綜合課程設(shè)計高功率放大器的設(shè)計

1、東北大學秦皇島分校電子信息系綜合課程設(shè)計高功率放大器的設(shè)計專業(yè)名稱電子信息工程班級學號學生姓名指導教師設(shè)計時間2011.06.202011.07.01課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)：電子信息工程 學號：5081109 學生姓名（簽名）： 設(shè)計題目：高頻功率放大器的設(shè)計及仿真一、設(shè)計實驗條件multisim軟件二、設(shè)計任務(wù)及要求1. 設(shè)計一高頻功率放大器，要求的技術(shù)指標為：輸出功率po125mw，工作中心頻率fo=6mhz，65%；2. 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)：pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益

2、ap13db（20倍）。三、設(shè)計報告的內(nèi)容1. 設(shè)計題目與設(shè)計任務(wù)（設(shè)計任務(wù)書）2. 前言（緒論）(設(shè)計的目的、意義等)3. 設(shè)計主體（各部分設(shè)計內(nèi)容、分析、結(jié)論等）4. 結(jié)束語（設(shè)計的收獲、體會等）5. 參考資料四、設(shè)計時間與安排1、設(shè)計時間： 2周2、設(shè)計時間安排： 熟悉實驗設(shè)備、收集資料：1-2 天設(shè)計圖紙、實驗、計算、程序編寫調(diào)試：3-4 天編寫課程設(shè)計報告：2-3 天答辯：1 天摘 要高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)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(nèi)，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采

3、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，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路。 本次課設(shè)報告先是對高頻功率放大器有關(guān)理論知識作介紹，在性能指標分析基礎(chǔ)上進行單元電路設(shè)計最后設(shè)計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進行分析，最后總結(jié)課設(shè)體會。目錄一、高頻功率放大器知識簡介51.1 電路工作原理61.2 高功放性能分析81.2.1 諧振功率放大器的動態(tài)特性91.2.2 功率放大器的負載特性91.2.3放大器工作狀態(tài)的調(diào)整10二、方案論證13三、電路設(shè)計與參數(shù)計算143.1 設(shè)計任務(wù)要求143.2 單元電路設(shè)計143.2.1 甲類諧振放大器143.2.2 丙類

4、高功放163.3 總體電路圖設(shè)計17四、電路仿真與結(jié)果分析194.1 multisim軟件簡介194.2 仿真波形204.2.1 輸入信號波形204.2.2 一級甲類放大波形204.2.3 兩級甲類放大波形214.2.4 最終輸出波形214.2.5 結(jié)果分析22五、元件清單23六、心得體會24七、 參考文獻25一、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(chǎn)生的高頻振蕩

5、信號功率很小，因此在它后面要經(jīng)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，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(yīng)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(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)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(zhì)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。例如，自20至20000 hz，高低頻率之比達1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負載，如電阻、變壓器等。高頻功

6、率放大器的工作頻率高（由幾百khz一直到幾百、幾千甚至幾萬mhz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺（5351605 khz的頻段范圍）的頻帶寬度為10 khz，如中心頻率取為1000 khz，則相對頻寬只相當于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此， 高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)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

7、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或其他寬帶匹配電路，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。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(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大，但效率很低，一般只有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(wǎng)絡(luò)作為負載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器

8、電流導通角的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導通角越小放大器的效率越高。如丙類功放的小于900， 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。圖1-1 諧振功率放大器的基本電路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(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。 （3） 基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 （4） 輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。 晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?/p>

9、能量的過程中起開關(guān)控制作用，諧振回路lc是晶體管的負載。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2 功率放大器各分壓與電流關(guān)系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 。可以將電流分解為 （5-4）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圖1-3 ic(t)各次諧波的波形示意圖在對諧振功率放大器進行分析與計算時，關(guān)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只要知道電流脈沖的最

10、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 放大器集電極能量轉(zhuǎn)換效率等于輸出功率與電源供給功率之比其中 甲類狀態(tài)， ， 乙類狀態(tài)， ， 丙類狀態(tài)， ， 工作在丙類狀態(tài)時，效率最高 。1.2 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工作狀態(tài)。1.2.1 諧振功率放大器的

11、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b、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(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)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。圖 1-4 電壓、電流隨負載變化波形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，負載線的斜率由小變大，如圖中123

12、。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(nèi)，根據(jù)vc=rpic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)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特性曲線如圖1-5所示。 欠壓狀態(tài)的功率和效率都

13、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(diào)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(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。圖1-5 諧振功率放大器的負載特性曲線1.2.3放大器工作狀態(tài)的調(diào)整 調(diào)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(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。改變v

14、cc，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(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。vcc變化時對工作狀態(tài)的影響如圖1-6所示：圖1-6 vcc變化是對工作狀態(tài)的影響在過壓區(qū)中輸出電壓隨vcc改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實現(xiàn)提供依據(jù)；因為在集電極調(diào)幅電路中是依靠改變vcc來實現(xiàn)調(diào)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。圖1-7 改變vcc時工作狀態(tài)和電流、功率的變化vcc、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

15、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)。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。圖1-8 vbm 變化的特性二、方案論證 在 “高頻電子線路”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(diào)諧回路作為負載的諧振功率放大。

16、由于調(diào)諧回路具有濾波能力，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(shè)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)。三、電路設(shè)計與參數(shù)計算 3.1 設(shè)計任務(wù)要求 設(shè)計一高頻功率放大器，要求的技術(shù)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)：pcm=1

17、w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍）。 3.2 單元電路設(shè)計 3.2.1 甲類諧振放大器 根據(jù)設(shè)計要求與參數(shù)計算設(shè)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(wèi)、c3、c4、r6構(gòu)成選頻回路，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容c3使調(diào)諧回路選出與輸入信號源相同的頻率，在調(diào)諧回路中并聯(lián)一電阻r，減小回路品質(zhì)因數(shù)從而加寬通頻帶。圖 3-2 一級甲類放大電路設(shè)計為了提高增益，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壓增

18、益的。圖3-3 兩級甲類放大電路設(shè)計3.2.2 丙類高功放 由上述丙類功放參數(shù)計算結(jié)果結(jié)合丙類功放的理論知識設(shè)計的單元電路如圖3-4所示。圖3-4 丙類功放原理圖3.3 總體電路圖設(shè)計 設(shè)計的總體電路圖如圖3-5所示圖 3-5 設(shè)計總圖四、電路仿真與結(jié)果分析 4.1 multisim軟件簡介 隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展，電路設(shè)計可以通過計算機輔助分析和仿真技術(shù)來完成。計算機仿真在教學中的應(yīng)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(shè)了良好的平臺，并能保存仿真中產(chǎn)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、

19、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足整個設(shè)計及驗證過程的自動化。 multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設(shè)計的 eda 工具軟件。作為 windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具， multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。 multisim的特點：(1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：multisim大大擴充了ewb的元器件庫， 包括基本元件、半導體

20、器件、運算放大器、ttl和cmos數(shù)字ic、dac、adc及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過lit公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務(wù)。(3)豐富的測試儀器： 除ewb具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與ewb不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。4)完備的分析手段：除了ewb提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分

21、析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計要求。網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀。(5)強大的仿真能力：multisim 既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(rf) 電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。 本次課程設(shè)計電路就是利用multisim軟件進行繪圖并仿真。4.2 仿真波形 4.2.1 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

22、99.8mv的正弦波信號。圖 4-1 輸入信號4.2.2 一級甲類放大波形 經(jīng)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。圖4-2 一級放大后波形4.2.3 兩級甲類放大波形 經(jīng)過兩級放大后電壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?.01v，如圖4-3所示。圖4-3 兩級放大后波形4.2.4 最終輸出波形 信號最終經(jīng)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。圖4-4 丙類放大器輸出波形4.2.5 結(jié)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(wǎng)絡(luò)相接，再將甲、丙類功率放大電路連

23、接起來，然后再進行逐級調(diào)整并級聯(lián)。仿真調(diào)試觀察波形時，用一示波器各探頭逐一接一、二、三級輸出，逐級調(diào)試。 在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號參數(shù)就會影響輸出波形質(zhì)量，經(jīng)與同學討論可能有以下兩方面原因：一方面可能是靜態(tài)工作點的設(shè)置問題，這就需要對電路再進行靜態(tài)工作點的測量分析，另一方面可能是選頻、濾波回路l、c等參數(shù)設(shè)置的影響，這個問題需要進一步進行測試驗證。 由仿真結(jié)果及觀察波形可知，所設(shè)計的高頻功率放大器基本滿足了設(shè)計任務(wù)要求。經(jīng)過第一第二級甲類放大器后電壓幅值增大了，最終輸出也大大提高了輸出功率，因此也驗證了理論知識的正確性和設(shè)計方法的可行性。五、元件清單 組件名稱型號及參數(shù)數(shù)量三極管q2n22193電感500nh，3.9uh，1uh7變?nèi)荻O管diode veractor2固定電阻（resistor）102