高频功率放大器课程

高频电子线路课程设计高频功率放大器姓名：专业班级：学号：学院：指导教师：2010年6月2日摘要在通信电路中，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没备的重要组成部分，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。

目录摘要 (1)一选题意义 (3)二总体方案 (4)2.1方案论证 (4)2.2甲类谐振放大器 (4)2.3丙类高功放 (5)2.4总体电路设计 (6)三各部分设计及原理分析 (6)3.1电路工作原理 (6)3.2高功放性能分析 (9)3.2.1 谐振功率放大器的动态特性 (9)3.2.2 功率放大器的负载特性 (9)3.2.3 放大器工作状态的调整 (10)四参数选择 (12)4.1设计任务要求 (12)4.2参数计算 (12)4.2.1 甲类谐振放大器参数计算 (12)4.2.2丙类功放的参数计算 (14)五电路仿真与结果分析 (16)5.1输入信号波形 (16)5.2一级甲类放大波形 (16)5.3两级甲类放大波形 (17)5.4最终输出波形 (17)六结果分析 (18)七元件清单 (19)八心得体会 (20)九参考文献 (21)一选题意义现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采取自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。

由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡频率很小，因此在它后面要经过一系列的放大——缓冲级、中间放大级、末级功率放大器，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。

为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器高频功率放大器是发送设备的重要组成部分。

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。

在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，就要采用高频功率放大器。

由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。

二总体方案2.1方案论证在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。

甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。

乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于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三种工作状态中最高者。

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，确定电路设计由两个模块组成，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，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。

2.2甲类谐振放大器根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图2-1所示。

通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L、C3、C4、R6构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带。

图3-2 一级甲类放大电路设计了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图2-2所示。

选频回路参数选择一致。

采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。

图2- 2两级甲类放大电路设计2.3丙类高功放图2-3 丙类功放原理图2.4总体电路设计图2-4 设计总图三各部分设计及原理分析3.1 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。

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的范围θ越小放大器的效率越高。

如丙可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。

电流导通角cθ小于90度，，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类功放的c较高的功率。

丙类谐振功率放大器原理图如图3-1所示。

c图3-1 谐振功率放大器的基本电路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1-2所示。

图3-2 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 。

可以将电流分解为12()cos cos 2cos c co c m c m cnm i t I I t I t I n t ωωω=++++L L L L （3-1）图3-3 i C (t)各次谐波的波形示意图在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式（3-1）直流分量及各次谐波分量max ()cmn c n n I i a θ= （3-2）（3-3）只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分量 。

各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。

因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。

放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为0DC CC C P U I = （3-4）谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻上的功率为（3-5）集电极的功耗为 0C DC P P P = （3-6） 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源提供功率之比（3-7） 甲类状态，180c θ=度，50%η=乙类状态，90c θ=度， 78.5%η=丙类状态，60c θ=度，89%η=工作在丙类状态时，效率最高。

011100()111()22()2c cm DC c CC P I U a g P I U a θηξξθθ====2sin cos cos sin 2()(1)(1cos )c c c c n n c n n n a n n θθθθθπθ-=•--22011111222cm cm cm cm p p U P I U I R R ===3.2 高功放性能分析高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。

3.2.1 谐振功率放大器的动态特性高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压b、供电电压VCC、VBB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。

3.2.2 功率放大器的负载特性如果VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。

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

电压、电流随负载变化波形如图3-4所示。

图 1-4 电压、电流随负载变化波形放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中1→2→3。

不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。

临界状态时负载线和eb max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。

欠压状态时B点以右的区域。

在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。

过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图3-5所示。

欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。

但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。

过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。

图3-5 谐振功率放大器的负载特性曲线3.2.3放大器工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。

改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。

在临界状态时输出功率最大。

改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。

Vcc变化时对工作状态的影响如图1-6所示：图3-6 Vcc 变化是对工作状态的影响在过压区中输出电压随VCC 改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC 来实现调幅过程的。

改变VCC 时，其工作状态和电流、功率的变化如图3-7所示。

VCC图3-7 改变VCC 时工作状态和电流、功率的变化VCC,VBB ,P R 不变，bm v 变化，bm v 自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度 和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。

当Vbm 自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。

谐振功放的放大特性是指放大器性能随Vbm 变化的特性，其特性曲线如图3-8所示。

图3-8 Vbm 变化的特性四参数选择4.1 设计任务要求设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率0125P≥mW,工作中心频率06f=MHz，65%η>。