高頻功率放大器的設(shè)計(jì)及仿真

1、東北大學(xué)秦皇島分校電子信息系綜合課程設(shè)計(jì)高頻功率放大器的設(shè)計(jì)及仿真專業(yè)名稱電子信息工程班級(jí)學(xué)號(hào) 5081112學(xué)生姓名 姜昊戾指導(dǎo)教師邱新蕓2011.06.202011.07.01設(shè)計(jì)時(shí)間課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號(hào)：5081112 學(xué)生姓名（簽名）：設(shè)計(jì)題目：高頻功率放大器的設(shè)計(jì)及仿真一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件Multisim 軟件二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.設(shè)計(jì)一高頻功率放大器，要求的技術(shù)指標(biāo)為：輸出功率Po 125mW,工作中心頻率fo=6MHz ,465%;.已知：電源供電為12V,負(fù)載電阻，RL=51Q,晶體管用2N2219,其主要參 數(shù)：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V

2、, fT=70MHz,hfe 10,功率增益 Ap 13dB （20 倍）。三、設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容.設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書）.前言（緒論）（設(shè)計(jì)的目的、意義等）.設(shè)計(jì)主體（各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容、分析、結(jié)論等）.結(jié)束語（設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)等）.參考資料四、設(shè)計(jì)時(shí)間與安排1、設(shè)計(jì)時(shí)間：2周2、設(shè)計(jì)時(shí)間安排：熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、收集資料：2天設(shè)計(jì)圖紙、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、程序編寫調(diào)試：4天編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告：3天答辯：1 天.設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書）設(shè)計(jì)題目高頻功率放大器的設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)技術(shù)指標(biāo)為輸出功率 Po 125mW,工作中心頻率fo=6MHz ”65%的高頻功率放大器。.前言（緒論）我們

3、通過“模電”課程知道，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)放大器可以按照電流的 導(dǎo)通角的不同，將其分為甲類、乙類、甲乙、丙類等工作狀態(tài)。甲類放大器電流 的導(dǎo)通角為360度，適用于小信號(hào)低功率放大；乙類放大器電流的導(dǎo)通角約等于 180度；甲乙類放大器電流的導(dǎo)通角介于180度與360度之間；丙類放大器電流的 導(dǎo)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上述幾種工作狀態(tài)中最高的。 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(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。可是若僅僅是

4、用一個(gè)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，確定此高頻電路由兩個(gè)模塊組成：第一模塊是兩級(jí)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， 它作為功放輸出級(jí)，最好能工作在臨界 狀態(tài)。此時(shí)，輸出交流功率達(dá)到最大，效率也較高，一般認(rèn)為此工作狀態(tài)為最佳 工作狀態(tài)。.系統(tǒng)原理高頻功率放大器知識(shí)簡介在通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大 的功率輸出，通信距離越遠(yuǎn)，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)射設(shè)備的重要組成部 分。在無線電信號(hào)發(fā)射過程中，發(fā)射機(jī)的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)功率

5、很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大，如緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)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(jí)都屬于 高頻功率放大器的范疇。實(shí)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(jī) 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(diǎn)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(dá)1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高 頻

6、功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(tái)（535 1605 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(dāng)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(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn)，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

7、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。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(jī)的 中間級(jí)，以提供較大的激勵(lì)功率。在高頻電路中，利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為

8、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6b （0一冗）的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導(dǎo)通角也越小放大器的效率越高。如丙類功放的 8小于90,丙類功放通常作為發(fā) 射機(jī)的末級(jí)，以獲得較大的輸出功率和較高的功率。諧振功率放大器的特點(diǎn)：(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(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。(3)基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。(4)輸入余弦波時(shí)，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)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振

9、回路LCg晶體管的負(fù)載。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1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(gè)周期性的余弦脈沖。由傅立葉級(jí)數(shù)可知，一個(gè)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，如公式(1.1)。(1.1)ic(t) I c0 | c1m | c2 mCos2 t I cnm Cosn t1coic1mle2m|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圖3-2 I c(t)各次諧波的波形示意圖在對諧振功率放大器進(jìn)行分析與計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵在于直流分量和基波分量等前面幾 項(xiàng)。利用周期函數(shù)傅立葉級(jí)

10、數(shù)的公式，可以求出各直流分量及各次諧波分量。下面僅列出前面幾項(xiàng)的表達(dá)式，如公式(1.2), (1.3),(1 Sin CosI c0 ic maxic max 01 Cos1 Sin Cosc1 m i c maxi c max 11 Cos1.4), (1.5)。23基波分量及各次諧波 因此，在諧振放大icmax Sin2 Cos 2Sin Cos|c2mi c max3 1 Cosicmax Sin3 Cos 3Sin Cos| c2mi c max12 1 Cos只要知道電流脈沖的最大值和導(dǎo)通角即可計(jì)算出直流分量、 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。 器中只需研究直流

11、功率及基波功率。3.3功率放大器的負(fù)載特性如果VCC VBB VB 3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時(shí)，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(fù)載特性。電壓、電流隨負(fù)載變化波形如圖3-3所示。圖3-3電壓、電流隨負(fù)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(fù)載電阻RP由小至大變 化時(shí)，負(fù)載線的斜率由小變大，如圖中1 一2一3。不同的負(fù)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(shí)負(fù)載線和Vbemax正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線 狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，

12、管子損耗小，放大器的效率也就較大。欠壓狀態(tài)時(shí)B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù) Vc=Rp|c1, 放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)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(shí)放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)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。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(fù)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(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)， 輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓 時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采

13、 用這種狀態(tài)。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線如圖3-4所示。圖3-4諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線4.高頻放大器相關(guān)參數(shù)簡單計(jì)算4.1甲類諧振放大器參數(shù)計(jì)算依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性，可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器。(1)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流Icq一般0.82mA之間選取為宜。設(shè)計(jì)電路中取:Ic=1.5mA ; Re=1KQ可得重要參數(shù):Vbq=Veq+Vbeq=1.5V+0.7V=2.2VVceq=V cc-V eq=12V-1.5V=10.5VRb2=VBQ/10lBQ=2.2V/0.3mA=7.3

14、 K Q(2)諧振回路參數(shù)計(jì)算回路總電容:Cz=1/(2 fo)2L=150.35pf回路電容:C=Cz-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf(3)確定其它電容參數(shù)耦合電容C1、C2的值，可在1000 pf 0.01uf之間選擇，一般用瓷片電容。旁路電容Ce、C3、C4的取值一般為0.011uf4.2丙類功放參數(shù)計(jì)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(yán)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)。丙類功放8 =60。-90。，這里為方便計(jì)算，設(shè) 出=70?？傻眉?/p>

15、極電流余弦脈沖直流ICO系數(shù)00(70。)=0.25,集電極電流余弦脈沖基波ICM1系數(shù)ai(70。)= 0.44設(shè)功放的輸出功率為0.5W。(1)集電極參數(shù)計(jì)算集電極電流脈沖的直流分量電源提供的直流功率：集電極的耗散功率：集電極的效率：(2)基極參數(shù)計(jì)算基極基波電流的振幅基極輸入的電壓振幅(3)電源去耦濾波元件選擇lco=lcmax* o0( 0c)=216*0.25=54mAPd=VccIco=12V*54mA= 0.65wPc=Pd-Po=0.65w-0.5w=0.15wt=Po/Pd=0.5/0.65=77%IB1m=IBm* od(70 )=9.5mAVBm=2Pi/IB1m=5.3

16、V高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用冗型LC低通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗(yàn)取50-100UH,濾波電感一般取0.01ufo5.高頻功率放大器電路設(shè)計(jì)甲類諧振放大器根據(jù)設(shè)計(jì)要求與參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)的一級(jí)甲類諧振放大器如圖5-1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L1、L2、C3、C4、 R5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(hào)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。 If- r 1 e :ir, e ! b i r in s Err, i r i t r t ii ri , r i_ e_ s r r 7 n r e

17、 a - * - * * . R 11 * R 81 a . - * a a * ， n ，* a；，n七，I rir tain r ir tsin rirsriet hi i- isinri-iei nri e i r!r |圖5-1一級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)為了提高增益，本次電路采用了兩級(jí)甲類放大，其級(jí)聯(lián)的單元電路如圖5-2所示。選頻回路參數(shù)選擇一致。采用級(jí)聯(lián)的方式是犧牲通頻帶來換取高的電壓增益的。1H -L5正圖5-2兩級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)5.2丙類高功放由上述丙類功放參數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合丙類功放的理論知識(shí)設(shè)計(jì)的單元電路如圖3-2-3所示。 WCC 一-12V-3 ci1二 II1.5nF圖5-3丙

18、類功放原理圖-II TOOnFXSCJ1-尸f和VEW ： (,6.6MHz7二-y b5.3總體電路圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的總體電路圖如圖5-4所示圖5-4高頻功率放大器設(shè)計(jì)總圖6.電路仿真所用軟件Multisim簡介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，許多電路設(shè)計(jì)都可以通過計(jì)算機(jī)輔助分析和仿真 技術(shù)來完成。計(jì)算機(jī)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，代替了大包大攬的試驗(yàn)電路，大大減輕了工作量。其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀性，為電子專業(yè)教 學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)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)。Multisim軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的 EDA工

19、具軟件。作為 Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電 子設(shè)計(jì)工具，Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。Multisim的特點(diǎn)：(1)直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，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(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)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(shí)物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：Multisim大大擴(kuò)充了 EWB的元器件庫， 包括基本元 件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)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

20、過 liT公司 網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)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(hào)發(fā)生器、雙 通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)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(tái)同時(shí)調(diào)用。(4)完備的分析手段：除了 EWB提供的直流工作點(diǎn)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(diǎn) 零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、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

21、射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分 析儀。(5)強(qiáng)大的仿真能力：Multisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真， 也可進(jìn)行數(shù)模混合仿真，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時(shí) 會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。本次課程設(shè)計(jì)電路就是利用 Multisim軟件進(jìn)行繪圖并仿真的。仿真測試電路仿真測試電路如圖6-1所示，其中示波器1通道測輸入信號(hào)源波形，2通道 測一級(jí)甲類放大電路輸出波形，3通道測二級(jí)甲類放大電路輸出波形，4通道測 丙類功放的最終輸出波形。當(dāng)可變電容 C3調(diào)到70%, C6調(diào)到45%時(shí)，輸出波 形較為穩(wěn)定

22、，放大效果較好。此時(shí)可發(fā)現(xiàn) LED發(fā)光，表示功率放大器正常工作， 即電壓合適。圖6-1仿真測試電路仿真波形輸入信號(hào)仿真波形輸入波形信號(hào)如圖6-2所示，由仿真示波器可以看到輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為Hz,峰峰值為99.8mv的正弦波信號(hào)。LbrMFASURFQg亡Hl SOrnVCHI NoneCHIHIahaCHI He-He 33.8mVCHI MontCHI pgq J MMs00000CH4/jS5 N圖6-2輸入信號(hào)一級(jí)甲類放大波形經(jīng)過第一級(jí)甲類放大器后輸出波形如圖6-3所示，其峰山!值增大到527mv,將輸入信號(hào)電壓放大了。圖6-3 一級(jí)放大后波形 0000兩級(jí)甲類放大波形經(jīng)過兩級(jí)放大后電

23、壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?.61v,如圖6-4所示ao_LI-圖6-4兩級(jí)放大后波形最終輸出波形信號(hào)最終經(jīng)過丙類放大器放大，峰峰值變?yōu)?1.4V,提高其功率與效率，仿真波形如圖6-5所示ID4G-ITAL fOf CILLO fMEASUREM ?nrinsCH4 WCHICHINm gCHI Msn.CHMiFlk-FIk 1114V邙Fraq1 4.U/MHE圖6-5丙類放大器輸出波.結(jié)果分析由于高頻放大器由甲類，丙類混合組成。實(shí)驗(yàn)需要將仿真測試電路主機(jī)調(diào)試， 直到出現(xiàn)穩(wěn)定，理想的正弦波為止。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號(hào)參數(shù)就會(huì)影響輸出波形質(zhì)量， 經(jīng)與同學(xué) 討論可能有以下兩方面原因：一方面可能是靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置問題， 這就需要對 電路再進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)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(gè)問題需要進(jìn)一步進(jìn)行測試驗(yàn)證。由仿真結(jié)果及觀察波形可知，所設(shè)計(jì)的高頻功率放大器基本滿足了設(shè)計(jì)任務(wù) 要求。經(jīng)過第一第二級(jí)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(yàn)證了理論知識(shí)的正確性和設(shè)計(jì)方法的可行性。.心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題， 鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)