高频谐振功率放大器设计

甲类
乙类
丙类
图1-1 放大器的三种工作状态
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类
表1-1 不同工作状态时放大器的特点
半导通角 c=180 c=90
90＜c＜180 c＜90
开关状态
理想效率 50% 78.5%
50%＜＜78.5% ＞78.5%
90%~100%
负载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路
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Vcc ＝ ＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，
3、工作频率f0＝6MHz
4、负载电阻RL ＝ 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
总结）。
时间安排：
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。
应用 低频 低频，高频 低频 高频 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。
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
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。这几项指标要求是互相矛盾的，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。
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
③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。 i
VC1m Ic1m Ic0
过压 临界 欠压
过压 临界 欠压
VCC VCC P1 P0
图2-6 谐振放大器的集电极调制特性
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。
二十周一周，其中3天硬件设计，4天软、硬件调试
及答辩。
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月日
系主任（或责任教师）签名：
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月日
目录
摘要 1 高频功率放大器简介
1.1 高频功率放大器的分类 1.2 高频功率放大器的主要技术指标. 1.3 功率放大器的三种工作状态 1.4 高频功率放大器的分析方法 2 放大器电路分析 2.1 谐振功放基本电路组成 2.2 集电极电流余弦脉冲分解 2.3 谐振功率放大器的动态特性
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。
2.3.2 谐振功率放大器的外部特性
(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。
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2-1 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。
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
由图可见，当c≈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 c=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 谐振功放的种工作状态
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
R Recr IC1m VC1m IC0 欠压 过压
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
2.3.1 谐振功放的三种工作状态 2.3.2 谐振功率放大器的外部特性 3 单元电路的设计 3.1 丙类功率放大器的设计 3.1.1 放大器工作状态的确定 3.1.2谐振回路和耦合回路参数计算 3.2 甲类功率放大器的设计 3.2.1电路性能参数计算 3.2.2静态工作点计算 3.3 电路原理图 4 电路的安装与调试 5 课程设计心得体会 参考文献17 附录118
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。
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题 目 五：高频谐振功率放大器设计
初始条件：
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
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)。如图为晶体管实际特性和理想折线。
Ic gcr 欠压区 临界线 过压区
理想化折线 （虚线）
ic gc eb 0 VBZ
0 Ec
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：
它的外部电路关系式：
ic = gc (eb–VBZ)
当t=0时，
eb = –VBB + Vbmcost ec = VCC –Vcmcost
因此，
ic = ic max
ic max = gcVbm(1–cos c) 若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得
RL
Recr 欠压 过压
P1 P0 PC
图2-5 谐振放大器的负载特性
(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。