高频功率放大器设计课程设计.docx
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高频功率放大器设计课程设计
高频电子线路课程设计说明书
题目：
高频功率放大器设计
学生姓名：
学号：
院（系）：
专业：
指导教师：
2015年01月05日
目录
1选题背景1
2丙类功率谐振放大器的理论设计1
2.1高频功率放大器的简介1
2.2电路原理1
2.2.1工作原理1
2.2.2主要的技术指标2
2.3确定放大器的工作状态4
2.4谐振回路及耦合回路的设计5
3设计过程6
3.1系统方案论证6
3.1.1丙类谐振功率放大器电路6
3.2模块电路设计7
3.2.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路7
3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路7
3.2.3匹配网络8
3.2.4直流偏置对丙类谐振功率放大器性能影响分析8
4整体电路与系统调试及仿真结果12
4.1电路设计与分析12
4.2.仿真与模拟13
4.2.1Multisim简介13
4.2.2基于Multisim电路仿真用例14
5元件与设备15
5.1晶体管的选择15
5.1.1判别三极管类型和三个电极的方法15
5.2电容的选择16
6课程设计体会与建议16
6.1课程设计体会17
6.2课程设计建议17
7总结17
参考文献19
1选题背景
电子技术迅猛发展。
由分立元件发展到集成电路，中小规模集成电路，大规模集成电路和超大规模集成电路。
基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元。
弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。
放大器在当今和未来社会中的作用日益增加。
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输出功率，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。
高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。
丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛的应用，而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高的社会价值。
设计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真，以及对丙类谐振功率放大器发展的展望。
2丙类功率谐振放大器的理论设计
2.1高频功率放大器的简介
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。
2.2电路原理
2.2.1工作原理
丙类功率放大器的基极偏置电压
是利用发射极电流的直流分量
在发射极直流负反馈电阻
上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。
当放大器的输入信号
为正弦波时，集电极电流
为余弦脉冲波。
利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压
、电流
图2-1为丙类谐振功率放大器原理图,为实现丙类工作,基极偏置电压VBB应设置在功率的截止区。
输入回路：
由于功率管处于截止状态，基极偏置电压VBB作为结外电场，无法克服结内电场，没有达到晶体管门坎电压，从而，导致输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度小于90o。
由iC≈βiB知，iC也严重失真，且脉宽小于90o。
输出回路：
若忽略晶体管的基区宽度调制效应以及结电容影响,在静态转移特性曲线（iC～VBE）上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列,脉冲宽度小于半个周期。
图2-1丙类谐振功率放大器原理图
由Dirichlet收敛定理可知,可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即
（2-1）
由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗很大，且为纯电阻。
而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，这样，在负载上得到了所需的不失真的信号功率。
2.2.2主要的技术指标
（1）直流电源
提供的直流功率
（2-2）
式中，
为集电极电流
的直流分量。
电流
经傅立叶级数分解，可得峰值
与分解系数
的关系式
（2-3）
故有
（2-4）
分解系数
与
的关系如图所示。
图2-2分解系数
与
的关系
（2）集电极输出的基波功率
（2-5）
式中，
为集电极基波电压的振幅，
为集电极基波电流的振幅；
为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有
，三者间的关系为
（2-6）
式中，
，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。
（3）功率增益
（2-7）
式中，
为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅
、基波输入电压振幅
及输入电阻
的关系为
（2-8）
实验电流中，
可表示为
。
由公式（2-5）和（2-8）可得
（2-9）
（4）放大器的效率
（2-10）
式中，
称为电压利用系数。
功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。
在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取
。
2.3确定放大器的工作状态
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2-3为电压、电流随负载变化的波形图。
图2-3电压、电流随负载变化的波形图
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。
2.4谐振回路及耦合回路的设计
输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。
如图2-4所示，丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为：
（1）实现阻抗匹配，使负载电阻
能与放大器的最佳负载
匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。
（2）与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。
耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式。
为了减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。
回路的谐振频率为
或
（2-11）
谐振阻抗与变压器线圈匝数比为
（2-12）
（2-13）
图2-4耦合回路
3设计过程
3.1系统方案论证
3.1.1丙类谐振功率放大器电路
在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允许范围内）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在允许的范围内），通常采用丙类谐振功率放大器。
本章主要介绍丙类谐振功率放大器的电路组成和工作原理并对各种状态进行分析。
在丙类谐振功率放大器中，管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成。
如图3-1所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它与CC构成电源滤波电路,需要在信号频率上，LC的感抗很大，接近于开路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈，造成工作不稳定。
由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅,因此,在基极通常采用自给偏置电路,如图3-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生的压降，电路中LB为功率管基极电路提供直流通路。
滤波匹配网络介于晶体管和外接负载之间,充分滤除不需要的高次谐波,以保证负载上的输出基波功率。
图3-1集电极直流馈电电路（串馈）
图3-2自给偏置电路
图3-3为丙类谐振功率放大器的简单基本电路,输入端采用自给偏置电路,输出端为集电极直流馈电电路（串馈）。
图3-3丙类谐振功率放大器的简单基本电路
3.2模块电路设计
3.2.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路
我们知道,丙类谐振功率放大器输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电压，采用这种方式可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出的作用。
但要注意,存在自给偏置电路的丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号（载波、调频信号）而不适宜放大调幅信号，否则调幅信号包络将会失真。
常用的基极偏置电路见图3-4（输出回路均以略去）所示。
现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图3-4（b）所示，当电源V1电压处在正半周期且电压振幅大于PN结门坎电压时，基极导通，此时，记流经C2的电流为i1，一个周期内的其他时间处于截止状态，此时，记流经C1的电流为i2。
显而易见，基极导通时流经C2的电流i1大于截止时的电流i2，即i1＞i2。
C2两端的电压关系为Ui1＞Ui2.由于基极相对于地的电压波形为正半周期幅度小于负半周期幅度,由傅里叶级数可知，它的平均分量为负，使功率管发射结正偏，处于截止状态。
图3-4基极偏置电路
3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路
集电极直流馈电电路有两种连接方式:
串馈和并馈。
所谓串馈是指,将直流电源、匹配网络和放大管串接起来的一种方式。
如图3-5（a）所示,图中LC为高频扼流圈,CC为电源滤波器,ZL为电抗。
要求LC对信号频率的感抗很大,接近开路,CC的容抗很小,接近短路,是为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定。
图3-5直流馈电电路
并馈电路是把直流电源、匹配网络和放大器并接起来的一种馈电方式，如图3-5（b）所示，图中LC为高频扼流圈，CC1为隔值电容，CC2为电源滤波电容，要求LC对信号频率的感抗很大，接近开路，CC1和CC2的电容很小,接近短路。
3.2.3匹配网络
匹配网络介于晶体管和负载之间，在丙类谐振功率放大器电路中的作用非常重要，具有阻抗转换、滤除高次谐波和高频率传送能量的作用。
3.2.4直流偏置对丙类谐振功率放大器性能影响分析
（1）负载特性
所谓谐振功率放大器的负载特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能随Re变化的特性。
利用准静态分析法对负载特性进行分析，画出电路的特性曲线，如图3-6所示。
由图3-6看以看出,当A′沿UBE0曲线由右向左移动（即A′→A″→A，，，方向移动）时，电路状态将发生变化，曲线①较陡，近似直线斜率绝对值较大，从而，Re较小；曲线②较缓，近似直线斜率绝对值较小，因此，Re较大.所以,在A′→A″→A，，，移动的过程中Re由小增大，放大器将由欠压状态进入过压状态，相应的iC由余弦变化脉冲变为中间凹陷的脉冲波，用傅里叶级数将电流脉冲iC分解，即
（3-1）
可画出ICO和Ic1m随Re变化特性,如图3-7所示。
由Vcm=Ic1mRe,Po=I2c1mRe/2,PD=VCCICO，PC=PD-Po,ηC=Po/（PD+Po），可画出Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re变化曲线,如图3-8所示。
图3-6谐振功率放大器电路特性曲线
图3-7ICO和Ic1m随Re变化特性
图3-8Vcm、Po、PD、PC、ηC随Re变化曲线
（2）调制特性
集电极调制特性是指VBB、Vbm和Re一定，放大器性能随VCC变化的特性，当VCC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，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，如图3-9所示。
基极调制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。
当Vbm一定,VBB自负值向正值方向增大时,集电极电流脉冲不仅宽度增大,而且高度增加，放大器由欠压状态进入过压状态，如图3-10所示。
放大器随Vbm变化特性曲线，与放大器性能随VBB变化的特性曲线类似，如图3-11所示。
图3-9放大器性能随VCC变化的特性
图3-10放大器性能随VBB变化的特性
图3-11放大器性能随Vbm变化的特性
（3）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3-12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3-12谐振放大器的放大特性
谐振功率放大器过压状态下集电极电流凹陷分析。
当谐振功率放大器处于过压状态时，晶体管集电极的周期性脉冲电流的顶部会凹陷，晶体管进入饱和区内，各物理量之间有着复杂的非线性关系，在此用微变量之间的线性关系进行分析。
根据晶体管特性,管子的集电极电流的微变量可表示为
（3-2）
在放大区内，iC主要由iB控制，此时，h1﹥h2，在饱和区内iC主要由反向饱和电流iCEO决定，而iCEO大小取决于UCE电压，因此，此时h2﹥h1。
设输入信号为正弦波
（3-3）
两边取微变量，有
（3-4）
两边同除晶体管动态输入电阻rbe,有
（3-5）
输出电压为
（3-6）
两边取微变量，有
（3-7）
将（3-5）（3-7）带入（3-2），得
（3-8）
因此，（3-8）式中,
在放大区内,h1﹥h2且h1Vbm/rbe-h2Vcm﹥0,ΔiC与ΔiB同号。
在饱和区内,ΔiC与ΔiB反号。
由此可知，集电极电流波形会存在顶部凹陷。
4整体电路与系统调试及仿真结果
4.1电路设计与分析
发光二极管颜色与电压：
黄色通常为1.8V～2.0V,红色通常为2V～2.2V，绿色通常为3.0V～3.2V,正常发光时额定电流为20mA。
如图4-1所示,为所设计丙类谐振功率放大器电路。
输入端采用自给偏置电路提供偏置电压，它提供的偏置电压是基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在电阻RB上产生的压降，LB是用来避免RB，CB对输入滤波匹配网络的旁路影响。
C1，C2，C3和L1构成T型滤波匹配网络。
输出端，RD1和D1构成构成丙类谐振功率放大器限制功率保护电路，随着结温的升高，功率管基极—放射极电压VCE超过齐纳二极管D1的击穿电压时（耗散功率限制保护电路中，齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值），齐纳二极管D1击穿，从而限制了晶体管的耗散功率，防止了晶体管发生二次击穿而导致晶体管损坏。
D2和RD2是为了防止无意中接入大于晶体管击穿电压的电压造成电路损坏而接入的保护电路（齐纳二极管的反向击穿电压应小于晶体管的集电极耐压额定值），当接入VCC电压大于齐纳二极管反向击穿电压时，齐纳二极管D2导通，放光二极管亮提醒工作人员，整个电路停止工作。
直流电源VCC,功率管T和滤波匹配网络在电路形式上并接成并馈馈电方式，可调整可变电容器C3和C4使其调整在输入信号频率上，时期输出不失真的信号功率，也可同时与输出电阻构成匹配网络提高输出功率。
图4-1丙类谐振功率放大器电路
4.2.仿真与模拟
4.2.1Multisim简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
4.2.2基于Multisim电路仿真用例
打开Multisim12，在电路设计窗口调用所需元件并按图4-1进行连线并设计参数。
如图4-2所示。
图4-2电路仿真图
打开示波器，接通电源进行仿真，仿真波形如图4-3所示，（图4-3仿真波形为反复调试参数后较满意波形）。
图4-3仿真波形图
下图为元器件清单图：
图4-4元件清单图
5元件与设备
5.1晶体管的选择
任何电子电路都以电子元件为基础，常用的元件由电阻器、电容器、电感器、半导体器件（二极管、晶体管、场效应管以及集成电路）。
半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心元件。
二极管具有单向导电性,可用于整流检波、稳压混频等电路。
晶体管具有放大和开关作用,可用于放大、震荡、调制等电路。
表5-1是半导体器件型号的命名方法,可用此表对应型号选择半导体器件。
晶体管分NPN型和PNP型两大类。
通过外壳上所标注的规格和型号,可以区分出管子的类型、材料、功能大小、频率高频等性能。
此外,管壳上一般还用色点的颜色来表示管子的电流放大倍数β的大致范围。
如黄色表示β=30～60，绿色表示β=50～110，蓝色表示β=90～160，白色表示β=140～200。
5.1.1判别三极管类型和三个电极的方法
要弄清管子类型与三个电极。
将万用表至于电阻“R×1K”档，用黑表笔接晶体管的某一脚（假设其为基极），用红表笔分别接另两个脚。
若两次显示阻值都很小,则表示该管是NPN管,且黑表笔所接管脚为基极;若两次显示的阻值都很大，则表示是PNP管，且黑表笔所接管脚为基极；若两次显示阻值一大一小，则表示黑表笔所接管脚不是基极，按上述方法测量，直到找到为止。
若三个管脚测试下来,都不能确定基极。
则晶体管可能以损坏。
确定管子的类型和基极后,可进一步判断发射极和集电极。
用万用表置于电阻“R×1K”挡，两表笔分别接除基极外的两个电极。
对于NPN管,用手指捏住基极与黑表笔所接管脚，可测得一阻值。
然后将两表笔对换,同样用手指捏住基极与黑表笔所接管脚，又测得一阻值。
所得阻值小的那次测量,黑表笔所接管脚所接的是集电极,而红表笔所接的是发射极。
对于PNP管,应用手指捏住基极与红表笔所接管脚,所得阻值小的那次测量,红表笔所接的管脚为集电极,而黑表笔所接的管脚为发射极。
5.2电容的选择
射频电容的关键指标是高Q和低ESR。
在功率放大器匹配电路的应用上,射频功率的消耗与Q值成反比,直接与ESR值成正比。
高Q电容是保证功率放大器增益和输出功率指标的关键因素。
另外,电容器不是理想的电容，其模型都是由串联的电感、电阻和电容组成，因此，高Q电容在不同频率下所呈现的等效电容值也不一样。
射频高Q最大的生产厂家当属ATC（目前已被AVX收购），常用的ATC隔直流电容参数见表5-2所示。
表5-1常用ATC隔值流电容参数
封装
电容值（PF）
应用频率（MHz）
ESR（Ω）
Q
谐振频率
等效电容
串联电感值（nH）
600S
47
2017.5
0.111
15.2
2082.8
761.13
0.12
600S
51
1900
0.106
15.4
1984.9
608.94
0.13
600S
36
2350
0.123
15.3
2437.3
511.85
0.12
600F
39
2017.5
0.115
17.5
2072.5
744.59
0.15
600F
47
1900
0.114
15.6
1918
2514.42
0.15
600F
27
2350
0.123
20.4
2414.4
513.2
0.16
100B
10
2017.5
0.163
48.4
2029.3
862.16
0.62
100B
11
1900
0.153
49.8
1939.8
270.63
0.61
100B
6.8
2350
0.202
49.4
2435.5
98.59
0.63
6课程设计体会与建议
6.1课程设计体会
通过对丙类功率放大器的课程设计，充分掌握了功率放大器的工作原理，与原件的工作特性，掌握了在电路设计过程中元件的选择与参数的计算，熟悉了仿真软件的应用与模块电路在整体电路中的作用。
此次课程设计为将来实际工作中要进行独立解决问题的能力得到了锻炼，将性能问题转换成数学计算问题，再将数算问题回馈为实际问题，最终得以解决实际问题的方法。
6.2课程设计建议
在本次课程设计中，暴露了学生们理论知识与实际问题无法相结合的问题，无法快速的将实际问题建模，并得以解决，今后应加强锻炼学生的将实际问题建立数学模型并最后解决实际问题的能力。
7总结
在这次高频电子线路的课程设计实习中，充分的应用了所学的知识。
通过去图书馆查阅相关的资料和上网搜索相关的知识，我颇有收获，粗略设计出该电路。
总体来说还是比较成功。
运用了所学的高频功率放大器的原理与特性分析。
优点：
电路结构简明扼要，电路参数的可调范围宽泛。
电路权衡效率和功率，使其达到比较良好的效果。
缺点：
输出波形仍有一定的误差，但不影响电路的整体性能。
在这次课程设计的实习中，我们颇有收获，粗略设计出该电路。
总体来说还是比较成功。
运用了所学的设计方法等实现功能。
当然,由于学的不够扎实，在课程设计过程中遇到很多困难，尤其是在调节输出以及确定参量的过程中，耗费了很多的时间与精力。
同时，在各功能的设计过程中好多问题的考虑还是不够全面。
通过这次课程设计，我感受到了电脑实验设计的”伟大“，享受到了其中的乐趣。
通过这次课程设计，使我感受到了什么是”纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行“,平时不下一番苦功夫是学不好的。
我们必须要养成严谨求学的态度，这样才能做起程序来得心应手。
才能在以后的实践中，提升自己。
在这次课程设计过程中，我遇到很多问题，这些问题暴露了我平时学习的不足，因此我需要在今后的学习中更加努力地去学习有关高频的知识，使自己能够很好的掌握这项课程。
在这一周的时间里，我总结出善于交流的意见，也是学习能力的一种体现，每次完成一次编程任务，我都有会和同学们交流一下，找到自己的不足，从而更好的提升自己。
也许这就是成长，汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
通过实际动手做，我们才能真正领略到”艰苦奋斗“这一词的真正含义，我想说，编程确实有些辛苦，但苦中也有乐，在这个团队的任务中，一起工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契。
对我们而言，知识上的收获虽然重要，但精神上的收获更是可喜的。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次实际操作必将成为我大学生涯中一段美好的回忆！
参考文献
[1]刘泉.通信电子线路［M］.武汉:
武汉理工大学出版社.2005.
[2
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