高频谐振功率放大器课程设计说明书

前言在通信电路中，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。

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。

本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，最后设计出整体电路图，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，最后总结课设体会。

工程概况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Hz 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）。

正文3.1课程设计目的由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射机的功率要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。

本次课程设计使通过已学的电路基础知识，模拟高频振动功率放大器，使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输，这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。

即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗匹配。

3.2设计思路及方法3.2.1基于Multisim的高频功率放大器的仿真Multisim是一个专门用于电子电路仿真和设计的EDA软件，它具有直观、方便的操作界面，创建电路、选用元器件和虚拟测试仪器等均可直接从屏幕图形中选取，操作简便。

它具有完备的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、器件的线性和非线性分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。

在进行仿真的过程中，可以存储测试点的数据、测试仪器的工作状态、显示的波形。

它先进的高频仿真设计和功能，是目前众多仿真电路所不具备的。

3.2.2放大器分类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。

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

电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。

如甲类功放的θ＝180o，效率最高也只能达到50％，而丙类功放的θ＜90%，效率η可达到80％。

如图表1-1表1-1 不同工作状态时放大器的特点3.2.3阻抗匹配高频放大器是发射机的重要组成部分，它的主要任务是以提高效率输出最大的高频功率，因此高频功率一般工作在丙类，必须是LC谐振回路，以实现阻抗匹配！3.2.4设计指标（1）输出功率高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。

由于负载RL与丙类功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式，实现了阻抗匹配，则集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频功率放大器的输出功率，即Po=PC。

（2）效率高频功率放大器的总效率由集电极的效率和输出网络的传输效率决定。

而输出网络的传输效率通常是由于电感、电容在高频工作时产生一定损耗而引起的，放大器的能量转换效率主要由集电极的效率所决定。

所以常将集电极的效率视为高频功放的效率。

η= Po/ PD电路通过测量来计算功放的效率。

集电极回路谐振时，CCC LLD c V I R V p p 02==η式中，Ic0——电流表mA 的测量值。

3.3 集电极电流余弦脉冲分解当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。

这适用于欠压或临界状态。

晶体管的内部特性为：ic = gc (eb –VBZ)它的外部电路关系式：eb = –VBB + Vbmcos t ec = VCC –Vcmcos t当ωt=0时，ic = ic max因此，i c max = g c V bm (1–cos θc )若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得i c =I c0+I cm1cos ωt+I cm2cos2ωt+…+I cmn cosn ωt+…由傅里叶级数的求系数法得 其中)()(max max 10max 0C n C cmn C C cm C C C i I i I i I θαθαθα==)(=1)cos 1)(1(sin cos cos sin 2)()cos 1(sin cos )()cos 1(cos sin )(210c cc c c c n c c c c c c c c c c n n n n n θθθθθπθαθπθθθθαθπθθθθα---⋅=--=--=图3.3尖顶脉冲的分解系数由图可见，当qc ≈120°时，Icm1/Ic max 达到最大值。

在Ic max 与负载阻抗Rp 为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。

这样看来，取qc=120°应该是最佳通角了。

但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。

为了兼顾效率和功率，常常取导通角70度左右。

3.4 高频功率放大器的分析方法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。

这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。

所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。

对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量IC0和基频分量Icm1。

根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ 的一条直线来表示(VBZ 为截止偏压)图3.4晶体管实际特性和理想折线0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05V BZ3.5 谐振功放基本电路组成为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。

我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。

由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN 型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。

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，谐振回路中LC 是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。

图2-2为谐振功率放大器各级电压和电流波形。

图3.5谐振功率放大器各级电压和电流波形3.6 谐振功率放大器的外部特性3.6.1负载特性如果VCC 、VBB 、Vb 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Rp 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* Ic1，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。

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(a )(b )(c )(d )ωti C U on 转移特性0i C ω tωt ω tωtωt U bm－θθu BE u b－θθi Cma x U onU BBu BE i Bi C u CEU CCU CEminθθ－θθθ－θU bm U BB(e )图3.6.1谐振放大器的负载特性3.6.2集电极调制特性集电极调制特性是指VBB 、Vbm 和R 一定，放大器性能随VCC 变化的特性。

如图2-6所示。

由于VBB 和Vbm 一定，也就是VBEmax 和IC 脉冲宽度一定，因而对应于VCEmin 的动态点必定在VBE ＝VBEmax 的那条特性曲线上移动；当VCC 由大减小时，相应的VCEmin 也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，IC 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3.6.2谐振放大器的集电极调制特性c0CCCC3.6.3基极调制特性基极调制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能随VBB变化的特性。

如图2-7所示。

当Vbm一定， VBB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VBEmax 增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相应的Vcm）增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。

图3.6.3谐振放大器的基极调制特性3.6.4放大特性放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。

固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB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Vbm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3.6.4 谐振放大器的放大特性3.7单元电路的设计3.7.1放大器工作状态的确定因为要求获得的效率 >60%，放大器的工作状态采用临界状态，取 =70°,所以谐振回路的最佳电阻为202)(P U U R CES CC -==551.25Ω集电极基波电流振幅0012R P I m c =≈0.019A集电极电流最大值为)70(11οαmc cm I I ==0.019/0.436=43.578mA其直流分量为CO I =cm I *)70(0οα=43.578*0.253=11.025mA电源供给的直流功率为PD=Ucc*Ico=132.3mW集电极损耗功率为P= PD – PC =32.3mW转换效率为η= PC / PD =100/132.3=75.6%当本级增益ρA =13dB 即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，有： 输入功率为P1=P0/AP=5mW基极余弦电流最大值为IBM = ICM /β ≈ 4.36Ma基极基波电流振幅)70(11οα⨯=BM M B I I =4.36 0.436=1.9mA所以输出电压的振幅为UBM =2 P1/ IB1M ≈5.3V3.7.2谐振回路和耦合回路参数计算丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb<25Ω, 则输入阻抗436.0)70cos 1(25)()cos 1(11⨯-Ω=⨯-=οθαθbb R Z ≈87.1Ω则输出变压器线圈匝数比为13R R N N L=≈6.4 在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF ，则20)21(1f C L π⨯=≈7.036μH 采用Φ10mm ×Φ6mm ×5mm 磁环来绕制输出变压器，因为有 其中μ=100H/m , A=210mm , l =25mm, L =7.036μH所以计算得N2=73.8甲类功率放大器的设计3.8.1电路性能参数计算甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：PH = P1 =5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH =1Z =87.1Ω设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率b η取0.8，则集电极输出功率PC =b Hp η≈6.25mW若取放大器的静态电流ICC = ICM=5mA ，则集电极电压振幅UCM =2 PC / ICM =2.5V最佳负载电阻为CCMH P U R 22==0.5kΩ则射极直流负反馈电阻cqCESCM CC E I U U U R --=1 ≈1780Ω (cq I ≈ICM)则输出变压器线圈匝数比21R R N N bH η= ≈2 本级功放采用3DG12晶体管，取β=30 ρA =13dB 即20倍放大倍数 则输入功率Pi = P0 /ρA = =0.3125mW放大器输入阻抗Ri= Rbb+β*R3=25Ω+30R3若取交流负反馈电阻R3=10Ω，则Ri=335Ω 所以本级输入电压i i im P R U 2= ≈0.46V3.8.2静态工作点计算综上可知Ui=0时，晶体管射极电位UEQ= ICQ×RE1 = 8.9VUBQ =9.5VIBQ = ICQ /β=0.17mA若基极偏置电流I1 =5 IBQ ，则R2 = UBQ /5 IBQ ≈11.2k Ω所以，有21R U U U R boboCC ⨯-=≈2.95K ω3.9电路原理图及仿真图XSC1A B Ext Trig++_ _+_V11kVpk 6kHz 0°R12kΩR28kΩR350ΩR41.2kΩR5100ΩR675ΩC1 20nFC210nFC310nFC410nFC510nFC6150uFC710nFC820nFL11mHL21mHQ12N5551Q22N5551T1TS_AUDIO_10_TO_1T2123457910111213VCC12V16VCC14281图3.9.1高频谐振功率放大电路图图3.9.2电路仿真图4.课程设计心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。