高频谐振功率放大器设计.docx

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计 摘要高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出为目的，它主要应用与各种无线发射机中。高频谐振功率放大器由作为中间级提供较大激励功率的甲类谐振功放与为获得较大输出功率的丙类谐振功放两级功率放大器组成。关键词：谐振，放大，功率，选频网络AbstractThe main function ofthe high frequency power amplifieris toamplify high frequency signal,and theoutputishigh,it is mainly usedwith variouswirelesstransmi

2、tter.The high frequency resonancepower amplifieris provided by theintermediateresonantamplifierasalargeexcitation powerandCresonancepower amplifierobtain larger outputpowerof twostage poweramplifier.Keywords:resonant,amplifier,power,frequency selection network目录一 概述1二 高频功率放大器设计22.1 甲类功率放大器22.1.1 静态工

3、作点22.1.2 负载特性22.1.3 功率增益42.2 丙类功率放大器42.2.1 基本关系式42.2.2 负载特性52.3 耦合线圈的绕制62.4 参数的计算和选择72.4.1丙类功率放大器的设计72.4.2甲类功率放大器的设计8三 电路仿真11四 实际电路连接13五 总结16六 参考文献17七 附录18一 概述高频谐振功率放大器，是无线电发射机的重要组成部分,它的主要功用是实现对高频已调波信号的功率放大, 然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间,以实现用无线信道的方式完成信息的远距离传送。功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成负载回路的交流功率的放大器

4、。甲类功率放大器效率较低，一般只有20%左右。它通常作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。利用选频网络作为负载的功率放大器成为谐振功率放大器，一般工作在丙类。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。图1 高频功放原理图二 高频功率放大器设计本次课程设计需要达到的技术指标如下：1、电源电压Vcc 12V；2、采用NXO100环形铁氧体磁芯；3、工作频率f0

5、6MHz ；4、负载电阻RL 75时， 输出功率P0100Mw， 效率60；设计要求输入6.0MHz信号经功率放大器放大输出一个信号, 再经过阻抗变换网络产生高频输出交流电压。综上考虑本设计采用甲类功率放大器作为激励级，丙类功率放大器作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。如图所示为由两级功放组成的高频功放电路。其中晶体管Q1与选频回路组成甲类功放，晶体管Q2与选频网络组成丙类谐振功放。2.1 甲类功率放大器2.1.1 静态工作点晶体管 VT1 组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。设RB1、RB2 为基极偏置电阻；RE1 为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。RF1为交流负反馈电

6、阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列关系式确定： 式中，RF1一般为几欧至几十欧。 2.1.2 负载特性甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率 P0可表示为： 式中，PH为输出负载上的实际功率，B为变压器的传输效率，一般为 。 图2 甲类功放的负载特性特性 图2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点 Q 应选交流负载线 AB的中点，此时集电极的负载电阻 RH称为最佳负载电阻。集电极的输出功率 PC的表达式为： 式中，为集电极输出的交流电压振幅，为交流电流的振幅，它们的表达式别为式中，

7、称为饱和压降，约1V。如果变压器的初级线圈匝数为 N1，次级线圈匝数为N2，则 式中，为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。2.1.3 功率增益与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益 Ap的表达式为 其中，为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压及输入电阻的关系为式中，又可以表示为 式中，为共发射级接发晶体的输入阻抗，高频工作时，可认为它近似等于晶体管基极体电阻；为晶体管共发射电流放大系数，即。2.2 丙类功率放大器2.2.1 基本关系式丙类功率放大器的基极偏置电压是

8、利用发射极电流的直流分量在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号为正弦波时，则集电极的输出电流为余弦脉冲波。利用谐振回路的选频作用可输出基波谐振电压,电流。根据丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式： 式中,为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；为集电极基波电流振幅；为集电极回路的谐振阻抗。集电极谐振回路为部分接入，谐振频率为谐振阻抗与变压器线圈匝数比为式中，为集电极接入初级匝数。为初级线圈总匝数。 为次级线圈总匝数。为初级回路有载品质因数，一般取。两类功率放大器的输入回路亦采用变压器耦合方式，以使输入阻抗与前级输出阻抗匹配。

9、分析表明，这种耦合方式的输入阻抗为式中，为晶体管基极体电阻，2.2.2 负载特性当功率放大器的电源电压，基极偏压，输入电压或称激励电压确定后，如果电流导通角选定，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。根据谐振功率放大器的交流负载特性，当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降，集电极电流脉冲接近最大值。 此时，集电极输出的功率和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。所对应的值称为最佳负载电阻值，用表示，即 当放大器处于欠压工作状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当时，放大器处于过压状态，

10、如B点所示，集电极电压虽然较大，但集电极电流波形有凹陷，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状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是:式中，集电极输出电压幅度。晶体管饱和压降。图3 谐振功放的负载特性2.3 耦合线圈的绕制本次课程设计中，高频变压器的磁芯采用镍锌(NXO)铁氧体。NXO-100环形铁氧体作高频变压器磁芯时，工作频率可达十几兆赫兹。其结构如图4所示，尺寸为外径内径高，使用漆包线绕制，电感量L由下式计算：式中，为磁导率，单位；N为线圈匝数；A为磁芯截面积(单位);为平均磁路长度(单位)。图4 环形铁氧体高频变压器磁芯若选尺寸为的

11、铁氧磁芯,可求出，则电感量L、线圈匝数N的值可用上述公式确定。绕制高频变压器的漆包线一般选用线径为的漆包线。为减小线圈漏感与分布电容的影响，匝数应尽可能的少，匝间距离应尽可能大。2.4 参数的计算和选择已知条件：，晶体管3DG12C。性能指标：输出功率，工作中心频率，效率，负载。从输出功率P0100mW来看，末级功放可以采用甲类或乙类或丙类功率放大器，但要求总效率60%，显然不能只用一级甲类功放，但可以只用一级丙类功放。因此采用了甲类结合丙类的电路，其中晶体管选用了3DG12C。首先设计丙类功率放大器，再设计甲类功率放大器。2.4.1丙类功率放大器的设计(1) 确定放大器工作状态：因为要求获得

12、的效率60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70,所以谐振回路的最佳电阻为: Re=（EcUces）22Po=（121.5）220.5=110.25 ，集电极基波电流振幅: Po=12Ic1m 2Rc ，Ic1m=2PoRc=88mA ，集电极电流最大值为： Icm=Ic1ma170=205mA ，其直流分量为： Ico=a0Icm=51mA ，电源供给的直流功率： PS=EcIco=612mA ，集电极损耗功率： Pc=PsPo=164mA ，转换效率： c=448612=73.2% ,当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流=10时，有：输入功率为：P1=P0/AP=25mW

13、 基极余弦电流最大值为：IBM =ICM /20.5mA 基极基波电流振幅：=9.5mA 输出电压的振幅为UBM=2P1/ IB1M5.3V(2)计算谐振回路和耦合回路参数丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式。则输入阻抗86则输出变压器线圈匝数比为：0.67则这里，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10H用10mm6mm5mm磁环来绕制输出变压器，有其中=100H/m , A=, =25mm, L =10H 8(3)基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压(其中U10.6V ) UB=U1-UbMCOS -1.1V 则射极电阻RE2=/20 取高频

14、旁路电容CE2=0.01f2.4.2甲类功率放大器的设计(1)计算电路性能参数综上所述，知甲类功率放大器输出功率等与丙类功放的输入功率，即：PH=P1=25mW 输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH=86设变压器效率T取0.8则集电极输出功率Po=Po/t31mW ；若取放大器的静态电流ICC=ICM=5mA则集电极电压振幅UCM=2Po/ ICM=8.9V 最佳负载电阻为Re=UCM22Po=1.3k则射极直流负反馈电阻357 (ICM) 则输出变压器线圈匝数比：3本级功放采用3DG12C晶体管，取=30 =13dB即20倍放大倍数则输入功率Pi=P0/AP=1.55mW，放大器输入阻抗Ri

15、=Rbb+*R3=25+30R3若取交流负反馈电阻R3=10，则Ri=335，本级输入电压1.02V(2)计算静态工作点综上可知Ui=0时，晶体管射极电位Ueq= Icq* RE1 = 2.5V ,Ubo=3.2VIbo=Ico/=0.23mA若基极偏置电流I1=5IBQ ，则R2= UBQ/5IBQ2.8k有8.25k 本次课程设计电路图如下所示： 图5 甲类功率放大器设计 图6 丙类功率放大器设计三 电路仿真本次仿真的输入信号为F=6MHz，峰峰值为200mV的正弦波。图7 总原理图图8 输入信号波形图图9 输入输出信号波形对比图图10 输出电压截图图11 输出功率截图由multisim仿

16、真可知，本高频功率放大器的输出功率为170mW，效率为=170mW251mW=0.681=68.1%，符合实验设计要求。四 实际电路连接根据仿真电路，连接成实际电路板如下图所示： 图12 正面元器件排布图图13 反面布线图图14 实验室输入信号波形图图15 甲类放大输出波形图图16 丙类放大输出波形图图17 丙类输出信号波形及Vpp测量实际结果分析：输出电压：U=5.8V输出功率：P=(U2)2R=0.112W效率：=PoPo+Pc=0.1120.112+0.058=0.658=65.8%输入频率F=6MHz，输出功率Po=112mW，放大器工作效率=65.8%，符合设计要求。五 总结本次课程

17、设计所做的高频谐振功率放大器，以6MHz为谐振频率，75欧为负载电阻，仿真效果良好，输出功率为170mW，大于要求的100mW，效率大于60%，即每项指标都符合要求。高频谐振功率放大器电路简单，因此理论设计很快就完成了。但是，在实际的电路连接上却出现了很大的问题。其中最主要的就是耦合线圈的选择，它在整个放大器中起着不可或缺的作用，因此本课题的难点也在于此。首先就是耦合线圈的选型问题，然后是匝数问题，漏感等，我们就此请教了高频实验老师，老师给出了具体的计算方法和测试方法，我们的设计又可以顺利进行下去了在绕制线圈的时候，每绕过一定的长度，就迫不及待的去测试一下电感量，直到电感量大概达到6.4uH。

18、布线和测试上由于之前有过软件仿真，因此在布线的时候也不会有太大的困难。最终，在实验室测试也顺利完成了。此次高频课设强化了自己将理论转化为实践的能力。通过这次课程设计使我懂得了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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。六 参考文献1 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，20022 王卫东.高频电子线路.北京：电子工业出版社，20083谢自美.电子线路设计实验测试.武汉：华中科技大学出版社，20004 张新喜. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，20

19、10年2月5王廷才.Muitisim 11电子电路仿真分析与设计.机械工业出版社，2011七 附录 表1 元件清单表序号名称型号个数1三极管（功率管）3DG12C22铁氧体磁环NXO-10023开关14电位器5K15电阻1.5K、3.3K、330、1K、10、50、7586电解电容10uF17可变电容20pF28电容100pF、100nF、1uF69电感220uH110LED灯5mm111万用板112漆包线0.18mm4m18本科生课程设计成绩评定表姓名李小丹性别女专业、班级电信1205班课程设计题目：高频谐振功率放大器设计课程设计答辩或质疑记录：（1） 如何确定电感匝数？Multisim提供的匝数比只有10：1、25：1等而不可调，导致仿真效果不好，在实际焊接过程中可以自己绕电感，边绕边测，直到达到所需大小为止，本次电容选择110pF，经过计算得所需电感为6.4uH。（2） 为什么在谐振回路上采用了抽头连接？抽头的主要好处是减小电源自身内阻以及负载对回路的影响，起到一个阻抗变换的作用。（3） 为何采用互感耦合？互感耦合可以在实现阻抗变换、网络匹配的同时，可滤除干扰波，减小误差等。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日