高频功率放大器课程设计

目录一、课程设计目的 (2)二、课程设计题目描述和要求 (2)三、课程设计报告内容 (2)四、结论 (13)五、结束语 (13)六、参考书目： (14)一、课程设计目的由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射机的功率要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。

本次课程设计使通过已学的电路基础知识，模拟高频振动功率放大器，使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输，这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。

即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗匹配。

我们知道能量是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换为高频功率，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求有尽可能高的转换率。

主要是根据已知数据设计一个丙类高频功率放大器。

二、课程设计题目描述和要求设计一高频功率放大电路；1.要求三极管工作在丙类状态；2. 主要技术指标：输入已调波的峰值为100mV；载波频率为6.5MHz，输出功率≧1w，负载50Ω，效率≧80%；3.用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试。

三、课程设计报告内容3.1 设计方案的论证高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。

发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。

高频功率放大器输出功率范围，可以小到便捷式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。

目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦已下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。

如图所示是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路，除电源和偏置电路外，它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。

高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。

由先修课程可知，低频功率放大器可以工作在甲类状态，也可以工作在乙类状态，或甲乙类装态，乙类状态要比甲类状态效率高（甲类效率最大可达到50％；乙类效率最大可达78.5％），为了提高效率，高频功率放大器多工作于丙类状态。

为工作保证在丙类状态下工作，基极偏置电压Eb应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。

此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V 以上，可达1～2V,甚至更大。

也就是说，晶体管工作在截止和导通（线性放大）两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。

与低频功放不同的是，高频功放选用谐振回路作为负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量（基波分量）外，还有谐波分量和其他有用频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放高效输出大功率。

图2 集电极电流波形我们知道能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此，除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。

要想提高效率有两种途径，一是提高电压利用系数ξ，即提高Uc，这通常靠提高回路的谐振阻抗Rl来实现，另一个是提高波形系数γ，γ与有关，即θ越小，γ越大，效率η越高。

可以根据集电极电流导通角θ的大小划分功放的工作类型。

当θ=180°时，放大器工作在甲类；当90°<θ<180°时，为甲乙类；当θ=90°，为乙类；当θ<90°时，则为丙类。

对于高频功放，θ<90°，为了兼顾输出功率P1和效率η，通常选θ在65°~75°范围。

图3γ、α0(θ)、α1(θ)、α2(θ)、α3(θ)与θ的关系根据实验要求可知，本次设计需要两级放大，但由于丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能采用谐振回路作为负载的谐振功率放大。

由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压波形仍然极近于正弦波形，失真很小。

因此，第一级放大为甲类放大，放大激励信号，为第二级丙类功率放大器提供大信号激励源；第二级为丙类放大，放大输出功率。

其中甲类功放采用晶体管3DG130A(NPN型硅管、最高反向电压为45V、损耗功率PCM为700mw、电流放大倍数>40)丙类功放采用晶体管3DA89(NPN型硅管、最高反向电压为40V、损耗功率PCM为750mw、电流放大倍数>=10)。

级间采用变压器进行耦合，采用12V直流电源作为电源。

图4 高频功率放大电路总体设计框图3.2 丙类谐振功率放大器的效率与功率功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制，起到把 2.3.1 丙类谐振功率放大器的效率与功率。

集电极电源直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。

在同样的直流功率作用条件下，转换的功率越高，输出的交流功率越大。

集电极电源0V 提供的直流功率：式中C0I 为余弦脉冲的直流分解系数C0cm c I I ()αθ=式中，CM I 为余弦脉冲的最大值：0C αθ（）为余弦脉冲的直流分解系数。

式中，BB U '为晶体管的导通电压；BB V 为晶体管的基极偏置；bm V 为功率放大器的激励电压振幅。

集电极输出基波功率：式中C U 为回路两端的基频电压，C1I 为余弦电流脉冲基频电流，L R 为回路的谐振阻抗。

集电极效率：式中，ε为集电极电压利用系数；1()c θα为余弦脉冲的基波分解系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。

在实际运用中，0C0CC P =I U BB BBbmU U 'cosU c arc θ+=22C 1C C1C1LL U 11P =U I ==I R 22R 2C C11001U IP 12P U 2CC c ηεγ===ＩC C1LCC CCU I R U U ε==为兼顾高的输出效率和高效率，通常o o C =6080θ～。

3.3 丙类放大器的负载特性欠压状态：在欠压区至临界点 的范围内，放大器的输出电压C U 随负载电阻L R 的增大而增大，而电流cmax Ｉ、C1I 、C0I 基本不变，输出电流的振幅基本上不随CC U 变化而变化，故输出功率基本不变。

临界状态：负载线和b U 正好相交于临界线的拐点。

放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。

其对应的最佳负载电阻值，用P R 表示，即：当P R 变小时，放大器处于欠压工作状态，如C 点所示。

集电极输出电流较大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。

P R 变大时，放大器处于过压工作状态，如B 点所示。

集电极电压虽然较大，但集电极电流凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。

为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。

设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是： CC cm ces V -U =U 。

式中，cm U 为集电极输出电压幅度；CC V 为电源电压；ces U 为晶体管饱和压降。

过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载L R 的加大，1c I 要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

输出电流的振幅将随CC V 的减小而下降，故输出功率也随之下降。

其负载特性如图2 谐振功率放大器的负载特性。

2CC ces P 0(V U )R 2P -=欠压过压 L3.4 丙类高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅b U 时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。

由图3 高频功放的振幅特性可以看出，在欠压区，C0I 、C1I 、C U 随b U 的增加而增加，但并不一定是线性关系。

在过压区，c U 基本不随b U 变化，可以认为是恒压区，放大等幅信号时，应选择在此状态。

2.3.4 欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载L R ；改变供电电压CC U ；改变偏压BB U ；改变激励b U 。

方法1:改变L R ，但b U 、CC U 、BB U 不变：当负载电阻L R 由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。

在临界状态时输出功率最大。

方法2:改变CC U ，但L R 、b U 、BB U 不变：当集电极供电电压CC U 由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。

方法3: b U 变化，但CC U 、BB U 、L R 不变或BB U 变化，但CC U 、b U 、L R 不变：这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。

因为无论是b U 还是BB U 的变化，其结果都是引起be U 的变化。

当BB U 或b U 由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。

图6 高频功放的振幅特性3.5 原理图分析及参数计算1.确定放大器的工作状态在CC V =+12V 的条件下，晶体管2N2219A 的参数：CCV Pcm=700mW,I CM =300mAUCES≤0.6V,β≥30，f T ≥150MHz ，放大器功率增益AP ≥6dB.。

为了获得较高的效率及最大输出功率，选丙类功率器的工作状态为临界状态，取θ=700，得出谐振回路的最佳负载电阻R P 为：Ω65202)ces -cc (==P U V R P 得集电极基波电流振幅 mA 4.17520clm==R P I P得集电极电流脉冲的最大值I cm 及其直流分量Ico为：I cm =I clm /α1（700）=402.3mAI co=I cm *α0（700）=101.8mA得电源供给的直流功率P 为：P=Vcc*I co =1221.4mW得放大器转换效率为%9.81η0==P P2.计算谐振回路若取谐振回路电容：固定电容C=50PF 得回路电感3.偏置电路电压tb b beCOSW U E U+=VE9.0b-=3.6 软件设计Multisim 是一个专门用于电子电路仿真和设计的EDA 软件，它具有直观、方便的操作界面，创建电路、选用元器件和虚拟测试仪器等均可直接从屏幕图形中选取，操作简便。

它具有完备的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、器件的线性和非线性分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。

在进行仿真的过程中，可以存储测试点的数据、测试仪器的工作状态、显示的波形。

它先进的高频仿真设计和功能，是目前众多仿真电路所不具备的。