高频电子线路课程设计0高频功率放大器设计.docx
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高频电子线路课程设计0高频功率放大器设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
通信0803班
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
高频功率放大器设计
初始条件：
1.高频电子线路基础知识；
2.EWB仿真软件
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）
根据已有知识及搜索资料设计一个高频功率放大器，要求根据参数设计电路并用软件仿真，最后撰写课设报告；报告包括有关知识理论介绍，电路设计过程，仿真分析。
电路的主要技术指标：
输出功率：
Po≥125mW，工作中心频率：
fo=6MHz，
>65%
参考书：
[1]刘泉.通信电子线路.武汉理工大学出版社，2005.
[2]谢自美.电子线路设计·实验·测试.华中科技大学出版社，2006
[4]曾兴雯.高频电子线路.高等教育出版社，2009
[5]谢家奎.电子线路（非线性部分）.高等教育出版社，2000
[6]杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2005
[7]张肃文.高频电子线路.高等教育出版社，2006
[8]吴秀玲.高频电子线路.西安电子科技大学出版社.1995
[9]张新喜.Multisim10电路仿真及应用.机械工业出版社，2010
时间安排：
1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；
2、课程设计时间为1周。
（1）确定技术方案、电路，并进行分析计算，时间1天；
（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天；
（3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要1
Abstract2
1高频功率放大器简介3
1.1高频功率放大器的分类3
1.2高频功率放大器的主要技术指标4
1.3高频功率放大器的三种工作状态4
1.4高频功率放大器的分析方法5
2放大器电路分析5
2.1谐振功放基本电路组成5
2.2集电极电流余弦脉冲分解7
2.3谐振功率放大器的动态特性8
2.3.1谐振功放的三种工作状态8
2.3.2谐振功率放大器的外部特性9
3方案论证11
4电路设计与参数计算11
4.1设计任务要求11
4.2参数计算12
4.2.1确定功放的工作状态12
4.2.2基级偏置电路计算13
4.2.3计算谐振回路与耦合线圈的系数13
4.2.4电源去耦滤波元件选择13
4.3单元电路设计14
4.3.1甲类谐振放大器14
4.3.2丙类高频功率放大器14
4.3.2总体电路设计15
5电路仿真与结果分析15
5.1EWB软件介绍15
5.2仿真波形16
5.3结果分析17
6电路安装与调试18
6.1装配前准备18
6.2元件装配顺序18
6.3整机调试19
7心得体会19
元件清单20
参考文献21
摘要
高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，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，而且通信距离较远，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。
高频功率放大器的主要技术指标是输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制等。
这几项指标往往相互矛盾的。
在设计功率放大器时，总是根据该放大器的工作特点，突出其中一些指标，然后兼顾另外一些指标。
本次课程设计先对高频功率放大器有关理论知识作介绍，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、工作状态、选频网络
Abstract
Sendinghigh-frequencypoweramplifierisanimportantpartoftheequipmentinthecommunicationscircuit,inordertocompensateforsignalattenuationinthewirelesstransmissionprocessrequiresahighertransmitterpoweroutput,andthecommunicationdistance,requiringmorepoweroutputlarge.Therefore,inordertoobtainenoughhigh-frequencyoutputpower,highfrequencypoweramplifiermustbeused.Sincehigh-frequencypoweramplifierhighfrequency,relativelynarrowband,itisgenerallyusedasafrequencyselectivenetworkloadcircuit.
Themaintechnicalindicatorsofhigh-frequencypoweramplifieristheoutputpower,efficiency,powergain,bandwidthandharmonicsuppression.Theseindicatorsareoftencontradictory.Inthedesignofpoweramplifier,alwaysaccordingtotheworkingcharacteristicsoftheamplifier,highlightingsomeoftheindicators,andthentakeintoaccountsomeotherindicators.
Thecoursedesignofhighfrequencypoweramplifierfirstbeintroducedontheoreticalknowledge,intheperformanceofunitsonthebasisofthefinaldesignoftheoverallcircuitdesign,schematic,simulationinsoftwarewhetherthetechnicalrequirements,thesimulationresultsareanalyzedand,finally,Coursedesignexperience.
Keywords：
High-frequencyresonantpoweramplifier、workingstatus、selectedfrequencynetwork显示对应的拉丁字符的拼音
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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。
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20000Hz，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（535－1605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz，如中心频率取为1000kHz，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。
1.3高频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。
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
c=180
50%
电阻
低频
乙类
c=90
78.5%
推挽，回路
低频，高频
甲乙类
90＜c＜180
50%＜＜78.5%
推挽
低频
丙类
c＜90
＞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
0
Ec
图1-2晶体管实际特征和理想折线
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2-1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+Vbmcosωt
ec=VCC–Vcmcosωt
当ωt=0时，ic=icmax
因此，icmax=gcVbm（1–cosθc）
若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得
ic=Ic0+Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+…+Icmncosnωt+…
由傅里叶级数的求系数法得
其中
图2-3尖顶脉冲的分解系数
由图可见，当c≈120时，Icm1/Icmax达到最大值。
在Icmax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
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。
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Rp、激励电压Vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。
为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，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。
②临界状态：
负载线和Ebmax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
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。
图2-6谐振放大器的集电极调制特性
（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2-7谐振放大器的基极调制特性
（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2-8谐振放大器的放大特性
3方案论证
在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态、甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。
乙类放大器电流的流通角约等于180度。
丙类放大器电流的流通角则小于180度。
乙类和丙类都适用于大功率工作。
丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。
高频功率放大器大多工作于丙类。
但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用谐振回路作为负载的谐振功率放大。
由于谐振回路具有功率放大器，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。
可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。
综上，确定电路设计由两个模板组成，第一个模块是甲类放大器，第二模块是工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出端最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。
4电路设计与参数计算
4.1设计任务要求
电路的主要技术指标：
输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz，
>65%，
已知：
电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用3DA1，其主要参数：
Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。
4.2参数计算
该电路前面一级采用小信号谐振放大器，后一级为高频谐振功率放大器。
电路参数的计算主要以计算第二级参数为主。
4.2.1确定功放的工作状态
对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角
在600—900范围。
现设
=700。
查表得：
集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数
，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，
。
设功放的输出功率为0.5W。
功率放大器集电极的等效电阻为：
集电极基波电流振幅为：
集电极电流脉冲的最大振幅为：
集电极电流脉冲的直流分量为：
电源提供的直流功率为：
集电极的耗散功率为：
集电极的效率为：
（满足设计要求）
已知：
即
则：
输入功率：
基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的
=10）
基极基波电流的振幅为：
得基极输入的电压振幅为：
4.2.2基级偏置电路计算
因
则有：
因
则有：
取高频旁路电容
4.2.3计算谐振回路与耦合线圈的系数
输出采用L型匹配网路，
则
匹配网路的电感L为
，电容C为
。
4.2.4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0可按经验取50～100μH，滤波电感一般取0.01μF。
4.3单元电路设计
4.3.1甲类谐振放大器
图4-1甲类放大电路原理图
根据设计要求与参数计算设计的一级甲类放大器如图4-1所示。
通过选定基级偏置电阻等方面使晶体管工作在甲类状态。
通过调节选频网络中的可调电容使谐振回路选出与输入信号源相同的频率。
为了提高电压增益，第一级采用甲类谐振放大器。
4.3.2丙类高频功率放大器
由上述丙类功率放大器的参数计算结果结合丙类功率放大器的理论知识的单元电路如图4-2所示。
图4-2丙类功率放大器原理图
4.3.2总体电路设计
总体电路设计图如图4-3所示：
图4-3总体电路原理图
5电路仿真与结果分析
5.1EWB软件介绍
相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。
EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
本次课程设计就是利用EWB软件绘图并且进行仿真。
5.2仿真波形
在EWB中绘制根据参数计算得到的高频功率放大器电路图，加上激励电源，用示波器来观看输出波形，用电表来查看个参考点的电压和电流，最终得到如下图所示的波形图。
图5-1高频功率放大器的仿真波形
依据测试数据，计算出本谐振功率放大器的主要性能指标。
其中：
Vi：
输入电压峰－峰值（BG3基极处）
Vo：
输出电压峰－峰值（BG3的输出）
Io：
发射极直流电压÷发射极电阻值（10Ω）
Ic:
集电极回路测量的电流
P=：
电源供给的直流功率（P==Vcc*Io）
Pc：
为管子损耗功率（Pc＝IcVce）
Po：
输出功率（po=1/2（Vo2/RL）
η:
高功放效率（po/p=）
输入高频信号138mv
经
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