丙类功率放大器

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丙类功率放大器设计报告

题目：丙类功率放大器课程设计

院系：电气信息工程系专业：通信工程

组长：学号：

组员 1 ：韩路云学号：20090602022 组员 2 ：信勇学号：20090602023 组员 3 ：韩硕学号·20090602024 组员 4 ：赵丹学号：20090602025 组员 5 ：张红菊学号：20090602026 指导教师：陈永志

2011年12月27日

实践课名称设计报告

一、选题目的和意义：

在低频电子线路中，为了获得足够大的输出功率必须采用低频功率放大器。这种低频功率放大器一般工作在甲类或是乙类（推挽输出）或甲乙类的放大器，效率不会超过78.5%，同样的在高频电子线路中，为了获得足够大的输出功率，也必须采用高频功率放大器。不过，由于高频功率放大器的特殊性，高频功率放大器既可以工作在甲类或甲乙类状态，也可以工作在丙类或是丁类甚至是戊类，效率可以高过78.5%，比如在调幅信号发射机中，高频功率放大器把已调波的功率放大到足够的大，使调幅广播计划的覆盖地区能够正常的接听。在通信方面，常常也需要高频功率放大器如闭路电视。由此可见，高频功率放大器是通信发送设备的重要组成部分，广泛应用在发射机、高频加热装置和微波功率源等待脑子设备中。

高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率、功率增益。带宽和谐波抑制等。这几项指标往往是相互矛盾的，对于不同应用，要有所兼顾。它的主要技术指标是输出功率和效率。由于高频功率放大器的输出功率比较大，耗能比较多，所以工作效率就显得比较重要。放大器的基本原理都是利用输入基极或栅极的信号区控制集电极或是漏极或阳极的直流电源，让这个直流电源输出的功率转变为与输入信号频谱结构相同的输出信号的功率。显然，这个转换的效率不能到100%，因为电子元器件本身还要消耗功率，比如电阻、晶体管、场效应管、电子管等。事实上，这个直流电源输出的功率一部分转化为了交流输出，另一部分主要以热能的形式被集电极或是漏极或阳极所消耗。称为耗散功率。工作效率的提高意味着更加的节能。

学生姓名任务分工学生姓名任务分工学生姓名任务分工韩路云信勇韩硕

赵丹张红菊

二、主要研究内容：

高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。利用选频网络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。随着现代通信技术的日益发展高频放大应用的领域也越来越广。在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要的技术攻关项目。特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标，且高频功率放大器一般工作在丙类。

如图1-1所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1为隔直流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。其中天线等效阻抗，作为输出负载。与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。

图1-1高频功放基本原理框图

谐振式高频功率放大器的特点是：①为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为反向偏置，由E b（V BB）来保证，流过晶体管的电流为余弦脉冲波形；

②负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。

三、设计的方法及步骤：

如下图2-1所示丙类功放基本电路图所示:

C

VBB

Vcc 01

2

RA

Vi

4530

图2-1 丙类功放基本电路图

丙类功放的基极偏置电压BE V 是利用发射极电流的直流分量EO I 在射级电阻R 上产生的压降来提供，故称为自给偏压降电路。在电路中：

)cos()(t V V t u i BB BE ω+= （2-1）

)cos()(t V V t u m c CC CE ω+= （2-2）

当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极电压控制的板流脉冲。i a 是周期性函数，由数学知识可知，它可用傅氏级数来表示。

可见，板极电流等于直流分量I a0、一次谐波(基波)、二次谐波和其他高次谐波

之和。当放大器的输入信号 i ν 为正弦波时，集电极的输出电流 c i 为余弦脉冲波，但只有在欠压或是临界状态下才是尖顶余弦脉冲，如下图所示:

图2-2 尖顶余弦脉冲波形

若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数即：

.....cos2I cos I I i cm2cm1c0c +++=wt wt （2-3）

其中各系数应满足：

)

()(max max 10max 0C n C cmn C C cm C C C i I i I i I θαθαθα==)

(=1 （2-4）

其中,0α、1α等系数满足的波形如下图：

由图，兼顾功率与效率，一般高频功率放大器导通角选在70°左右。此时的效果最佳。可以达到80%左右。

激励电压u g ＝U g cosωt 是随时间而变化的。当E g 、E a 、R oe 保持不变时，激励电

压振幅U g 的变化对工作状态将产生影响：

当U g ＝0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。

当U g 由零开始增加，且e g ＝E g 十U g ≥E g '时，板i a 开始导通，在e g ＜0时，栅流

为零，显然此时为欠压状态。

U g 继续增加，且e g ＝E g 十U g ≥0时，栅流i g 开始出现，并随U g 增加而增大。所

以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变U g 大小，就可以

改变工作状态。

当功率放大器的电源电压+Ucc ，基极偏压Ub ，输入电压C 确定后，如果电容导通角确定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rp 。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。

图2-3 U

变化对工作状态影响的三组曲线

g

在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波形。

为实现不失真放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的已调波信号。在这种信号作用下，功率管集电极电流波形为接近余弦的脉冲序列，用傅氏级数将它分解为平均分量，基波分量和各次谐波分量之和，输出滤波匹配网络取出基本波分量，滤除其它无用分量，就能在负载上获得不失真的输出信号。同理，在功率管输入端，基极电流也是失真脉冲序列，通过输入匹配滤波网络的滤波作用，加到功率管输入端的为不失真的信号电压。

在特定的偏置条件下，对应于特定大小的输入信号，功率管有一最佳负载，这时，谐振功放的输出功率最大，效率也较高。因此滤波匹配网络除了滤波作用外，还起到匹配作用。

总之，谐振功放是在限定输入信号波形的情况下，通过滤波匹配网络，使输出负载上得到所需的不失真功率。

四、实验设计（相关原理框图）：

丙类功率放大器的电路组成如下图3-1：

3DA1

N 1TRAN-2P3S

RE2

2R2C

100pf

CE2

RL IN O U T VCC

图3-1 丙类功放电路图

1.确定放大器的工作状态

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c θ在600—900范围。现设c θ=700，查表得：集电极电流余弦脉冲直流I CO 分解系数00(70)0.25α=，集电极电流余弦脉冲基波I CM1分解系数 01(70)0.44α=。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：

2

2()(12 1.5)11022(0.5)CES p o Vcc V R P W --===Ω

集电极基波电流振幅为： 12/95cm o p I P R mA ==

集电极电流脉冲的最大振幅为：max 11/()95/0.44216c cm c I I mA mA αθ===

集电极电流脉冲的直流分量为：max ()2160.2554co c o c I I mA αθ=?=?=

电源提供的直流功率为： 12540.65D CC CO P V I V mA w ==?=

集电极的耗散功率为： 0.650.50.15C D o P P P w =-=-=

集电极的效率为： /0.5/0.6577%o D P P η===

根据设计要求，已知13p A dB = 即20p A =，则输入功率：/0.5/2025Pi Po Ap mV ===

基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的β=10）： 21.6Bm Icm

I mA β== 基极基波电流的振幅为： 011(70)9.5B m Bm I I mA α==

得基极输入的电压振幅为： 12/ 5.3

Bm i B m V P I V == 2.基极偏置电路计算

因为cos E Z c Bm

V V V θ+= ，则基极偏置电压： 0cos 5.3cos70 1.1E bm c Z V V V V θ=-== 因为 E CO E V I R =，则射极电阻： 3/ 1.1/(5410)20E E co R V I -==?=Ω

高频旁路电容取pf C E 01.02=

.3. 谐振回路与耦合线圈的参数计算

丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb<25Ω, 则输入阻抗：

436

.0)70cos 1(25)()cos 1(11?-Ω=?-= θαθbb R Z ≈87.1Ω 则输出变压器线圈匝数比为：

13R R N N L =≈0.68 这里，我们假设取N3=2和N1=3

若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF ，则 20

)21(1f C L π?=≈100μH 用Φ10mm×Φ6mm×5mm 磁环来绕制输出变压器，其中：

μ=100H/m , A=210m m , l =25mm, L =60μH

∵ 有322210)()()(4-???∏=N l A L cm

cm μ，∴ 2N ≈26 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。可按经验取50～100μH ，滤波电感一般取0.01μF 。

五、结果及讨论：

测量丙类功放管集电极的输出波形：

图5-2 BG2集电极输出波形（1）

图5-2 BG2集电极输出波形（2）

分析波形：通过理论分析，丙类放大管的集电极输出波形应该为一个尖顶余弦脉冲。波形（1）是初次调试时得到的波形，可以看出，波形的底部已经有所变化，但不是完美的余弦脉冲，波形（2）是通过改变了部分参数得到的波形心得体会：高频课程设计在单片机课程设计之后，之前就做过了高频功率放大器，并相应地焊了电路板。当时在考试期间，并且是团队合作，工作量比较低。这一次做高频的课设，大家一起翻阅了相关的资料、参数计算和电路设计。本次课程设计的题目是设计满足一定要求的丙类功率放大器，由于在高频中已经接触过丙类功率放大器，并对它的功能以及技术指标有了一定得了解。在拿到题目后，我们没有停止过学习丙类功率放大器，一直在寻找一种最佳设计方案得出符合要求的电路

图。但是在这过程中自己遇到很多的困难，虽然对丙类功率放大器已经有了很大了解，但这些只是一个很笼统的概念，不能解决自己在设计过程中遇到的问题。因此，我们结合已有的丙类功率放大器的理论知识并不断地上网查资料，不断的请教周围的同学或是老师，自己一旦发现问题一定及时的解决问题。

在这其中，遇到了很多问题，小到在仿真库里找不到相应的元件，大到仿真得不到输出波形。不断地在网上寻找资料，咨询同学，有时候，真的是焦头烂额了。但还是得坚持做下去，检查电路，修改参数，重复计算，反反复复不下十次了。最终得到了想要的波形，虽然不是特别的理想，但是大致完成了任务了，并从中获得更多的知识。

六、指导教师的意见：

签名：

XXXX年XX月XX日成绩评定：

学生姓名成绩学生姓名成绩学生姓名成绩