高频谐振功率放大器设计

天津天狮学院《高频电子线路》设计报告题目：高频谐振功率放大器专业：（本14级电子信息工程班级：2班：黄霞总成绩：天津天狮学院信息与自动化学院2016年 5月 10 日课程设计任务具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计2、电源电压V cc＝＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，3、工作频率f0＝6MHz4、负载电阻R L＝75Ω时，输出功率P0≥100Mw，效率η>60％5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总目录摘要 (I)1 高频功率放大器简介 (1)1.1 高频功率放大器的分类 (1)1.2 高频功率放大器的主要技术指标. (2)1.3 功率放大器的三种工作状态 (2)1.4 高频功率放大器的分析方法 (3)2 放大器电路分析 (4)2.1 谐振功放基本电路组成 (4)2.2 集电极电流余弦脉冲分解 (5)2.3 谐振功率放大器的动态特性 (7)2.3.1 谐振功放的三种工作状态 (7)2.3.2 谐振功率放大器的外部特性 (8)3 单元电路的设计 (11)3.1 丙类功率放大器的设计 (11)3.1.1 放大器工作状态的确定 (11)3.1.2谐振回路和耦合回路参数计算 (12)3.2 甲类功率放大器的设计 (12)3.2.1电路性能参数计算 (12)3.2.2静态工作点计算 (14)3.3 电路原理图 (14)4 电路的安装与调试 (15)5 课程设计心得体会 (16)参考文献 (17)附录1 (18)摘要高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，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，而且通信距离越远，要求输出功率越大。

所以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。

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。

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。

关键词：高频谐振功率放大器谐振回路耦合回路工作状态1高频功率放大器简介在通信电路中，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）。

1.1 高频功率放大器的分类高频功率放大器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。

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。

1.2 高频功率放大器的主要技术指标高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。

这几项指标要互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。

例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。

显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。

1.3 功率放大器的三种工作状态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，图1-1为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。

表1-1为甲、乙、丙三种工作状态的特点。

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。

甲类 乙类 丙类图1-1 放大器的三种工作状态 表1-1 不同工作状态时放大器的特点工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 θc =180︒ 50% 电阻 低频 乙类 θc =90︒ 78.5% 推挽，回路低频，高频 甲乙类 90︒＜θc ＜180︒ 50%＜η＜78.5% 推挽 低频 丙类 θc ＜90︒ η＞78.5% 选频回路 高频 丁类开关状态90%~100%选频回路高频1.4 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I C0和基频分量I cm1。

根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于V BZ 的一条直线来表示(V BZ 为截止偏压)。

如图为晶体管实际特性和理想折线。

理想化折线（虚线）i cg ceV BZ临界线过压区欠压区gcr EcIc图1-2 晶体管实际特性和理想折线2 放大器电路分析2.1 谐振功放基本电路组成如图2-1所示为高频功率放大器的基本电路。

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V BB 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。

v BB CCi图2-1 高频功率放大器基本电路图2-2为谐振功率放大器各级电压和电流波形。

(a )(b )(c )ω ti C U on 转移特性i Cω tω tω t U bm－θθu BEu b－θθi CmaxU on U BB u BE i Bi Cθθ－θU bmUBB图2-2 谐振功率放大器各级电压和电流波形2.2 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。

晶体管的部特性为：i c = g c (e b–V BZ)它的外部电路关系式：e b = –V BB + V bm cosωte c = V CC –V cm cosωt当ωt=0时，i c = i c 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 cm1cosωt+I cm2cos2ωt+…+I cmn cosnωt+…由傅里叶级数的求系数法得其中)()(maxmax1maxCnCcmnCCcmCCCiIiIiIθαθαθα==)(=1)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1(sincos)()cos1(cossin)(21ccccccnccccccccccnnnnnθθθθθπθαθπθθθθαθπθθθθα---⋅=--=--=图2-3 尖顶脉冲的分解系数由图可见，当θc≈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θc=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。

2.3 谐振功率放大器的动态特性2.3.1 谐振功放的三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：①欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方 ②过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05③临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。

如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。

图2-4 电压、电流随负载变化波形高频放大器的工作状态是由负载阻抗R p、激励电压V b、供电电压V CC、V BB等4个参量决定的。