高频功放电路设计
高频电子线路(第五章 高频功率放大器)
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效率高。
7
（3）高频功率放大器的种类
谐振功率放大器（学习重点）
特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可
以很大，一般用于末级； 不易于自动调谐。
宽带功率放大器（了解即可）
特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 c=180° c=90° 90° ＜c＜180° c＜90° 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
90%~100%
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振 荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起 动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。
34
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为iC脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
基于Proteus仿真的高频功率放大器设计及应用
高频功率放大器设计及应用摘要:高频功率放大器是发射机的重要组成部分,因而也是通信系统必不可少的环节。
本文介绍了高频功率放大器应用和基本原理,并利用电子设计工具软件 Proteus对丙类功率放大器电路从方案选择、单元电路设计、元器件参数选取等方面进行具体设计分析 ,同时对电路进行仿真测试 ,通过仿真结果分析电路特性 ,使电路得到进一步完善。
关键词：高频功率放大器应用、功率放大器原理、高频功率放大器仿真设计1. 引言高频功率放大器是无线电发射机末端的重要部件 ,是评价通信系统性能的重要参数。
近年来 ,针对功率放大器设计的各种研究不断涌现 ,对功率放大器的性能进行优化的算法不断出现。
利用Proteus软件工具进行高频功率放大电路的设计 ,通过仿真结果对电路的特性进行分析 , 并逐步完善电路。
2. 高频功率放大器应用功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。
在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。
而用于家庭的hi－fi音乐欣赏，av系统放音，以及卡拉ok娱乐的功放，通常我们称为家用功放。
随着行动电话、WLAN(Wireless Local Area Network)、蓝芽(Bluetooth)的普及化，高频电子设备已经成为生活中的必需品，而电子设备使用的频率也从过去的1GHz逐渐朝5GHz甚至更高频方向发展。
由于FET等主动电子组件与电容、电感等被动电子组件性能的提升，使得高频电路的特性获得大幅的改善。
第三章 高频功率放大电路
其中α0(θ), α1(θ), α2(θ), …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
波形系数 g 1( ) a1 ( ) a0 ( ) 若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/VCC, 可以得到集电极效率 和输出功率的另一种表达式:
串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地的 分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片 不能直接接地, 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点 正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们对地的分布 电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、 C元件可接地, 故安装调整方便。
根据被放大信号的相对频带的宽窄：
2 1、窄带高频功放： f 0.7 / 为选频网络；
f 0 0.1 ；丙类，LC谐振回路
2 2、宽带高频功放： f 0.7 / 器为匹配网络。
f 0 0.3 ；甲类，传输线变压
第二节 线性高频功率放大器
A类和推挽电路形式的B类高频功放工作在线性放大状 态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或 相位。 A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真； B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。
ic Ic 0 Ic1m cos w0t Ic 2 m cos 2w0t ... 1 2 I cm I cm cos w0t I cm cos 2w0t ... 2 3
在Ucm=VCC时效率最高：
1
1 I 1 2 cm 78.5% 2 1I 4 cm
VCC uCE u BE VBB U bm U Cm iC=-gd(uCE-U0) U bm VccU bm VBBU cm U onU cm gd g ,U 0 U cm U bm
高频功放电路的原理与应用
高频功放电路的原理与应用1. 简介•高频功放电路（High Frequency Power Amplifier Circuit）是一种用于放大高频信号的电路，广泛应用于无线通信、雷达系统、卫星通信等领域。
•高频功放电路的设计和应用需要考虑频率响应、功率输出、线性度等因素，同时要满足高效率、高可靠性的要求。
2. 高频功放电路的基本原理•高频功放电路的基本原理是通过对输入信号进行放大，以增加输出功率。
以下是高频功放电路的基本原理：–输入信号：高频功放电路的输入端接收到待放大的高频信号，通常是从射频信号源或前级信号处理电路获得。
–输入匹配网络：为了使输入信号能够有效地传输到功放电路中，通常需要设计与输入信号源匹配的输入匹配网络，以提高功放电路的输入阻抗匹配效果。
–放大器级数：高频功放电路通常由多个级数的放大器组成，每个级数的放大器可以提供特定的增益。
不同级数的放大器通过耦合网络连接在一起，构成整个功放电路。
–输出匹配网络：为了将放大后的信号有效地输出到负载端（如天线），通常需要设计与负载阻抗匹配的输出匹配网络，以提高功放电路的输出阻抗匹配效果。
–功率供应：高频功放电路通常使用特定的功率供应电路，以提供所需的电源电压和电流，保证功放电路正常工作。
3. 高频功放电路的应用3.1 无线通信系统•高频功放电路广泛应用于无线通信系统中的发射端，用于将调制后的射频信号放大到足够的功率级别，以便能够被无线电频段接收器或天线发送出去。
无线通信系统中的高频功放电路需要满足以下要求：–高效率：无线通信系统通常需要在有限的电源条件下实现较高的发送功率，高频功放电路要具备较高的能量转换效率，减少能量损耗。
–线性度：无线通信系统中的高频功放电路要具备良好的线性度，以确保传输的信号质量，尽可能降低非线性失真。
–宽带特性：无线通信系统中的高频功放电路需要具备较宽的频率范围特性，适应不同频率的调制信号放大需求。
3.2 雷达系统•雷达系统中的高频功放电路用于发射雷达信号，并将发射信号放大到足够的功率级别，以便能够探测和跟踪目标。
高频电路Multisim仿真实验二 高频功率放大仿真
实验二 高频功率放大器一、高频功率放大器原理仿真，电路如图所示：(Q1选用元件Transistors 中的 BJT_NPN_VIRTUAL)图2.1 高频功率放大器原理图1、集电极电流ic（1）设输入信号的振幅为0.7V ，利用瞬态分析对高频功率放大器进行分析设置。
要设置起始时间与终止时间，和输出变量。
（2）将输入信号的振幅修改为1V ，用同样的设置，观察i c 的波形。
（提示：单击simulate 菜单中中analyses 选项下的transient analysis...命令，在弹出的对话框中设置。
在设置起始时间与终止时间不能过大，影响仿真速度。
例如设起始时间为0.03s ，终止时间设置为0.030005s 。
在output variables 页中设置输出节点变量时选择vv3#branch 即可）（3）根据原理图中的元件参数，计算负载中的选频网络的谐振频率ω0，以及该网络的品质因数Q L 。
根据各个电压值，计算此时的导通角θc 。
（提示根据余弦值查表得出）。
srad LCw /299.61012610200116120=⨯⨯⨯==-- =Cθ87.80378.0299.61263000=⨯==Lw R Q L2、线性输出（1）要求将输入信号V1的振幅调至1.414V。
注意：此时要改基极的反向偏置电压V2=1V，使功率管工作在临界状态。
同时为了提高选频能力，修改R1=30KΩ。
（2）正确连接示波器后，单击“仿真”按钮，观察输入与输出的波形；输入端波形：输出端波形:（3）读出输出电压的值并根据电路所给的参数值，计算输出功率P0，PD，ηC；输出电压：12V ；∑==RI V I P m c cm m c 21102121 0C cc D I V P = Dc P P 0=η二、 外部特性1、调谐特性，将负载选频网络中的电容C1修改为可变电容（400pF ），在电路中的输出端加一直流电流表。
当回路谐振时，记下电流表的读数，修改可变电容百分比，使回路处于失谐状态，通过示波器观察输出波形，并记下此时电流表的读数；谐振时，C=200pF ，此时电流为：-256.371输出波形为：将电容调为90%时，此时的电流为-256.389mA 。
高频功率放大电路
ube Eb Ubm cost uce Ec Ucm cost
由以上两式可得：
ube
Eb
Ubm
EC uce U cm
(4-13)
第4章 高频功率放大电路 19
将（4-13）代入（4-12）有：
ic
gc ( Eb
Ubm
EC uce U cm
Vth )
第4章 高频功率放大电路 25
➢ 过压状态下的ic的波形如下图所示，从图中看出： 1、特性曲线与临界曲线重合 2、电流凹陷：Rp负载过大，Ucm过大，uce减小，ic随之迅速减小。
第4章 高频功率放大电路 26
四、高频功放的外部特性 外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。
负载电阻Rp
激励电压Ubm
1．高频功放的负载特性
偏置电压Eb Ec
负载特性: 只改变负载电阻Rp, 高频功放电流、 电压、 功率及 效率η变化的特性。
第4章 高频功率放大电路 27
下图是反映不同负载时的动态特性曲线。
ic max
Rp
ic max
Ec Eb
Rp 斜率gd 谐振放大器的工作状态由欠压 临界 过 压逐步过渡。
P0
1 2
I c1mU cm
1 2
I R 2 c1m p
1 2
U
2 cm
Rp
(4-8)
➢ 集电极损耗功率PPcc为：Pd P0
(4-9)
第4章 高频功率放大电路 13
➢ 集电极效率η为：
其中：
P0 1 Ic1m Ucm
Pd 2 Ic0 Ec
1 2 g1
(4-10)
g1
Ic1m Ic0
高频功率放大器设计
高频功率放大器设计高频功率放大器是一种用于增加高频信号功率输出的电子设备，主要应用于通信、雷达、无线电、电视和音频等领域。
设计高频功率放大器需要考虑功率放大、频率响应、线性度等因素，下面我将详细介绍高频功率放大器的设计步骤。
首先，设计高频功率放大器需要确定所需的功率输出范围。
根据应用要求，可以计算出所需的输出功率，并根据这个值来选择合适的功率放大器类型，如B级、C级或D级等。
其次，选择合适的放大器架构。
目前常用的高频功率放大器架构有共射极、共基极和共集极，根据具体的应用需求选择适合的架构。
然后，根据设定的频率范围来选择合适的放大器工作频带。
高频功率放大器的频率响应是一个非常重要的指标，需要保证在所需的频率范围内具有良好的线性度和稳定性。
接下来，设计放大器的输入和输出匹配网络。
输入和输出匹配网络需要根据放大器的输入和输出特性来设计，以实现最大功率传输和防止信号的反射。
然后，根据应用需求选择合适的功率管或晶体管。
功率管或晶体管的选择需要考虑其工作频率、输出功率和效率等因素，同时要注意功率管或晶体管的稳定性和可靠性。
在设计过程中需要进行仿真和测试。
使用电磁仿真软件可以模拟和分析放大器的性能，如增益、幅度、相位等。
同时，还需要进行实际的电路板制作和搭建实验平台，进行实际的测试和调试工作。
最后，对设计的高频功率放大器进行优化和改进。
根据实际测试结果，可以进一步调整电路参数和组件选择，以提高功率放大器的性能和稳定性。
总结起来，高频功率放大器设计需要考虑功率输出范围、放大器架构、频率响应、输入输出匹配网络、功率管选型等因素。
通过仿真和测试来验证设计的性能，并进行优化改进。
高频功率放大器的设计是一个复杂而重要的工作，需要结合理论知识和实践经验，才能得到满足应用需求的高性能放大器。
高频功率放大电路结构和工作原理
高频功率放大电路结构和工作原理
1.1 高频功率放大电路的分类
为了实现信息的无线传输，任何无线发射电路都需要一定的 发射功率，这一用于使待发射高频信号具有一定功率的电路， 就称为高频功率放大电路。
1、按输出功率分类 （1）小功率射频功放 《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》附件所列的 各项微功率无线电设备，其无线发射功率一般都在1W以下， 这些设备所包含的射频放大电路即属于小功率射频功放。 （2）大功率射频功放 移动电话基站的发射功率约几十瓦，一个城市的电视信号发 射功率达到几kW，省级广播电台的发射功率在几kW至几十 kW之间。此外，微波通信中继站、雷达站等都属于大功率射 频功放的范围。
设一功放电路的功率电平等于Px（单位dBm），则其绝对功
率P等于
P 100.1PX mW
例如，电路功率电平Px=20dBm，代入上式，可求得其绝对 功率为100mW。
1.2 高频功率放大电路的主要技术指标
4、效率η
功率放大电路的效率定义为输出信号功率与电源供 给功率之比。
Po 100%
Pu
1.1 高频功率放大电路的分类
3、按功率放大管导通角分类 （1）甲类功放电路
在信号的正负半周，功放管始终处于导通状态，这样所组 成的功放电路也就称为甲类功放电路。处于甲类工作状态的 功放管，为了避免负半周时管子进入截止区而造成失真。处 于甲类工作状态的功放管，静态时就有较大的电流通过。 （2）乙类功放电路
U BE U on uBE U BQ U imCost
集电极电压uc和集电极 电流ic的关系是
uC (t) UCQ iC (t)Rc
由此即可画出集电极电 压uc曲线如图所示。
uC(t)为脉动性的电压，显 然不符合功率放大的要求。
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vo
t
它体现了vC的振幅对VCC 这个电压范围利用的程 度 称为集电极电压利用系 数,
§6.3 功率放大器的折线分析法
§6.3.1 晶体管特性曲线理想化及表达式
折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折 线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电 流的直流分量Ic0和基频分量Icm1。
§6.2.1 获得高效率所需要的条件 （1）为什么谐振功率放大器要处于丙类？
记直流电源输出功率为 P
功放输出交流信号的功 率为P O 晶体管集电极消耗的功 率为P C 根据能量守恒定律，有 P P O P C
PO PO 效率C P PO PC
不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率
第六章
高频功率放大器
电路性质：非线性 放大器种类：丙类 基础知识：折线分析法
本章的知识结构
§6.1 概述 一定要彻底吃透 §6.2 工作原理（重点） §6.3 功率放大器的折线分析法（重点） §6.5 高频功放的电路组成（实验需要） §6.6 丁类（D类）功放简介（了解即可） §6.10 晶体管倍频器（了解即可）
cm
cost
将LC回路谐振时的等效电阻 Rp画出 2 1 Vcm PO 可以看出输出功率 P O为Rp上消耗的功率 2 Rp 另外, 考虑I c0将全部被L短路，I cm2、I cm3等分量被C短路
Rp上的电流为 I cm1 cost 1 1 2 PO 又可写成 PO Vcm I cm1 I cm1 R p 2 2
Pc与ic和Vc的关系
ic
+
Vc -
Pc的瞬时功率为ic和Vc的乘积
甲类、乙类、丙类放大器的演示
为什么在丙类时Pc最小
可见丙类放大器的Pc最小，效率最高
（2）谐振功放的基本电路
ic iB + vb –
ve b B
为什么必须以LC回路作为负载？
+
v ec C
L C – vo + 输出
首先，为了提高功 放效率，在基极回 路加入了反向偏置 电压VBB，从而使 放大器处于丙类。
ic gc ic 临界线 过压区 gcr 欠压区 eb
理想化折线 （虚线） 0 eb 0 (a) (b) ec
VBZ
一定要注意 gc与gcr不是一回事 !
§6.3.2 集电极余弦脉冲电流ic分解
在第五章的折线分析法中我们已经得到
iC
iC gc (VBB Vbm cost VBZ ) 从括号中提出 Vbm VBB VBZ iC g cVbm (cost ) Vbm
本节的理论完全可用于对电子管高频功放的分析 和计算； 对于工作在中高频的晶体管功放，本节的理论基 本可以使用，但会有一定的误差； 但对于工作在甚高频的晶体管功放，本节的理论 将会有很大的误差，这是由于晶体管的物理结构 导致的高频特性不理想造成的，但本节的理论仍 然对功放的设计有定性的指导作用。
从第五章可知它为cosθ
c
iC max
0
t
iC gcVbm (cost cosC ) (cost cosC ) (cost cosC ) g cVbm (1 cos C ) iC max (1 cosC ) (1 cosC )
从第五章可知它为iCmax
Vc min
Vcm
vC
vc ic
vcC e
VBZ
有阴影的波形为 iC
Vb max t
VCC
o c
2
vB
–VBZ 2
3
2
5 2
Vbm vb
vBE
例如可以看出，iC最大值 (b) iCmax的时候vC最小值vCmin
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能
等 效
由于LC的选频作用
IC0
I cm1 cost I cm2 cos2t
vo V
om
cost
分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vC
iC
vBE VBB
vC
vb
vo V
om
cost
vC的振幅Vcm Vom (vo振幅)
VCC
vC
VCC
vC VCC vo VCC Vom cost
c 70
O
§6.2.2 功率关系
第一步: 分析电源输出功率 P
余弦电流脉冲ic可分解为付立叶级数：
ic I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt
根据付立叶级数原理 I c 0 1 T
T /2
T / 2
ic d (t )
（3）电路图中各变量关系及波形分析
分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲 iC iC
vb
vBE
VBB
VBB
t0
输入信号振幅记为 Vbm
VBZ
vBE
0
t
vBE
t
分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加
iC
vb
vBE
为了分析更清晰，先假设没有抽头
iC
0
VBB
VCC
将LC比喻成单摆
如果把单摆摆到左边比喻成能量储存到电 感，则单摆摆到右边可比喻成能量储存到 电容，要是单摆持续摆动，不需要手一直 推，而在适当的时候推很短的一下（可比 喻成ic ）即可。
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为ic脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
–
– iE – VCC +
– + VBB
因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲 （原因参见第五章折线法，或看前两页的Flash）
余弦脉冲可以ωt
显然iC也是周期信号 若对 i c 分解为付里叶级数为：
ic I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
半流通角θc通常取多大比较合适?
问题一：为什么ic的波形时有时无, 而输出的波形vo却能是连续的?
如果能从频谱的角度来理解最好，即ic是有 很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将 其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余 弦分量Icm1cosωt 另外一种理解方法是：LC具有储能作用， 当ic为0时，由于C上电压不能突变，所以在 LC之间来回充放电，可以用自行车飞轮或 一个单摆来比喻。
iCmax (
cost cos c )d (t ) 1 cos c
I c0
iCmax sin c c cos c 1 cos c
iCmax 0 c
仅与C 有关记为0 (C )
§6.3.2 集电极余弦脉冲电流iC分解
同理可得
I C 0 iC max 0 C
本章（主要指前3节）知识的特点
知识特点
变量较多、题型非常灵活多变 三极管不再单纯处于工作区 必须熟练掌握折线法
学习方法
一定要把教材208页的波形图彻底理解 先画图再做题，理清变量关系。 熟练掌握 iC max与cosc的关系和表达式
§6.1 概述
（1）高频功率放大器的种类 （2）高频功率放大器的应用场合 （3）高频功放与低频功放的区别 （4）分析高频功放时应注意的事项 （5）高频功放的主要技术指标
直流分量I c 0 I cm1 (应该输出的波形 )
ωt ωt
I cm2
ωt
iC可以看成是这些波形的 叠加后的结果
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
回路失谐可能造成什么后果?
从输出信号和三极管两个角度来分析
对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器
的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而 使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失 真； 对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章 知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路 电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管 可能由于功率过大而烧毁。
话 筒 音频 放大器 调制器 变频器 激励放大 输出功 率放大
载波 振荡器
无线发射机
天线开关
无线接收机
扬 声 器 音频 放大器 解调器 中频放大 与滤波 混频器 高频放大
本地 振荡器
从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分
（3）高频（谐振）功放与低频功放的区别
低频功放 工作频率 应用场合 负载 放大器类型 音频 接收机末端 纯电阻 甲类或乙类 高频功放 射频 发射机末端 LC谐振回路 丙类
第三步: 分析效率 C
仅与C有关(后面将给大家证明 )，可记为g1 (C )
1 V I PO 2 cm cm1 1 Vcm I cm1 1 I cm1 C P VCC I c 0 2 VCC I c 0 2 I c0
记为
VCC
vC
VCC
Vcm
1 g1 ( C ) 2
对于特定的 C可以通过查教材 P265 的附录表查出 0 (C )、1 (C )、g1 (C )
θc对高频谐振功放效率的影响
n 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0 1 0
T /2 T / 2 CC