高频功率放大器的设计及仿真

东北大学秦皇岛分校电子信息系

综合课程设计

高频功率放大器的设计及仿真

专业名称电子信息工程

班级学号5081112

学生姓名姜昊昃

指导教师邱新芸

设计时间

课程设计任务书

专业：电子信息工程学号：5081112学生姓名（签名）：

设计题目：高频功率放大器的设计及仿真

一、设计实验条件

Multisim软件

二、设计任务及要求

1.设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po≥125mW，工作中

心频率fo=6MHz，η>65%；

2.已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用2N2219，其主要参数：

Pcm=1W,Icm=750mA,V

CES =, f

T

=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。

三、设计报告的内容

1.设计题目与设计任务（设计任务书）

2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)

3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）

4.结束语（设计的收获、体会等）

5.参考资料

四、设计时间与安排

1、设计时间： 2周

2、设计时间安排：

熟悉实验设备、收集资料：2 天

设计图纸、实验、计算、程序编写调试：4 天

编写课程设计报告：3 天

答辩：1 天

1.设计题目与设计任务（设计任务书）

设计题目

高频功率放大器的设计及仿真

设计任务

要求设计一个技术指标为输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz

η>65%的高频功率放大器。

2. 前言（绪论）

我们通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以按照电流的导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态。甲类放大器电流的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的导通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。

丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐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，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。

综上，确定此高频电路由两个模块组成：第一模块是两级甲类放大器；第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，它作为功放输出级，最好能工作在临界状态。此时，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。

3. 系统原理

高频功率放大器知识简介

在通信电路中，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。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。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，

因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。

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，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

电路工作原理

利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。

在高频电路中，利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角θ

（0—π）的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流

c

导通角θc 越小放大器的效率越高。如丙类功放的θc 小于90°， 丙类功放通常作

为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。

谐振功率放大器的特点：

（1） 放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

（2） 输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

（3） 基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

（4） 输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC 是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图3-1所示。

图3-1 功率放大器各分压与电流关系

由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲 。由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解，如公式（）。

012()2C c c m c m cnm i t I I I Cos t I Cosn t ωω=++???++?????? (1.1)

012c c m c m cnm I I I I ??? 分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅

图3-2 I C (t)各次谐波的波形示意图

在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几项。利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出各直流分量及各次谐波分量。 下面仅列出前面几项的表达式，如公式（），（），（），（）。

()10max max 01Sin Cos c c c Cos I i i θθθθπθα??- ?-??

== (1.2) ()11max max 11Sin Cos c m c c Cos I i i θθθθπθα??- ?-??== (1.3)

()()max 2max 22231c c m c i Sin Cos Sin Cos I i Cos θθθθθαπθ?-==- (1.4)

()()max 2max 333121c c m c i Sin Cos Sin Cos I i Cos θθθθθαπθ?-=

=- (1.5)

只要知道电流脉冲的最大值和导通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分量。各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。

功率放大器的负载特性

如果VCC 、VBB 、VB 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp 决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp 而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图3-3所示。

图3-3 电压、电流随负载变化波形

放大器的输入电压是一定的，其最大值为V bemax ，在负载电阻RP 由小至大变化

时，负载线的斜率由小变大，如图中1→2→3。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的I c 波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。

临界状态时负载线和V bemax 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状

态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。

欠压状态时B 点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据V c =R p I c1，放

大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP 的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp 的加大，I c1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。

根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图3-4所示。

图3-4 谐振功率放大器的负载特性曲线

4. 高频放大器相关参数简单计算

甲类谐振放大器参数计算

依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。

（1）设置静态工作点

由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流I

CQ

一般—2mA之间选取为宜。

设计电路中取： I

c = ； R

e

=1KΩ

可得重要参数： V

BQ =V

EQ

+V

BEQ

=+=

V

CEQ =V

CC

-V

EQ

==

R

b2=V

BQ

/10I

BQ

== KΩ

（2）谐振回路参数计算

回路总电容： C

Z =1/[(2πf

)2L]=

回路电容： C=C

Z -(p

1

2*C

oe

)=(12*7pf)=

（3）确定其它电容参数

耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf—之间选择，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为—1uf

丙类功放参数计算

确定功放的工作状态丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态。

丙类功放θ

c =60°—90°，这里为方便计算，设θ

c

=70°。可得集电极电流

余弦脉冲直流I

CO 系数α

(70°) =，集电极电流余弦脉冲基波I

CM1

系数

α

1

(70°)= 。设功放的输出功率为。

（1）集电极参数计算

集电极电流脉冲的直流分量：I

CO =I

Cmax

*α0(θc)=216*=54mA

电源提供的直流功率： P

D =V

CC

I

CO

=12V*54mA=

集电极的耗散功率：P

C =P

D

-P

O

=集电极的效率：

η=P

O /P

D

==77%

（2）基极参数计算

基极基波电流的振幅 I

B1m =I

Bm*

α

1

(70°)=

基极输入的电压振幅 V

Bm =2P

i

/I

B1m

=

（3）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—100uH，滤波电感一般取。

5. 高频功率放大器电路设计

甲类谐振放大器

根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图5-1所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L1、L2、C3、C4、R5构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带。

图 5-1 一级甲类放大电路设计

为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图5-2所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。

图5-2 两级甲类放大电路设计

丙类高功放

由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图3-2-3所示。

图5-3 丙类功放原理图

总体电路图设计

设计的总体电路图如图5-4所示

图 5-4 高频功率放大器设计总图

6. 电路仿真

所用软件Multisim简介

随着计算机技术飞速发展，许多电路设计都可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻了工作量。其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim 是一个完整的集成化设计环境。

Multisim的特点：

（1）直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

（2）丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

（3）丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是，所有仪器均可多台同时调用。

（4）完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点——零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。网络分析仪和频谱分析仪。

（5）强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，

也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

本次课程设计电路就是利用Multisim软件进行绘图并仿真的。

仿真测试电路

仿真测试电路如图6-1所示，其中示波器1通道测输入信号源波形，2通道测一级甲类放大电路输出波形，3通道测二级甲类放大电路输出波形，4通道测丙类功放的最终输出波形。当可变电容C3调到70%，C6调到45%时，输出波形较为稳定，放大效果较好。此时可发现LED发光，表示功率放大器正常工作，即电压合适。

图6-1 仿真测试电路

仿真波形

6.3.1 输入信号仿真波形

输入波形信号如图6-2所示，由仿真示波器可以看到输入信号是一个频率为，峰峰值为的正弦波信号。

图6-2 输入信号

6.3.2 一级甲类放大波形

经过第一级甲类放大器后输出波形如图6-3所示，其峰峰值增大到527mv，将输入信号电压放大了。

图6-3 一级放大后波形

6.3.3 两级甲类放大波形

经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为，如图6-4所示。

图6-4 两级放大后波形

6.3.4 最终输出波形

信号最终经过丙类放大器放大，峰峰值变为，提高其功率与效率，仿真波形如图6-5所示。

图6-5 丙类放大器输出波

7. 结果分析

由于高频放大器由甲类，丙类混合组成。实验需要将仿真测试电路主机调试，直到出现稳定，理想的正弦波为止。

在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析；另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。

由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。

8. 心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次的高频功放课设，加深了对电子电路理论知识的理解，学会使用Multisim

软件进行仿真与调试，提高了自己的实验动手能力，对今后的学习和工作都有很大的帮助。

回顾起此次高频课程设计，我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两星期的日子里，我们遇到过很多麻烦。如：调试电路时发现波形不稳，放大倍数不够高等问题。但我们都通过讨论解决了。我们从中学到了很多东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有的知识。通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中，也发现了自己许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次设计的实验参数计算比较复杂，不仅要参考一定资料，还要自己对各参数的意义有一定的理解。若计算参数不对，将会直接影响到实验的结果。

9. 参考文献

[1] 曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析（第四版）[M].西安：西安电子科技

大学出版社，2008.

[2] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[3] 张肃文.高频电子线路（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 谢沅清.模拟电子线路(Ⅱ) [M] .成都：成都电子科大出版社，1994.

附录：元件清单

表1. 元件清单