高频功率放大器的设计及仿真

东北大学秦皇岛分校电子信息系

综合课程设计

高频功率放大器的设计及仿真

专业名称电子信息工程

班级学号*******

学生姓名姜昊昃

指导教师邱新芸

设计时间2011.06.20~2011.07.01

课程设计任务书

专业：电子信息工程学号：5081112学生姓名（签名）：

设计题目：高频功率放大器的设计及仿真

一、设计实验条件

Multisim软件

二、设计任务及要求

1.设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po≥125mW，工作

中心频率fo=6MHz，η>65%；

2.已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用2N2219，其主要参

数：Pcm=1W,Icm=750mA,V CES=1.5V, f T=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。

三、设计报告的内容

1.设计题目与设计任务（设计任务书）

2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)

3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）

4.结束语（设计的收获、体会等）

5.参考资料

四、设计时间与安排

1、设计时间：2周

2、设计时间安排：

熟悉实验设备、收集资料：2 天

设计图纸、实验、计算、程序编写调试：4 天

编写课程设计报告：3 天

答辩：1 天

1.设计题目与设计任务（设计任务书）

1.1 设计题目

高频功率放大器的设计及仿真

1.2 设计任务

要求设计一个技术指标为输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz η>65%的高频功率放大器。

2. 前言（绪论）

我们通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以按照电流的导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态。甲类放大器电流的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的导通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。

丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。

综上，确定此高频电路由两个模块组成：第一模块是两级甲类放大器；第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，它作为功放输出级，最好能工作在临界状态。此时，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。

3. 系统原理

3.1 高频功率放大器知识简介

在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，

因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。

高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

3.2 电路工作原理

利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。

在高频电路中，利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角θ

（0—π）的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导

c

通角θc 越小放大器的效率越高。如丙类功放的θc 小于90°， 丙类功放通常作为发

射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。

谐振功率放大器的特点：

（1） 放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

（2） 输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

（3） 基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

（4） 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC 是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图3-1所示。

图3-1 功率放大器各分压与电流关系

由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲 。由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解，如公式（1.1）。

012()2C c c m c m cnm i t I I I Cos t I Cosn t ωω=++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅⋅⋅⋅ (1.1)

012c c m c m cnm I I I I ⋅⋅⋅ 分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅