高频功率放大器设计.docx

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目录

一课题名称 1

二内容摘要 1

三设计任务及要求 1

四电路基本原理 2

4.1甲类功率放大器 4

4.2丙类功率放大器 6

4.3高频功率放大器的动态特性 8

4.4高频功率放大器的负载特性 8

五电路设计方案概述 10

六软件仿真及结果 11

七仿真结果讨论及误差分析 12

八收获与体会 13

参考文献 14

附录 14

一课题名称

高频功率放大器设计

二内容摘要

在广播、电视、通信等系统中都需要将有用的信号调制在高频载波信号上通过无线电发射机发射出去。

高频载波信号由高频振荡器产生，但由于高频振荡器所产生的高频振荡信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射功率的要求，所以需要利用高频功率放大器对功率放大以此获得足够的输出功率。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

它将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。

按其工作频带的宽窄可分为窄带高频功率放大器和宽带功率放大器两种。

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。

本次课程设计就将对高频功率放大器的工作原理进行探究及设计，本次设计采用Multisim软件进行仿真电路设计。

三设计任务及要求

模块电路设计（采用Multisim软件仿真设计电路）

（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

（3） 工作频率f0=5MHz

（4） 负载电阻RL=50Ω时，输出功率P0≥2.5W，效率η>60%

四电路基本原理

高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。

要使发射机的输出功率大，必须使发射机内部各级电路之间信号功率能有效地传输，这就要求放大器输入阻抗和信号源阻抗相匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗相匹配，末级功率放大器输出阻抗和天线阻抗相匹配。

阻抗匹配能使信号在传输过程中无反射损耗，以达到最大的功率传输和辐射。

根据能量守恒原则，输出高频信号的功率都是由功率放大器将直流电的能量转换成高频信号的能量输出的。

由于在能量转换的过程中存在着能量的损耗，高的能量发射必然有高的能量损耗，因此要求功率放大器应该在尽可能低的能量损耗下具有尽可能高的能量转换和能量发射，及要求功率放大器应具有高的能量转换效率。

根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。

而高频功放一般都采用选频网络作为负载。

高频功率放大器由功率放大管、输入回路和输出谐振回路、集电极电源和基极偏置电路等几部分组成。

其与小信号调谐放大器的区别在于：

（1）放大管是高频大功率晶体管，集电极直接与散热片连接，能承受高电压和大电流。

（2）输入回路通常为调谐回路，既能实现调谐选频，又能使信号源与放大管输入端匹配。

（3）输入端的负载回路也为LC调频回路，要求既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端与负载的匹配。

（4）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压（-UBB），常使电路工作在丙（C）类状态。

图4.1晶体管转移特性曲线

根据高频功率放大器的等效电路，晶体管基极的反向偏置电压为-UBB，如果输入的交流信号为ubt=Ubmcosωt,则加到晶体管基极、发射机之间的有效电压为

uBE=ubt-UBB=-UBB+Ubmcosωt（4.1.1）

（1）集电极电流ic

由晶体管转移曲线可以看出：

当输入信号ubtUBB+UBZ时，发射结才能导通，集电极电流ic可表示为ic=gc（uBE-UBZ）（4.1.2）

式中，gc为晶体管跨导，即折线的斜率，gc=∆ic∆uBE，其中uce为常数。

将公式4.1.1代入公式4.1.2可得

ic=gc（-UBB+Ubmcosωt-UBZ）（4.2.3）

当ωt=θc时，ic=0，可得cosθc=UBB+UBZUbm（4.2.4）

式中，UBZ为晶体管的开启电压；θc称为晶体管导通角，即θc=cos-1UBB+UBZUbm（4.2.5）

当ωt=0时，ic=Icmax=gcUbm（1-cosθc），可得集电极尖端余弦脉冲电流ic的表达式为

ic=Imaxcosωt-cosθc1-cosθc（4.2.6）

（2）集电极电流ic的傅里叶分析

尖顶余弦脉冲电流ic可用傅里叶级数分解为直流分量、基波、二次谐波、三次谐波、……、n次谐波分量，即

ic=Ico+Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+⋯+Icmncosnωt+⋯（4.2.7）

图4.2尖顶余弦脉冲的分解系数an（θc）与波形系数g1（θc）曲线

集电极脉冲电流ic的直流分量Ico并不是常数，随着导通角θc的增大，an（θc）将增大，Ico=Icmaxα0（θc）也将增大。

当导通角θc=π时，功率放大器将工作于甲（A）类工作状态；当导通角θc=π2时，功率放大器将工作于乙（B）类工作状态；当导通角θc<π2时，功率放大器将工作于丙（C）类工作状态。

（3）集电极输出电压uCE

由于高频谐振功率放大器的输出端接LC谐振回路，因此只要调节LC回路的电抗元件值，即可使LC回路谐振于输入信号的频率（即基波频率ω）。

如果LC回路的谐振电阻为Rp,则集电极电流ic流经LC并联谐振回路时，对基波电流呈现的谐振电阻为Rp（最大值），使回路两端的电压为uc1=-RpIcm1cosωt,而对直流分量Ico和各高次谐波电流分量所呈现的失谐阻抗为零或极小，因此LC回路可选出基波电压uc1=-RpIcm1cosωt，而滤除各次谐波电压。

集电极输出电压的瞬时值uCE=Ec-RpIcm1cosωt。

因此虽然高频谐振功率放大器的集电极电流是尖顶余弦脉冲，但放大器的输出回路电压仍只有输入信号频率分量，即相对于输入信号没有失真。

4.1甲类功率放大器

甲类功放（A类功放）输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。

当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。

当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。

晶体管组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。

其中RB1、RB2为基极偏置电阻；RE1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。

RF1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

电路的静态工作点由下列关系式确定：

UEQ=IEQ（RF1+RE1）≈ICQRE1（4.2.8）

式中，RF1一般为几欧至几十欧。

ICQ=βIBQ（4.2.9）

UBQ=UEQ+0.7V（4.2.10）

4.1.1甲类功放的负载特性

甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0可表示为：

P0=PH'/ηB（4.2.11）

式中，PH′为输出负载上的实际功率，ηB为变压器的传输效率，一般ηB=0.75~0.85。

图4.3甲类功放负载特性

为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻RH称为最佳负载电阻。

集电极的输出功率PC的表达式为：

（4.2.12）

式中，ucm为集电极输出的交流电压振幅，Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别为（4.2.13）

式中，uCES称为饱和压降，约1V

（4.2.14）

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则

（4.2.15）

式中，RH′为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。

4.1.2甲类功放的功率增益

与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大。

输入功率Pi与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为

（4.2.16）

式中，Ri又可以表示为

（4.2.17）

式中，hie为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻rbb¹。

hfe为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数β。

4.2丙类功率放大器

4.2.1丙类功放原理

丙类功率放大器的基极偏置电压uBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻RE2上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。

当放大器的输入信号为正弦波时，则集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。

利用谐振回路L2C3的选频作用可输出基波谐振电压uc1,电流ic1。

图为丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

【a】【b】

图4.4丙类功放波形

图a为三极管输入波形，图b从上至下依次为基波脉冲电流及谐波分量，集电极脉冲电流及谐波分量，LC谐振回路及两端电压波形以及晶体管集电极与发射极之间的瞬时电压波形。

分析可得下列基本关系式：

（4.2.18）

式中,为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；为集电极基波电流振幅；Ro为集电极回路的谐振阻抗。

式

（4.2.19）

式中，PC为集电极输出功率

（4.2.20）

式中，PD为电源供给的直流功率,ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。

电流脉冲ic经傅立叶级数分解，可得峰值Icm与分解系数的关系式

（4.2.21）

放大器集电极的耗散功率PC′为：

PC′=PD-PC（4.2.22）

放大器的效率η为

（4.2.23）

式中，ζ=Ucm/EC为集电极电压利用系数；g1θc=Icm1Ico=α1θc/αo（θc）称为波形系数，是导通角θc的函数。

电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。

如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ<90º，效率η可达到80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

图4.5丙类谐振功率放大器电路示意图

三极管V在工作时应处于丙类工作状态，只有小部分时间导通，LC谐振回路起到滤波和匹配的作用，基极电源VBB应小于死区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一般VBB略小于0。

集电极电压VCC是功