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

06.5MHz

f=；

(2) 输出功率100mW

A

P≥；

(3) 负载电阻75

L

R=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