通信电子线路第2章_高频功率放大器
通信电子线路课程设计高频功率放大器
摘要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功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。
在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，就要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。
本课程设计的高频功率放大器电路由两极功率放大器组成，第一级为甲类功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器。
分别对甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计，通过给定的技术指标要求确定甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计的工作状态和计算出电路中各器件参数，从而设计出完整高频功率放大器电路，再利用电子设计软件multisim对电路仿真。
通过仿真结果分析电路特性 ,使电路得到进一步完善。
报告中首先给出设计目标和电路功能分析，然后讨论各级电路具体设计和原理图，后给出了实际搭建电路测试的数据及分析，最后总结实验并给出了PCB 绘图。
关键词：高频功率放大器；甲类功放；丙类功放；选频回路ABSTRACTHigh frequency power amplifier is one of the important components of transmission equipment, communications circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output, communication distance, the greater the required output power. In the high-frequency range, in order to obtain a large enough frequency output power, we must use high-frequency power amplifier. Due to the high frequency power amplifier high frequency, relatively narrow band, so commonly used frequency-selective network as a load circuit.The curriculum design of high frequency power amplifier circuit by bipolar power amplifier, the first class is class a power amplifier, second class C class tuned power amplifier. On class a power amplifier and C class tuned power amplifier design, through the given technical requirements to determine the class a power amplifier and a C class tuned power amplifier design working state and calculate circuit in the device parameters, and design integrity of high frequency power amplifier circuit, and the use of Electronic Design Software Multisim for circuit simulation. Through the analysis of simulation results of circuit characteristics, so that the circuit has been further improved. The report first gives the design goal and function of circuit analysis, and then discuss the various circuit design and schematics, gives the actual circuit structures test data and analysis, finally summarizes experimental and gives the PCB drawing.Key words: high frequency power amplifier; class a power amplifier;class c power amplifier;frequency selective network;目录1 设计任务及要求和工作原理说明 (3)1.1 设计任务及要求 (3)1.2 设计课题总体方案思路介绍及工作原理说明 (3)2 电路各模块功能介绍及参数的确定 (6)2.1设计课题的参数选择 (6)2.2设计课题的硬件系统各模块功能简要介绍 (9)2.3设计课题的仿真图、PCB图 (11)3 电路的仿真与实物调试 (12)3.1 电路的仿真 (12)3.2实物电路调试结果 (13)3.3电路的仿真分析 (14)3.4实物电路调试分析 (14)3.5误差分析 (15)4 结束语 (16)致谢 (17)参考文献 (18)附录A 实物图 (19)附录B 元器件清单 (20)1 设计任务及要求和工作原理说明1.1 设计任务及要求1)输出功率mW P 5000≥ 2)工作中心频率MHZ f 100=3)%75>η4)负载电阻Ω=50L R5)晶体管用3DG130,其主要参数： W p cm 625=,mA I cm 600=,MHZ f r 100=1.2 设计课题总体方案思路介绍及工作原理说明1.2.1 设计课题总体方案思路介绍功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出,以提高发射信号能量 ,便于接收机接收的电路 ,因而要求输出功率大 ,效率高 ,同时 ,输出中的谐波分量应该尽量小 ,以免对其他频道产生干扰。
通信电子线路创新训练教程【ch07】 高频功率放大器 PPT课件
高频功率放大器的工作原理
03 功率关系
直流功率 直流功率是指直流电源在交流一周期内所供给的平均功率。
高频功率放大器的工作原理
03 功率关系
高频功率 高频功率放大器的集电极输出回路如图所示，可知输出回路对基频谐振呈现纯电阻， 对其他谐波呈现的阻抗很低，因此，只有基频电流能产生输出功率。
05
晶体管倍频器
晶体管倍频器
01
倍频器
倍频器是一种使输出信号频率变为输入信号频率的整数倍的电路。它常用作甚高频无线电发 射机或其他电子设备的中间级。采用倍频器的主要原因有以下几点。 （1）采用倍频输出可降低主振荡器的工作频率，提高频率稳定度。由于在实际中，主振荡器 的工作频率越高，会导致其频率稳定度越低，因此一般采用频率较低、频率稳定度较高的晶 体振荡器，后面加若干级倍频器来达到所需频率。因此，对于要求工作频率高，且要求频率 稳定度严糙百颤甭焙碍铂憋癌斑唇傲芭唉癌唉肮唉癌碍懊捌哎敖邦按哀倍稗肪叭靶柏兵昂岸 膘袄拔播癌败拌唉扒扳爱袄蔼氨吧和电子仪器就需要倍频器。
1、动态特性 高频功率放大器的动态特性是晶体管的内部特性和外部特性结合起来的特性 (实际高频功率放大器的工作特性)。
2、状态分类 根据功率放大器在工作时是否进入饱和区，可将其分为欠压、临界和过压 3 种作状态。
谐振功率放大器折线近似分析法
03 动态特性与负载特性
1
欠压
若在整个周期内晶体管工作时不进入饱和区，即在任何时刻都工作在放
谐振功率放大器折线近似分析法
01 特性曲线理想化
晶体管的静态特性曲线常用的是输入特性曲线、转移特性曲线和输出特性曲线。
《通信电子线路》第二章
放大高频大信号,使发射机末级获得足够大的发射功率。
2、高频功率放大器使用中需要解决的两个问题
①高效率输出 ②高功率输出 联想对比：
高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都 是输出功率大和高。
谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同
共同之处:都要求输出功率大和效率高。
功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直 流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器 的效率。
2.2.1 高频功率放大器的动态特性 1、 放大区动态特性方程
甲放动态特性
当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：
若设： ub Ubm cost 输入端： uBE UBB Ubm cost 输出端： uCE EC uc1 EC Ucm1 cos t
其中： uc1 UCm1 cos t
电流里的基波分量 Ic1，再利用输出功率 PO 可以得到临界负载阻抗 RLcr
解： PO EC IC0 24 0.3 7.2W
PC PD PO 7.2 6 1.2W
h PO 6 83.3%
PD 7.2
g1(C )
2h
2 0.833 0.95
(2) Ico ， I cm1 ，I cm2 ，…，Icmn 为直流及基波和各次谐波的振幅。
(2) 集电极输出电压
ic 经 LC 并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻
RP ic1 （最大值），而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因而回路
选出基波电压 uc1 ，而滤除各次谐波电压。
故回路输出的基波电压：
50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 90%~100%
《高频功率放大器》课件
了解高频功率放大器的基本概念和应用领域。
工作原理简介
探讨高频功率放大器的工作原理和基本组成部分。
高频功率放大器设计
1
设计流程
了解高频功率放大器设握进行高频功率放大器设计所需的基础知识和技能。
3
输出匹配
学习如何设计输出匹配网络以及相应的参数计算方法。
高频功率放大器实现
《高频功率放大器》PPT 课件
高频功率放大器是一种用于增强电信号功率的电子设备。本课件将介绍高频 功率放大器的工作原理、设计流程、实现方式以及应用领域。
什么是高频功率放大器？
高频功率放大器是一种电子器件，用于放大高频电信号的功率。它起到增强信号强度的作用，从而实现信号的 远距离传输。
高频功率放大器介绍
集成电路设计
了解高频功率放大器的集成电路设计方法和技术。
非集成电路设计
学习如何进行基于电路板的高频功率放大器设计和 元件选取。
高频功率放大器应用
1
无线电通信
探索高频功率放大器在无线电通信领域的关键作用和应用。
2
电视广播
了解高频功率放大器在电视广播信号传输中的应用。
3
军事雷达
了解高频功率放大器在军事雷达系统中的重要性和广泛应用。
高频功率放大器
《高频电子线路》在无线通信中的应用——高频功率放大器高频功率放大器是通信系统中发送设备的重要组成部分。
在无线通信的射频系统中，处理的都是小信号，因此需要对信号进行放大处理，为了获得大功率高频信号，必须采用高频功率放大器。
高频放大器按工作频率的带宽，可以分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。
窄带高频功率放大器以LC并联谐振回路作负载又称谐振功率放大器。
宽带高频功率放大器以传输线变压器为负载，又称非谐振功率放大器。
高频功率放大器放大高频正弦信号或高频已调波（窄带）信号，也可以用于发射机的末极，将高频已调信号进行功率放大，满足发送功率的要求，然后经天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号控制高频功率放大器将直流电源的能量转化为大功率高频能量输出，主要用于各种无线电发送设备中，要求输出功率大和效率高。
高频功率放大器采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗变换等问题。
高频功率放大器有源器件有晶体管和真空管，分为甲、乙、甲乙、丙、丁戊几类，高频功率放大器通常工作于丙类，下面主要介绍丙类谐振功率放大器。
对功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真。
谐振功率放大器的集电极负载是一个高品质因素的LC并联振荡回路，如果选取谐振角频率ω0等于输入信号的角频率ω，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压。
高频功率放大器的主要参数：PD=Vcc*IC0=直流电源供给的直流功率PO=1/2(Vcm*Ic1m)=交流输出信号功率PC=PD-PO=集电极耗散功率集电极效率ηC=PO/PD PD=PO+PC1.丙类谐振功率放大器工作原理丙类谐振功率放大器原理电路2.丙谐振功率放大器的电路组成主要器件：晶体管，直流电源，偏置电阻，电容，电感。
高频电子线路 第二章
第1 章功率电子线路1.2功率放大器的电路组成和工作特性1.2.1从一个例子讲起1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能1.2.1从一个例子讲起图1–2–1图解分析(a )图1-2-1示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。
由此揭示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。
分析法应用等效电路法小信号图解法大信号幂级数法频率变换时变参量法混频电子线路分析方法功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的图解分析法。
1．Q 点的选择为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输出功率最大，需把Q 选在负载线的中点，即，，L CC L CEQ CC CQ CC CEQ 22R V R V V I V V ≈-=≈V CE(sat)≈02．集电极输出电压和电流(假设V CE(sat) 和I CEO 为0)tV V v V v tI I i I i ωωsin sin cm CEQ ce CEQ CE cm CQ c CQ C -=+=+=+=其中，CQ L CEQ L cm cmCC CEQ cm ,2I R V R V I V V V =≈=≈≈3．P D (直流功率)、P L (负载功率)、P C (管耗)CQ CC C CC 20D d 21I V t i V P =π=⎰πωcm cm CQ CEQ L 2C 20L 21d 21I V I V t R i P +=π=⎰πωcm cm CQ CEQ C CE 20C 21d 21I V I V t i v P -=π=⎰πωP L 和P C 均由直流和交流两部分合成。
例如：P L 中：)(CC CEQ D CQ CEQ V V P I V 212≈=，直流功率交流功率4221D CQ CEQ cm cm o P I V I V P ===所以 %25o max ==P η4．讨论：(1)电路组成上=25%甲类功放ηCmaxP D中，输出的信号功率P o仅占1/4，P D/2消耗在R L上。
课件高频功率放大器ppt
放大器由输入级、输出级和中间级 组成，其中输入级和输出级是关键 部分，直接影响放大器的性能。
高频放大器的特殊问题
01
02
03
频率响应
高频信号的频率较高，因 此高频放大器的频率响应 需要足够宽，以适应不同 频率的信号放大。
相位失真
由于高频信号的频率较高， 相位失真成为高频放大器 的一个重要问题，需要采 取措施进行补偿。
噪声系数是指放大器输出端的信噪比与输 入端的信噪比之比，是衡量放大器噪声性 能的重要指标。
动态范围是指放大器在保证一定信噪比的 前提下，能够放大的信号的最大幅度范围 ，是衡量放大器适应能力的重要指标。
03 电路分析
晶体管放大电路
01
晶体管放大电路的基本原理
晶体管放大电路利用晶体管的放大效应，将微弱的电信号放大成较强的
利用人工智能和机器学习技术 对高频功率放大器进行智能控 制和优化，提高其自适应能力 和稳定性。
多模多频段技术
研究多模多频段的高频功率放 大器，以满足不同通信标准和
频段的需求。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
高频功率放大器用于放大雷达发射的信号，提高雷达对目标的
探测能力。
距离测量
02
通过测量发射信号与接收回波的时间差，高频功率放大器有助
于提高雷达的距离测量精度。
速度测量
03
利用多普勒效应原理，高频功率放大器有助于提高雷达的速度
测量精度。ຫໍສະໝຸດ 音频处理系统中的应用1 2
音频放大
高频功率放大器用于放大音频信号，提供足够的 功率以驱动扬声器或其他音频输出设备。
应用场景
通信领域
高频功率放大器广泛应用于通信领域，如移动通信、卫星通信、光纤 通信等，用于信号的传输和放大。
高频功率放大器实验报告
《通信电子线路》实验报告实验名称：高频功率放大器一、实验环境Multisim 14.0二、实验目的1、进一步了解Multisim仿真步骤，熟练操作获取波形2、仿真验证高频功率放大器原理，观察高频功率放大器工作在过压、临界、和欠压状态的波形三、实验原理和设计高频功率放大器工作在三极管截止区，导通角小于90度，属于丙类放大器。
故三极管输出波形为尖顶余弦脉冲序列（临界或欠压）或是凹顶余弦脉冲序列（过压），信号经过选频网络后，能够恢复指定频率的波形信号。
原理图如图2.1所示。
图2.1输出电流Ic和Vce 关系曲线，如图2.2图2.2四、实验步骤1，按照原理图连接电路。
2，计算电路谐振频率，画出幅频响应和相频响应。
3，选择合适的电源电压值，使三极管发射结反偏，集电结反偏。
4，调节基极偏置电压源、信号源幅度、并联回路电阻值和集电极电源，观察输出电压Vc 、输出电流ic波形，判断电路状态五、实验结果及分析1、并联谐振回路的幅频响应和相频响应，如图4.1所示图4.1并联谐振回路谐振频率为11.56MHz，与电路参数计算相吻合。
其0.707带宽为15.65MHz2、输入信号改为f= 11，56MHz，计算频谱如图4.2.1所示图4.2.1输出信号频谱如图4.2.2所示图4.2.23、观察时域波形。
调节参数Vbb= 0.7V反偏，Vi = 0.9Vrms，Vcc = 10V，波形如图4.3.1所示图4.3.1根据三极管特性，发射极反偏时，电流信号Ib需克服Vbb和Vbz才能导通，所以Ib和Ic应为尖顶余弦脉冲。
但是仿真出波形为完整余弦脉冲，不符合理论。
可能的原因有，三极管导通电压参数与理论值差异较大，发射结反偏程度低。
三极管模型不符合实际特性，无截止区。
调节Vbm，使Vi = 1.0V，其余参数不变，观察时域波形，如图4.3.2输出电压Vc产生失真，可能因放大倍数等参数不合适导致。
图4.3.2波形出现尖顶余弦脉冲，电路为欠压状态，导通角2θ=(202.6-188.6)ns * 11.56Mhz*360°= 58.26°，半导通角θ= 29.13°信号电压，ic的频谱如图4.3.3所示图4.3.3继续增大信号电压至1.2V，波形如图4.3.4图4.3.4观察输出波形Ic，类似出现了凹顶余弦脉冲，所以电路处于过压状态，半导通角θ= 28°输入输出信号频谱如图4.3.5.1和4.3.5.2所示图4.3.5.1图4.3.5.2六、小结本次实验验证高频功率放大器的欠压和过压状态，观察欠压状态的尖顶余弦脉冲序列和过压时的凹顶余弦脉冲序列。
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2.1.2 工作原理
iC
gm
iC
EB
UB′
0
0
－
Ubm
t
iCmax
uBE
－ 0 2
t
uB
图中U′B为管子起始导通电 压，gm为转移特性曲线斜 率
图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形
设输入电压为余弦电压，
ub=Ubmcosωt
则管子基极、发射极间电压uBE为
uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt
还应尽量提高输出功率。根据式(2.1―7)和式(2.1―8)，
可得
Po
PC 1 1
C
(2.1―13)
可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越
高，输出功率Po越大。
2.2 丙类谐振功率放大器的工作状态分析
2.2.1 解析分析法
解析分析法需要器件的数学模型。由于晶体管处于大 信号非线性工作区，特性曲线可用折线近似，例如晶体管 转移特性可用图2.4(a)表示，则晶体管特性放大区的表示式 可写为
Ic2
Ic3
Ic4
……
ω
ωo=ω 2 ω 3 ω 4 ω
2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系 在集电极回路中，LC振荡回路得到的高频功率为
P o1 2Ic1mUcm1 2Ic21mRe1 2U R c2 em
集电极电源EC供给的直流输入功率为
PE EC IC0
(2.1―5) (2.1―6)
直流输入功率PE与集电极输出高频功率Po之差为 集电极耗散功率PC，即
ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。
ub
uc
U bm
0
2
t
u BE
0
2
U cm
t
U B′
EB
0
2
t
uCE
2
U bm
iC , i x
2
t
2
ic 1
0
t
图2.3 电流、电压波形
由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并
联谐振回路的选频滤波作用，集电极电压uCE仍为余弦 波形，并且与uBE反相。
Ic1m/IC0与Ucm/EC的乘积，前者称为波形系数g1(θ)，即
g1( )
I c1m IC0
(2.1―9)
后者称为集电极电压利用系数ξ，即
U cm EC
因此式(2.1―8)又可写为
C
1 2
g1( )
(2.1―10) (2.1―11)
丙类放大器的高效率还可从集电极损耗功率来看。由
C
Po PE
PC PE Po
它是耗散在晶体管集电结上的损耗功率。
(2.1―7)
集电极效率ηC为放大器输出的高频功率Po与直流输入功 率PE之比，即
C
Po PE
1 2
Ic1m Ucm IC0 EC
(2.1―8)
它是表示集电极回路能量转换的重要参数。谐振
功率放大器的设计就是要获取尽量大的Po和尽量高的 ηC。
由 式 (2.1―8) 可 见 ， 集 电 极 效 率 ηC 决 定 于 比 值
(2.1―1)
在丙类工作时，EB<U′B，在这种偏置条件下，集 电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通 的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作
时，θ<π/2 。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分
解为直流、基波和各次谐波，因此，集电极电流iC可 写为
iC=IC0+ic1+ic2+…
图2.1 谐振功率放大器原理电路
EB是基极偏置电压，调整EB，可改变放大器的工 作状态(甲类、乙类、甲乙类和丙类等)。EC是集电极 电源电压。LC并联谐振回路作为集电极的负载。
该电路由集电极回路和基极回路两部分组成。集 电极回路由晶体管集电极、发射极、集电极直流电源 和集电极负载组成。基极回路由晶体管基极、发射极、 偏置电源和外加激励组成。偏置电压EB和外加激励信 号控制集电极电流的大小和通断，通过晶体管的能量 控制作用和谐振回路的选频作用完成直流能量转变为 所需的高频交流能量。
另外，集电极脉冲电流iC中有很多谐波分量，如果 将LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即ω0=nω， 则 在 回 路 两 端 将 得 到 频 率 为 nω 的 电 压 uc=IcnmRencosωt 的输出信号，它的频率是激励信号频率的n倍，所以此
时谐振功率放大器具有倍频器功能。
Icn Ic1 Ic0
iC g m (u B E U B ')
截止区的表示式可写为
(u B E U B ') (2.2―1)
iC0, uBEUB
iC gm
uCE
0
UB′
uBE
(a)
iC Scr
uBE
uBE＝UB′
=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…
(2.1―2)
式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐 波电流幅度…..。
谐振功率放大器的集电极负载是一高Q值的LC并
联谐振回路，如果选取回路谐振角频率ωo等于输入信 号ub的角频率ω，则发生并联谐振。那么，尽管在集电 极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联
为高频大功率管，通常采用平面工艺制造的NPN高频大 功率管，能承受高电压和大电流，有较高的特征频率fT。 晶体管的主要功用是在基极输入信号的控制下，将集电 极电源EC提供的直流能量转换为高频信号能量——即集 电极回路的能量转换。
iC
＋
iB uCE
－
V ＋
－C
Re uc L
RL
ub
＋
－
＋－ EB
－＋ EC
1
1 PC
Po
可知，当Po一定时，减小PC可提高ηC。PC可表示为
PC 21
iC ucedt
(2.1―12)
因此，减小iC·uce及通角θ可减小PC，由图2.3可 看出，iC的最大值与uce的最小值对应，通角θ越小， iC越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。
在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，
第2章 高频功率放大器
2.1 谐振功率放大器基本工作原理 2.2 丙类谐振功率放大器的工作状态分析 2.3 谐振功率放大器的高频特性 2.4 谐振功率放大器电路 2.5 高效率高频功率放大器及功率合成技术
2.1 谐振功率放大器基本工作原理
2.1.1 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是晶体管谐振功率放大器的原理电路。其中，V
谐振回路的选频滤波作用，谐振回路两端的电压可近
似认为只有基波电压，即
uc=Ucmcosωt=Ic1mRecosωt
(2.1―3)
其余的谐波分量因失谐而被滤除
式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC回路的谐振电阻。
晶体管集电极、发射极间电压uCE等于
uCE=EC-uc=EC-Ｕcmcosωt
(2.1―4)