(tài)的影響如圖 1-6 所示：在過壓區(qū)中輸出電壓隨 VCC 改變而變化的特性為集電極調幅的實現(xiàn)提供依據(jù)；因為在集電極調幅電路中是依靠改變 VCC 來實現(xiàn)調幅過程的。改變 VCC 時，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如圖 1-7 所示。5CC、VBB、Rp 不變，Vbm 變化。當 Vbm 自 0 向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓狀態(tài)。當 Vbm 自 0 向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度

13、和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓狀態(tài)。諧振功放的放大特性是指放大器性能隨 Vbm 變化的特性，其特性曲線如圖 1-8 所示。2 方案論證在 “低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為 360 度，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于 180 度；丙類放大器電流的流通角則小于 180 度。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波

14、能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。可是若僅僅是用一個功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無法做到如此大的功率放大。綜上，確定電路設計由兩個模塊組成，第一模塊是兩級甲類放大器，第二模塊是一工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因為此時輸出交流功率最大，效率也較高，一般認為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。3 電路設計與參數(shù)計算3.1 設計任務要求設計一高頻功率放大器，要求的技術指標為：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 2N2219， 其主要參 數(shù) ：6P

15、cm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益 Ap13dB（20 倍 ）。3.2 參數(shù)計算3.2.1 甲類諧振放大器參數(shù)計算依設計技術指標要求，考慮高頻放大器應具有的基本特性,可采用共射晶體管單調諧 回路諧振放大器，設計參考電路見圖 3-1 所示。設置靜態(tài)工作點由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流 I CQ 一般在 0.82mA 之間選取 為宜。設計電路中取 I c = 1.5mA ，設 Re = 1K 。因為： VEQ = I EQ Re VEQ=1.5mA ×1K =1.5VVBQ =1.5V + 0.7V = 2.2VV

16、CEQ = VCC VEQ= 12V 2.2V = 9.8V Rb 2 = VBQ /(5 10) I BQ而I BQ = I CQ / =1.5mA / 50 = 0.03mA則：Rb 2 = VBQ / 10 I BQ = 2.2V / 0.3 = 7.3K取標稱電阻 8.2K 因為：Rb1 = (VCC VBQ ) / VBQ Rb 2則：Rb1= (12V 2.2V ) / 2.2V 8.2= 36.5 K 諧振回路參數(shù)計算1）回路中的總電容 C因為：2）回路電容C =150.35pf則C= 150.35 pF (12 7 pF ) = 143.04 pF取 C 為標稱值 140pf,

17、與 5-20Pf 微調電容并聯(lián)。3）求電感線圈 N2 與 N1 的匝數(shù)：根據(jù)理論推導，當線圈的尺寸及所選用的磁心確定后，則其相應的參數(shù)就可以認為 是一個確定值，可以把它看成是一個常數(shù)。此時線圈的電感量僅和線圈匝數(shù)的平方成正比，L = KN 2式中：K-系數(shù)，它與線圈的尺寸及磁性材料有關；N-線圈的匝數(shù)一般 K 值的大小是由試驗確定的。當要繞制的線圈電感量為某一值 Lm 時，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)纏繞 10 匝，然后用電感測量儀測出其電感量 LO ，再用下面的公式求出系數(shù) K 值：K = Lo / N o2實驗中，L 采用帶螺紋磁芯、金屬屏蔽罩的 10S 型高頻電感繞制。在原線圈骨架

18、上用 70.08mm 漆包線纏繞 10 匝后得到的電感為 2uH。由此可確定K = LO / N O 2=2 ×106/ 102=2 ×108要得到 4 uH 的電感，所需匝數(shù)為N= =14匝最后再按照接入系數(shù)要求的比例，來繞變壓器的初級抽頭與次級線圈的匝數(shù)。因有N1 = p1 N 2而 N 2 = 14 匝 則 N 1 = 0.3 14 = 4.5 匝帶寬的確定由于確定耦合電容與高頻濾波電容：耦合電容 C1、C2 的值，可在 1000 pf0.01uf 之間選擇 ，一般用瓷片電容。旁路電容 Ce 、C3、C4 的取值一般為 0.01-1F，濾波電感的取值一般為 220-3

19、30uH。3.2.2 丙類功放的參數(shù)計算確定功放的工作狀態(tài)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，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)，其電流流通角 c 在 60 90 范圍?，F(xiàn)設 c =700。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)。集電極電流余弦脈沖直流 ICO 分解系數(shù) 0 (700 ) = 0.25 ，集電極電流余弦脈沖基波 ICM1分解系數(shù)， 1 (700 ) = 0.44 。設功放的輸出功率為 0.5W。功率放大器集電極的等效電阻為：集電

20、極基波電流振幅為:集電極電流脈沖的最大振幅為=95mA =95MA/0.44=216MA集電極電流脈沖的直流分量為 I co =I c max × o ( c ) =216 × 0.25 =54mA電源提供的直流功率為PD = V CC I CO = 12V × 54mA = 0.65 w集電極的耗散功率為：PC = PD Po = 0.65 0.5 = 0.15w集電極的效率為=0.5/0.65=77%滿足設計要求已知： Ap = 13dB即 Ap = 20 Pi = Po / Ap =0.5 / 20= 25mV基極余弦脈沖電流的最大值（設 3DA1 的 =1

21、0）基極基波電流的振幅為：基極輸入的電壓振幅 VBm=2 Pi / I B1m=5.3V（2）基極偏置電路計算8 =21.6mAVE= Vbm cos c = 5.3cos 700=1.1VRE= Ve/ I co = 1.1/(54 ×103 ) = 20取高頻旁路電容 C E 2 = 0.01 pf（3）計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)輸出采用 L 型匹配網路，R p = 110 , RL = 51 R p= (1 + QL 2 ) RL=(1+ )Ls=2.72uH= =259Pf匹配網路的電感 L 為1.46 µ H ，電容 C 為 259 pF（4）電源去耦濾波元件選

22、擇高頻電路的電源去耦濾波網絡通常采用 型 LC 低通濾波器，濾波電感 0 可按經驗取 50100H，濾波電感一般取 0.013.2 單元電路設計3.3.1 甲類諧振放大器根據(jù)設計要求與參數(shù)計算設計的一級甲類諧振放大器如圖 3-2 所示。通過選定基極偏置電阻值等方面使晶體管 Q1 工作在甲類狀態(tài)，其中 L、C3、C4、R6 構成選頻回路，通過調節(jié)可調電容 C3 使調諧回路選出與輸入信號源相同的頻率，在調諧回路中并聯(lián)一電阻 R，減小回路品質因數(shù)從而加寬通頻帶。9為了提高增益，本次電路采用了兩級甲類放大，其級聯(lián)的單元電路如圖 3-3 所示。選頻回路參數(shù)選擇一致。采用級聯(lián)的方式是犧牲通頻帶來換取高的電

23、壓增益的。3.3.2 丙類高功放10由上述丙類功放參數(shù)計算結果結合丙類功放的理論知識設計的單元電路如圖 3-4 所 示。3.4 總體電路圖設計設計的總體電路圖如圖 3-5 所示，4 電路仿真與結果分析4.1 multisim 軟件簡介隨著計算機技術飛速發(fā)展，電路設計可以通過計算機輔助分析和仿真技術來完成。計算機仿真在教學中的應用，代替了大包大攬的試驗電路，大大減輕驗證階段的工作量；其強大的實時交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業(yè)教學創(chuàng)設了良好的平臺，并能保存仿真中產生的各種數(shù)據(jù)，為整機檢測提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足整個設計及驗證過程的自動

24、化。 Multisim 軟件是一個專門用于電子線路仿真與設計的 EDA 工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具， Multisim 是一個完整的集成化設計環(huán)境。本次課程設計電路就是利用 multisim 軟件進行繪圖并仿真。4.2 仿真波形114.2.1 輸入信號波形輸入波形信號如圖 4-1 所示，由仿真示波器可以看到輸入信號是一個頻率為5.85MHz，峰峰值為 99.8mv 的正弦波信號。4.2.3 兩級甲類放大波形4.2.2 一級甲類放大波形經過第一級甲類放大器后輸出波形如圖 4-2 所示，其峰峰值增大到 589mv，將輸入信 號電壓放大了。經過兩級放大后電壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?2.01v，如圖 4-3 所示。12信號最終經過丙類放大器放大，提高其功率與效率，仿真波形如圖 4-4 所示。4.2.5 結果分析由于高頻放大器有甲類，丙類。將上述單元電路按圖 2-12 所示電路進行組裝，先將甲、丙類功率放大電路與濾波網絡相接，再將甲、丙類功率放大電路連接起來，然后再進行逐級調整并級聯(lián)。仿真調試觀察波形時，