高頻電子線路課程設(shè)計高頻功率放大器設(shè)計

1、目錄摘要IAbstractII1 高頻功率放大器的基本原理11.1 寬帶功放21.1.1 靜態(tài)工作點31.1.2 甲類功放的負(fù)載特性31.1.3 寬帶功放的功率增益41.2 丙類功率放大器51.2.1丙類功放基本關(guān)系51.2.2 負(fù)載特性92 參數(shù)設(shè)計112.1 寬帶功放參數(shù)計算112.1.1 電路參數(shù)計算112.1.2 靜態(tài)工作點計算122.2 丙類功放參數(shù)計算122.2.1 放大器的工作狀態(tài)計算122.2.2計算諧振回路及耦合回路的參數(shù)132.2.3 基極偏置電路參數(shù)計算143 總體電路設(shè)計154 電路仿真164.1 寬帶功率放大器電路仿真164.2 丙類功放電路仿真185 心得體會196

2、元件清單207參考文獻21摘要高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(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。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。放大器可以按照電流導(dǎo)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， 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；丙 類放大器電流的流通角則小于180。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

3、的電流波形失真太大，因而不能用于 低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。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。高頻功率放大器在很多領(lǐng)域和方面都有應(yīng)用，并且涉及到很多方面的知識點，則在此次設(shè)計中我們可以掌握高頻寬帶功放與高頻諧振功放的設(shè)計方法，電路調(diào)諧及測試技術(shù)；負(fù)載的變化及激勵電壓，基極偏置電壓，集電極電壓的變化對放大器工作狀態(tài)的影響；了解寄生振蕩引起的波形失真及消除寄生振蕩的方法；并且可以了解并掌握仿真軟件的應(yīng)用。 Abstract The high frequency power amplifier uses in transmitter

4、s last stage, the function is carries on the high frequency modulated wave signal the power amplification. Satisfies the sending power the request, then radiates after the antenna it the space, guaranteed that the receiver may receive satisfaction in certain region the signal level, and does not dis

5、turb adjacent channels correspondence. The high frequency power amplifier is in the communications system the transmitter installation important module. The amplifier may defer to the electric current breakover angle the difference, divides into the armor, the second grade, the third three kind of a

6、ctive status it. The Class A amplifier electric currents angle of flow for 360, is suitable for the small signal low power enlargement. The class B amplifier electric currents angle of flow approximately is equal to 180; The third kind of amplifier electric currents angle of flow is smaller than 180

7、. The class B and the third kind are suitable for the high efficiency work. The third kind of active statuss output and the efficiency are in three kind of active statuses the highest. The high frequency power amplifier mostly works Yu Binglei. But the third kind of amplifiers current waveform disto

8、rts is too big, thus cannot use in the low frequency power amplification, can only use in using the tuning circuit to take the load the resonance power amplification. Because the tuning circuit has the filter capacity, the loop current and the voltage extremely nearly in the sinusoidal waveform, the

9、 distortion were still very small. The high frequency power amplifier has the application in many domains and the aspect, and involves to many aspect knowledge spots, we may grasp the high frequency wide band power amplifier and the high frequency resonant power amplifier design method in this desig

10、n, the electric circuit harmonious and the test technology; Load change and excitation voltage, base electrode bias voltage, collector voltage change to amplifier active status influence; The understanding parasiteic oscillation causes the wave distortion and eliminates the parasiteic oscillation th

11、e method; And may understand and grasp simulation softwares application.I1 高頻功率放大器的基本原理高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號，并且以高效輸出為目的，它主要應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機中。發(fā)射機中的振蕩器產(chǎn)生的信號功率很小，需要經(jīng)過多級高頻功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。則此次可用兩級功率放大器組成高頻功率放大器，如下圖1-1寬帶功放丙類功放 小功率信號 大功率信號 圖1-1 高頻功率放大器原理方框圖利用寬帶功放不需要調(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大。但是效率較低，一般只有20%左右。它通

12、常作為發(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(fù)載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角Q越小，放大器的效率越高。如丙類放大器Q90，但是效率可達到80%。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效率。1.1 寬帶功放 圖 1-2 寬帶功放電路圖1.1.1 靜態(tài)工作點如圖1-2所示，晶體管Q1組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。其中RB1、RB2為基極偏置電阻；RE1為直流負(fù)反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點。RF1為交流負(fù)反饋電阻，可以提高放大器的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工作點由下列關(guān)系式確定： （公式1-1）式中，RF1一般為幾歐至幾十歐。 （

13、公式1-2） （公式1-3）1.1.2 甲類功放的負(fù)載特性如圖1-2所示，甲類功率放大器的輸出負(fù)載由丙類功放的輸入阻抗決定,兩級間通過變壓器進行耦合，因此甲類功放的交流輸出功率P0可表示為： （公式1-4）式中，PH為輸出負(fù)載上的實際功率，B為變壓器的傳輸效率，一般為B=0.750.85。 圖1-3 甲類功放的負(fù)載特性圖1-3為甲類功放的負(fù)載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點Q應(yīng)選在交流負(fù)載線AB的中點，此時集電極的負(fù)載電阻RH稱為最佳負(fù)載電阻。集電極的輸出功率PC的表達式為： （公式1-5）式中，ucm為集電極輸出的交流電壓振幅，Icm為交流電流的振幅，它們的表達式分別 （公式1-6

14、)式中，uCES稱為飽和壓降，約1V （公式1-7)如果變壓器的初級線圈匝數(shù)為N1，次級線圈匝數(shù)為N2，則 （公式1-8)式中，RH為變壓器次級接入的負(fù)載電阻，即下級丙類功放的輸入阻抗。 1.1.3 寬帶功放的功率增益與電壓放大器不同的是功率放大器應(yīng)有一定的功率增益，對于圖1-1所示電路，甲類功率放大器不僅要為下一級功放提供一定的激勵功率，而且還要將前級輸入的信號，進行功率放大，功率增益Ap的表達式為 （公式1-9）其中，Pi為放大器的輸入功率，它與放大器的輸入電壓uim及輸入電阻Ri的關(guān)系為 （公式1-10） 式中，Ri又可以表示為 (公式1-11)式中，hie為共發(fā)接法晶體管的輸入電阻，高

15、頻工作時，可認(rèn)為它近似等于晶體管的基極體電阻rbb 。hfe為晶體管共發(fā)接法電流放大系數(shù)，在高頻情況下它是復(fù)數(shù)，為方便起見可取晶體管直流放大系數(shù)。1.2 丙類功率放大器圖1-4 丙類功放電路圖1.2.1丙類功放基本關(guān)系 如圖1-4所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓uBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IEO（ICO）在射極電阻RE2上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號為正弦波時，則集電極的輸出電流ic為余弦脈沖波。利用諧振回路L2C3的選頻作用可輸出基波諧振電壓uc1,電流ic1。圖1-5畫出了丙類功率放大器的基極與集電極間的電流、電壓波形關(guān)系。分析可得下列基本關(guān)系式： (公

16、式1-12)圖1-5 丙類功放的基極、集電極電流和電壓波形式中, 為集電極輸出的諧振電壓即基波電壓的振幅；為集電極基波電流振幅；Ro為集電極回路的諧振阻抗。（公式1-13） 式中，PC為集電極輸出功率 (公式1-14)式中，PD為電源供給的直流功率,ICO為集電極電流脈沖ic的直流分量。（公式1-15）電流脈沖ic經(jīng)傅立葉級數(shù)分解，可得峰值Icm與分解系數(shù)的關(guān)系式 分解系數(shù)與的關(guān)系如圖1-6所示。圖1-6 與的關(guān)系放大器集電極的耗散功率PC為 PC=PD - PC （公式1-16）放大器的效率為 （公式1-17）式中：稱為電壓利用系數(shù)。圖1-7 輸入電壓與集電極電流波形圖1-7 輸入電壓與集電

17、極電流波形圖1-7為功放管特性曲線折線化后的輸入電壓與集電極電流脈沖ic的波形關(guān)系。由圖可得： (公式1-18)式中：uj為晶體管導(dǎo)通電壓（硅管約為0.6V，鍺管約為0.3V） ubm為輸入電壓（或激勵電壓）的振幅。 uB為基極直流偏壓。 (公式1-19)當(dāng)輸入電壓ube大于導(dǎo)通電壓uj時，晶體管導(dǎo)通，工作在放大狀態(tài)，則基極電流脈沖Ibm與集電極電流脈沖Icm成線性關(guān)系，即滿足 (公式1-20)因此基極電流脈沖的基波幅度Ib1m 及直流分量Ibo也可以表示為 （公式1-21） (公式1-22)基極基波輸入功率Pi為 (公式1-23)放大器的功率增益Ap為 （公式1-24）丙類功率放大器的輸出回

18、路采用了變壓器耦合方式，集電極諧振回路為部分接入諧振頻率為 諧振阻抗與變壓器線圈匝數(shù)比為 (公式1-25)式中，N1為集電極接入初級匝數(shù)。 N2為初級線圈總匝數(shù)。 N3為次級線圈總匝數(shù)。QL為初級回路有載品質(zhì)因數(shù)，一般取210。兩類功率放大器的輸入回路亦采用變壓器耦合方式，以使輸入阻抗與前級輸出阻抗匹配。分析表明，這種耦合方式的輸入阻抗為(公式1-26) 式中，為晶體管基極體電阻25。1.2.2 負(fù)載特性當(dāng)功率放大器的電源電壓+ucc，基極偏壓ub，輸入電壓C或稱激勵電壓usm確定后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻Rq。諧振功率放大器的交流負(fù)載特性如圖1

19、-8所示，由圖可見，當(dāng)交流負(fù)載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點A時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降，集電極電流脈沖接近最大值。此時，集電極輸出的功率Pc和效率都較高，此時放大器處于臨界工作狀態(tài)。Rq所對應(yīng)的值稱為最佳負(fù)載電阻值，用R0表示，即(公式1-27) 當(dāng)Rq R0時，放大器處于過壓狀態(tài)，如B點所示，集電極電壓雖然較大，但集電極電流波形有凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。判斷放大器是否為臨界工作狀態(tài)的條件是：ucc - ucm = uCES (公式1-28)式中，ucm集電極輸出電壓幅度。uCES晶體管飽和壓降。

20、圖1-8 諧振功放的負(fù)載特性2 參數(shù)設(shè)計2.1 寬帶功放參數(shù)計算2.1.1 電路參數(shù)計算由丙類功率放大器的計算結(jié)果可得，甲類功率放大器的輸出功率應(yīng)等于丙類功放的輸入功率Pi，輸出負(fù)載應(yīng)等于丙類功放的輸入阻抗|Zi|，即= Pi= 25 m W = |Zi| = 86 設(shè)甲類功率放大器的電路如圖1-1所示的激勵級電路，得集電極的輸出功率P0為(若取變壓器效率T =0.8)P0 =/T 31 m W若取放大器的靜態(tài)電流ICQ = Icm = 7 mA，得集電極電壓的振幅Vcm及最佳負(fù)載電阻Re分別為Vcm = 2 P0/Icm =8.9 V因此射極直流負(fù)反饋電阻RE1為 取標(biāo)稱值360。輸出變壓器

21、匝數(shù)比為 若取二次側(cè)匝數(shù)N2 = 2，則一次側(cè)匝數(shù)N1 = 6本級功放采用3DG12晶體管，設(shè)=30，若取功率增益AP =13dB（20倍），則輸入功率Pi為Pi = P0 /AP = 1.55 m W得放大器的輸入阻抗Ri為Ri rbb +R3 = 25 +30R3若取交流負(fù)反饋電阻R3 = 10 ， 則Ri = 335 得本級輸入電壓的振幅Vim為2.1.2 靜態(tài)工作點計算由上述計算結(jié)果得到靜態(tài)時(Vi=0)晶體管的射極電位VEQ為若取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則 VEQ = ICQ RE1 = 2.5 V則 VBQ = VEQ + 0.7 V = 3.2 VIBQ = ICQ /

22、 = 0.23 m AR2= VBQ / 5 IBQ = 2.8 k 取標(biāo)稱值3k。2.2 丙類功放參數(shù)計算2.2.1 放大器的工作狀態(tài)計算為獲得較大的效率及最大輸出P。將丙類功放的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)，取，可得集電極的負(fù)載電阻集電極基波電流振幅 集電極電流脈沖的最大值ICM及其直流分量ICO分別為 電源供給的直流功率=0.65w集電極的耗散功率PC=PD - PC=0.15w集電極效率 =Po/Pd=77%若設(shè)本級功率增益Ap=13dB（20倍），則輸入功率Pi=Po/Ap=25mW基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)晶體管3DA1的=10）IBm=ICm/=21.6mA基極基波電流的振幅IBm1=

23、IBm=9.5mA輸入電壓的振幅VBm=2Pi/IBm1=5.3V2.2.2計算諧振回路及耦合回路的參數(shù)丙類功放的輸入,輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式,其輸入阻抗|Zi|可以計算|所以輸出變壓器的線圈匝數(shù)比為取N3=2，N1=3。若取集電極并聯(lián)回路的電容C=100PF，得回路電感若采用的NXO-100鐵氧體磁環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，可算出變壓器初級線圈的總匝數(shù)N2，即則 N2=8需要指出的是，變壓器的匝數(shù)N1，N2，N3的計算值只能作為參考值，由于分布參數(shù)的影響，與設(shè)計值可能相差較大。為調(diào)整方便，通常采用磁芯位置可調(diào)節(jié)的高頻變壓器。2.2.3 基極偏置電路參數(shù)計算由 Vb=Vi-VBmco

24、s=-1.1V 可得基極直流偏置電壓 由 RE2=|VB|/Ic0=20 得射極電阻 取高頻旁路電容 CE2=0.01uF3 總體電路設(shè)計根據(jù)前面章節(jié)的分析講述則高頻功率放大器的總體電路圖設(shè)計如下圖3-1 圖3-1 高頻功率放大器的總體電路圖4 電路仿真4.1 寬帶功率放大器電路仿真利用PSpice軟件對寬帶功率放大器電路(如下圖4-1)進行仿真，首先要對寬帶功放電路參數(shù)進行設(shè)置并進行調(diào)試，調(diào)整其靜態(tài)工作使其滿足Vbq=2.8V，Veq=2.2V,Icq=6mA；圖4-1 寬帶功放測試電路在輸入峰值為10mA，頻率為5MHz的交流信號時，對其輸出進行仿真可以得到如下圖4-2，圖4-3仿真波形。

25、圖 4-2 輸入信號圖 4-3 輸出信號在對其頻帶進行分析得到如圖4-4，圖 4-4 輸出電壓的頻率特性由上圖分析可得此寬帶功放的通頻帶為1.7MHz，在此通頻帶內(nèi)此電路可以得到較高的放大倍數(shù)。4.2 丙類功放電路仿真如上圖 1-4為丙類功放測試電路，在輸入峰值為10mA，頻率為5MHz的交流信號時，對其輸出，輸出進行仿真可以得到如下圖4-5，圖4-6仿真波形。圖 4-5 輸入信號圖 4-6 輸出信號根據(jù)調(diào)試在輸入峰值為10mA，頻率為5MHz的交流信號時，其可得到最大峰值為200mV信號，則此電路設(shè)計的諧振頻率為5MHz。5 心得體會高頻電子電路與實際應(yīng)用密切聯(lián)系，是一門工程性很強的科目，但對于我們同學(xué)來說，高頻電子線路涵蓋知識面廣而且線路復(fù)雜，原理深奧難懂。此次高頻電子線路課程設(shè)計為我們同學(xué)更深刻地理解理論知識，應(yīng)用到實踐當(dāng)中提供了一個很好的平臺。與電子技術(shù)課程設(shè)計相比，此次課程設(shè)計更要求學(xué)生要有扎實的理論知識水平和靈活的學(xué)習(xí)方式。課程設(shè)計和平時的理論學(xué)習(xí)有很大的不同，除了要扎實的掌握理論知識外，還要密切的和實際相聯(lián)系，平時接觸的很多的理論知識是在