高频1 课设

前言在信息时代飞速发展的今天，对信息的获取、传输与处理的方法越来越受到人们的关注和重视。

信息作为一种资源，只有通果广泛地传播与交换是依靠各通信系统实现的。

此设计为高频功率放大器（简称高频功放），主要用于放大高频信号或高频已调波（即窄带）信号。

由于采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗匹配等问题，因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。

就放大过程而言，电路中的功率管是在截止、放大至饱和等区域中工作的，表现出了明显的非线性特性。

高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在接受设备中，从天线上感应的信号是非常微弱的，高频小信号谐振放大器来完成；在发射设备中，为了有效地使信号通过信道传送到接收端，需要根据传送距离等因素来确定发射设备的发射功率，这就要用高频谐振功率放大器将信号放大到所需的发射功率。

已知能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。

低频功率放大器可以工作在A（甲）类状态，也可以工作在B（乙）类状态，或AB（甲乙）类状态。

B类状态要比A类状态效率高（A类最大效率50%；B类最大效率为78.5%）。

为了提高效率，高频功率放大器多工作在C类状态。

为了进一步提高高频功率放大器的效率，近年来又出现了D类、E 类和S类等开关型高频功率放大器；还有利用特殊电路技术来提高放大器效率的F类G 类和H类高频功率放大器。

本次课程设计主要是针对一些已知数据设计一个丙类高频LC谐振功率放大器。

1高频LC 谐振功率放大器原理如图１所示，利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。

它是无线电发射机中的重要组成部分。

根据放大器电流导通角c θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。

电流导通角c θ愈小，放大器的效率η愈高。

如甲类功放的︒=180c θ，效率η最高也就达到50%，而丙类功放的︒<90c θ，效率η则可达到80%。

甲类功率放大适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

丙类功率放大器通常作为末级功率放大以获得较大的输出功率和较高的效率。

本实验所使用的电路为丙类谐振功率放大器，实验所研究的是丙类功率放大器的工作原理及基本特性。

图1 谐振功率放大器原理电路1.1高频LC 谐振功率放大器的功率与效率功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。

在同样的直流功率的条件下，转换的效率越高，输出的交流功率越大。

1.1.1集电极电源cc V 提供的直流功率cc cc D I V P = (1-1)式中0c I 为余弦脉冲的直流分量。

式中,cm I 为余弦脉冲的最大值；)(0c θα为余弦脉冲的直流分解系数。

(1-3)式中，bz U 为晶体管的导通电压；bb U 为晶体管的基极偏置；bm U 为功率放大器的激励电压振幅。

bmbbbz c U V U -=arccosθ（1-3）（1-2） )(00c cm c I I θα=1.1.2集电极输出基波功率(1-4)式中，cm U 为集电极输出电压振幅；m c I 1为余弦电流脉冲的基波分量；p R 为谐振电阻。

1.1.3集电极效率c η式中, 为集电极电压利用系数；)(1c θα为余弦脉冲的基波分解系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。

在实际运用中，为兼顾高的输出功率和高效率，通常取︒︒=80~60c θ。

高频放大器的工作状态是由负载阻抗p R 、激励电压b V 、供电电压cc V 、bb V 等4个参量决定的。

为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。

1.2 谐振功率放大器的动态特性1.2.1 谐振功放的三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：①欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方 ②过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区 ③临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。

pcm P m c m c o R U R I I U P cm 2211212121===（1-4）)(11c cm m c I I θα=（1-5） （1-6）pm c cm R I U 1=（1-7）)()(212010c c co cc clm cm D c I V I U P P θαθαξη===cc cmV U =ξ如图2为电压、电流随负载变化的波形图。

图2 电压、电流随负载变化波形1.2.2 谐振功率放大器的外部特性(1)负载特性如果cc V 、bb V 、b V 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。

此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随p R 而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

①欠压状态：B 点以右的区域。

在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R*1C I ，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R 的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。

②临界状态：负载线和max B E 正好相交于临界线的拐点。

放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。

所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。

③过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载p R 的加大，1C I 要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小图3 谐振放大器的负载特性(2)集电极调制特性集电极调制特性是指BB V 、bm V 和R 一定，放大器性能随cc V 变化的特性。

如图4所示。

由于BB V 和bm V 一定，也就是max BE V 和c I 脉冲宽度一定，因而对应于min CE V 的动态点必定在BE V ＝max BE V 的那条特性曲线上移动；当由大减小时，相应的min CE V 也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，c I 波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。

图4 谐振放大器的集电极调制特性(3)基极调制特性基极调制特性是指cc V 、bm V 、和R 一定，放大器性能随BB V 变化的特性。

如图2-7所示。

当bm V 一定，BB V 自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因max BE V 增大而使其高度增加，因而0C I 和m C I 1（相应的CM V ）增大，结果使min CE V 减小，放大器由欠压进入过压状态。

V C1m I c1m I c0过压 临界 欠压过压 临界 欠压V CCV CCη P 1P 0 RR ecrI C1m V C1mI C0欠压过压RR ecr 欠压 过压 P 1P 0P Cη图5 谐振放大器的基极调制特性(4)放大特性放大特性是指BB V 、cc V 和R 一定，放大器性能随bm V 变化的特性，如图2-8所示。

固定BB V 、增大bm V 和上述固定bm V 、增大BB V 的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着bm V 的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。

图6 谐振放大器的放大特性1.3高频LC 谐振功率放大器的偏置电路常用的三种电路下图7所示。

其中图(a)是利用基极电流在基区扩展电阻'bb r 上的降压作用为偏置电压。

它的缺点是偏压小，而且随晶体管'bb r 而变，不能保持稳定的偏压。

优点是电路简单，在大功率丙类功放中得到广泛应用。

图(b)是利用基极电流的直流分量在b R 上的降压得到偏置电压，b C 是高频旁路电容。

它的优点是偏置电压随输入信号V C1M I C1M I C0η P 0 P 1欠压 临界 过压欠压 临界 过压V bmV bmη P 0 P 1欠压 0 临界 过压V BBI C1m I C0欠压 0 临界 过压V BBV C1m电压的大小起自动调节作用。

图(c)是利用发射极电流的直流分量在e R 上建立偏压，e C 是高频旁路电容。

避免e R 上产生交流负反馈，其RC 时间常数应大于03ω至05ω它可以自动维持放大器的稳定工作，当激励信号加大时0e I 加大，负偏压加大，使得0e I 相对增加量减小。

这实质上就是直流负反馈的作用，可以使放大器工作状态变化不大。

缺点是由于e R 上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率，因此 e R 不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。

而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。

图7 基极偏置电路（a ） 零偏压（b ）基极自给偏压（c ）发射极自给偏压2高频LC 谐振功率放大器电路设计2.1 实验电路参数计算已知条件：V V cc 12+=,晶体管2N2222的参数为mW P cM 500=,mA I cM 800=,管子饱和压降V U CES 4.0≤,MHz f T 250≥,dB A p 6≥。

主要技术指标：交流电压放大倍数25>u A ,工作频率MHz 15,输出交流电压峰—峰值：V V p op 2>-(Ω=K R L 2),通频带宽：)3(250dB KHz -±≥。

2.1.1确定放大器的工作状态参数确定后的实验原理电路图如下图8所示：图8 参数确定后的实验电路2.1.2确定实验电路后的输出波形图9 示波器输出波形由输出波形Uo=10.3V ，Ui=0.2V放大倍数： Au=Uo/Ui=10.3/0.2=51，满足Au>25的要求。

10.3v p -Uop ≈ 满足大于2v 的要求。

%67mW5.262R U P mA 3.3I V,3.10U 00L2c00c c =⨯=====c cc I V P η效率。

所以输出功率测得3高频LC谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1介绍仿真软件随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品与计算机系统紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。

电子线路设计自动化技术使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序设计直至印制电路电路板的设计，彻底改变了过去“定量估计”、“实验调整”的传统设计方法。

本实验将利用EWB电路仿真系统软件对各章节的有关电路进行仿真实验及性能分析。

3.1.1 EWB基本窗体组成如下图10所示,EWB的主窗体页面:图10 EWB窗体元件库栏自左到右依次包括自定义库、信号源库、基本元件库、二极管库、晶体管库、模拟集成电路、混合集成电路、数字集成电路库、逻辑门电路、数字器件库、指示器件库、控制器件库、其它器件库、仪器库。