丙类高频功率放大器课程设计报告

高频电子线路课程设计报告

题目：丙类功率放大器

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专业：电子信息科学与技术

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2013年12月20日

一、设计目的 (1)

二、设计思路 (1)

三、设计过程 (2)

3.1、系统方案论证

3.1.1 丙类谐振功率放大器电路

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

3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路

3.2.3匹配网络

3.2.4 VBB 、Vcm、Vbm、VCC对丙类谐振功率放大器性能影响分析

四、整体电路与系统调试及仿真结果 (11)

4.1 电路设计与分析

4.2.仿真与模拟

4.2.1 Multisim 简介

4.2.2 基于Multisim电路仿真用例

五、主要元器件与设备 (14)

5.1 晶体管的选择

5.1.2 判别三极管类型和三个电极的方法

5.2电容的选择

六、课程设计体会与建议 (17)

6.1、设计体会

6.2、设计建议

七、结论 (18)

八、参考文献 (19)

一、设计目的

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。

二、设计思路

丙类谐振功率放大器工作原理

图2-2-1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V BB 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V BB作为结外电场，无法克服结电场，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i C≈βi B知，i C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(i C～V BE)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2-2-1 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i C分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即

i C =I CO + I c1m cosωSt+ I c2m cos2ωSt+…

由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对i C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。

三、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（失真在允许围）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在允许的围），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3-1-1所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，L C为高频扼流圈,它与C C构成电源滤波电路,需要在信号频率上，L C的感抗很大，接近于开路，C C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3-1-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲i B中的平均分量I BO在高频扼流圈L B中固有直流电阻上产生的压降，电路中L B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3-1-1集电极直流馈电电路（串馈）

图3-1-2 自给偏置电路

图3-1-3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3-1-3 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3-2-1(输出回路均以略去)所示。

图3-2-1 基极偏置电路

现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图3-2-1（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U i1＞U i2.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。

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3-2-2(a)所示,图中L C为高频扼流圈,C C为电源滤波器,Z L为电抗。要求L C对信号频率的感抗很大,接近开路, C C 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3-2-2(a) 串馈电路、图3-2-2（b）并馈电路

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2-4-2（b）所示，图中L C为高频扼流圈，C C1为隔值电容，C C2为电源滤波电容，要求L C对信号频率的感抗很大，接近开路，C C1和C C2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 V BB、V cm、V bm、V CC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V BB、V bm和V CC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3-2-3所示。由图3-2-3看以看出,当A′沿U BE0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i C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i C分解，即

i C =I CO + I c1m cosωSt+ I c2m cos2ωSt+…，

可画出I CO和I c1m随Re变化特性,如图3-2-4所示。

由V cm=I c1m Re,P o=I2c1m Re/2,P D=V CC I CO，P C= P D- P o ,ηC= P o /(P D + P o)，可画出V cm、P o、P D、P C、ηC随Re变化曲线,如图3-2-5所示。

图3-2-3 谐振功率放大器电路特性曲线

图3-2-4 I CO和I c1m随Re变化特性

图3-2-5 V cm、P o、P D、P C、ηC随Re变化曲线

2 调制特性

集电极调制特性是指V BB、V bm和Re一定，放大器性能随V CC变化的特性，当V CC由大减小时，放大器性能由欠压状态进入过压状态，i C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3-2-6所示。

基极调制特性是指V CC、V bm和Re一定，放大器性能随V BB变化的特性。当V bm一定, V BB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3-2-7所示。

图3-2-6 放大器性能随V CC变化的特性

图3-2-7 放大器性能随V BB变化的特性

放大器随V bm变化特性曲线，与放大器性能随V BB变化的特性曲线类似，如图3-2-8所示。

图3-2-8 放大器性能随V bm变化的特性

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，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

Δi C=h1①Δi B+h2②ΔV CE ⑴

在放大区，i C主要由i B控制，此时，h1﹥h2，在饱和区i C主要由反向饱和电流i CEO决定，而i CEO大小取决于U CE电压，因此，此时h2﹥h1 。

设输入信号为正弦波u BE=V BB+V bm sinωSt

两边取微变量，有Δu BE=ΔV bm sinωSt

两边同除晶体管动态输入电阻r be,有Δi B=1／r beΔV bm sinωSt ⑵输出电压为u CE= V CC- V cm sinωSt

两边取微变量，有Δu CE=-ΔV cm sinωSt ⑶

将⑵⑶带入⑴，得Δi C=（h1V bm/r be-h2V cm）ΔsinωSt ⑷

因此，⑷式中,

在放大区, h1﹥h2且h1V bm/r be-h2V cm﹥0, Δi C与Δi B同号。

在饱和区, Δi C与Δi B反号。

由此可知，集电极电流波形会存在顶部凹陷。

四、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4-2-1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i B中的平均分量I BO在电阻R B上产生的压降，L B是用来避免R B，C B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，R D1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V CE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R D2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V CC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V CC,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4-1-1

4.2.仿真与模拟

对图4-1-1电路用Multisim进行仿真。

4.2.1 Multisim 简介

Multisim是美国国家仪器（NI）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Multisim 12，在电路设计窗口调用所需元件并按图4-1-1进行连线并

设计参数。如图4-2-1所示。

打开示波器，接通电源进行仿真，仿真波形如图4-2-2所示，（图4-2-2仿真波形

为反复调试参数后较满意波形）。

图4-2-1

图4-2-2

五、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5-1-1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。

表5-1-1 半导体器件型号的命名方法

规格号电极数材料与极性类型性能序

号符

含义符号含义符号含义含义含义号

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。

5.1.2 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，如图5-2-1所示，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。

图5-2-1不理想电容器

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5-2-1所示。

表5-2-1 常用ATC隔值流电容参数

封装电容值

（PF）

应用频率

（MHz）

ESR

（Ω）

谐振频

率

等效电

容

串联电

感值

（nH）

600

47 2017.5 0.111 15.2 2082.8 761.13 0.12 600

51 1900 0.106 15.4 1984.9 608.94 0.13 600

36 2350 0.123 15.3 2437.3 511.85 0.12 600

39 2017.5 0.115 17.5 2072.5 744.59 0.15 600

47 1900 0.114 15.6 1918 2514.42 0.15 600

27 2350 0.123 20.4 2414.4 513.2 0.16

六、课程设计体会与建议

6.1.1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。

6.1.2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。

七、结论

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。丙类谐振功率功率放大器由于安全、高效和电路结构简单的优势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。

在未来的生活中，谐振功率放大器，会出现在各个领域，充当更重要的角色。尤其通信电路中更是不可缺少。

丙类谐振功率放大器是电子电路的重要单元，其性能和稳定性直接影响整个电路，甚至使昂贵的元件损坏。在设计丙类谐振功率放大器时，充分考虑功率管的极限参数，设置适当的保护电路和散热装置，各元件参数经过反复仿真和试验确定。该论文从介绍、分析丙类谐振功率放大器核心部件—晶体管，到基本放大电路，再到丙类谐振功率放大器基本电路和工作原理，最后给出设计用例并进行