高频电子线路课程设计

课程设计2012年2月24日课程设计任务书课程高频电子线路题目高频功率放大器的设计专业电子信息工程姓名学号主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容利用所学的高频电路知识，设计一个高频功率放大器。

通过本次电路设计，掌握高频谐振功率放大器的设计方法、电路调谐及测试技术。

加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。

2、基本要求设计一个高频功率放大器，主要技术指标为：(1) 工作中心频率06.5MHzf=；(2) 输出功率100mWAP≥；(3) 负载电阻75LR=Ω；(4) 效率60%η>。

3、主要参考资料[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.[2] 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993.[3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000.[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.完成期限2月20日-2月24日指导教师专业负责人2012 年 2 月17 日一、电路基本原理1.选题背景无线电通信的任务是传送信息。

为了有效的实现远距离传输，通常是用要传送的信息对叫高频率的载频信号进行调幅或调频，经过高频功率放大达到较大功率，再通过天线辐射出去。

高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出，它是无线电发送设备的重要组成部分。

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。

2.工作原理在通信电路中，高频功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。

放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。

低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。

因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。

根据放大器电流导通角θ的范围，电流导通角θ越小，放大器的效率η越高。

基于这一特点，高频功率放大器一般都工作在丙类状态。

丙类功率放大器在直流电源CC V 、偏置电压BB V 、输入电压cos b bm u U t ω=，晶体管和谐振于ω的并联谐振回路的谐振电阻p R 确定的条件下，放大器各级电压的关系如图1所示。

图1 各级电压与电流波形(a)(b)图(a)是由晶体管的正向传输特性，()c be i f u =在BB V 和cos b bm u U t ω=的作用下，产生的c i 为余弦脉冲状电流。

只有当BE BB b u V u =+大于BZ U 晶体管电压才能产生电流c i 。

图(b)是在BE u 作用下产生c i 和c i 均为余弦脉冲状。

高频功率放大器的谐振回路调谐于输入信号频率ω，则输出电压cos ce cc cm u V U t ω=-为电流脉冲的基波分量与回路谐振电阻的乘积，晶体管ce 间的电压为1cos cos c c m P cm u I R t U t ωω==。

3.主要技术指标(1) 输出功率：放大器的负载上得到的最大不失真功率。

(2) 效率：高频输出功率与直流供给输入功率的比值，也就是能量转换的效率。

(3) 功率增益：高频输出功率和信号输入功率的比值。

(4) 谐波抑制度：是对非线性高频功率放大器而提出的，表示谐波回路的选频好坏，也就是谐波分量对于基波分量越小越好。

(5) 非线性失真：对线性功率放大器而言，是器件的非线性引起的，它是希望谐振分量相对于基波分量越小越好。

二、设计方案1.电路原理图图2 电路原理图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θc （0—π）的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。

电流导通角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。

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=++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅⋅⋅⋅ (0.1)2.元件参数确定2.1丙类功率放大器的设计确定功放的工作状态丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。

因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态。

丙类功放θc =60°—90°，这里为方便计算，设θc =70°。

可得集电极电流余弦脉冲直流I CO 系数α0(70°) =0.25，集电极电流余弦脉冲基波I CM1系数α1(70°)= 0.44。

设功放的输出功率为0.5W 。

（1）集电极参数计算集电极电流脉冲的直流分量：I CO =I Cmax *α0(θc )=216*0.25=54mA 电源提供的直流功率： P D =V CC I CO =12V*54mA= 0.65w 集电极的耗散功率： P C =P D -P O =0.65w-0.5w=0.15w 集电极的效率： η=P O /P D =0.5/0.65=77% （2）基极参数计算基极基波电流的振幅 I B1m =I Bm*α1(70°)=9.5mA 基极输入的电压振幅 V Bm =2P i /I B1m =5.3V （3）电源去耦滤波元件选择高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC 低通滤波器，滤波电感可按经验取50—100uH，滤波电感一般取0.01uf。

图3 丙类功率放大器2.2甲类功率放大器的设计依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。

（1）设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般0.8—2mA之间选取为宜。

设计电路中取： Ic =1.5mA ； Re=1KΩ可得重要参数： VBQ =VEQ+VBEQ=1.5V+0.7V=2.2VVCEQ =VCC-VEQ=12V-1.5V=10.5VRb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3mA=7.3 KΩ（2）谐振回路参数计算回路总电容： CZ =1/[(2πf)2L]=150.35pf回路电容： C=CZ -(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf（3）确定其它电容参数耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf—0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。

旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.01—1uf。

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L1、L2、C3、C4、R5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。

为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大。

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4甲类功率放大器三、电路调试与仿真分析1.仿真图图5 仿真电路图2.仿真分析由于高频放大器由甲类，丙类混合组成。

实验需要将仿真测试电路主机调试，直到出现稳定，理想的正弦波为止。

在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析；另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。

由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。

经过甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。

图6 仿真波形四、总结及体会高频功率放大器是发射机的重要组成部分，通过本次设计电路，使我更深刻的认识了，高频功率放大器的工作原理，负载阻抗、输入激励电压、电源电压等对高频谐振功率放大器工作状态的影响；复习了对高频功率放大器的设计方法，并且对高频谐振功率放大器的调谐、调整和主要技术指标的测量方法有了新的认识，使我受益匪浅。

本课题采用高频电路知识，根据设计中要实现的功能，在专业指导的老师精心教导下，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对调试时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力。

这次课程设计使我掌握了很多实践知识，在老师和同学的帮助下对专业知识有了进一步的了解。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，进而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

整个设计过程可以说不是很顺利，因为有很多知识已经淡忘，还有很多新的东西没有掌握，所以这次设计在不断的复习、学习中度过，使我受益匪浅，也使我对高频知识有了进一步的了解和掌握，也为今后的学习生活和工作打下良好的基础。

参考文献[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006[2] 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993[3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002[5] 童诗白.电子技术基础（第一至第三册）.北京：人民教育出版社，1961-1963[6] 张凤言.电子线路基础[M].北京:高等教育出版社, 1995大庆石油学院课程设计成绩评价表。