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1、东北大学秦皇岛分校电子信息系综合课程设计高功率放大器的设计专业名称电子信息工程班级学号学生姓名指导教师设计时间2011.06.202011.07.01课程设计任务书专业：电子信息工程 学号：5081109 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Po125mW，工作中心频率fo=6MHz，65%；2. 已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51，晶体管用2N2219，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益
2、Ap13dB（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：1-2 天设计图纸、实验、计算、程序编写调试：3-4 天编写课程设计报告：2-3 天答辩：1 天摘 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
3、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。 本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作介绍，在性能指标分析基础上进行单元电路设计最后设计出整体电路图，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，最后总结课设体会。目录一、高频功率放大器知识简介51.1 电路工作原理61.2 高功放性能分析81.2.1 谐振功率放大器的动态特性91.2.2 功率放大器的负载特性91.2.3放大器工作状态的调整10二、方案论证13三、电路设计与参数计算143.1 设计任务要求143.2 单元电路设计143.2.1 甲类谐振放大器143.2.2 丙类
4、高功放163.3 总体电路图设计17四、电路仿真与结果分析194.1 multisim软件简介194.2 仿真波形204.2.1 输入信号波形204.2.2 一级甲类放大波形204.2.3 两级甲类放大波形214.2.4 最终输出波形214.2.5 结果分析22五、元件清单23六、心得体会24七、 参考文献25一、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没备的重要组成部分。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
5、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
6、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（5351605 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
7、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。1.1 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。 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
8、电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小放大器的效率越高。如丙类功放的小于900， 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。丙类谐振功率放大器原理图如图1-1所示。图1-1 谐振功率放大器的基本电路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
9、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1-2所示。图1-2 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 。可以将电流分解为 （5-4）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1-3 iC(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，可以求出式（5-4）直流分量及各次谐波分量 下面仅列出前面几项的表达式只要知道电流脉冲的最
10、大值和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。 放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻RP上的功率为集电极的功耗为 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比其中 甲类状态， ， 乙类状态， ， 丙类状态， ， 工作在丙类状态时，效率最高 。1.2 高功放性能分析 高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析， 工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。1.2.1 谐振功率放大器的
11、动态特性 高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压b、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。 1.2.2 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1-4所示。图 1-4 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Vbemax，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123
12、。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic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eb max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Vc=RpIc1，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，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。 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1-5所示。 欠压状态的功率和效率都
13、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。图1-5 谐振功率放大器的负载特性曲线1.2.3放大器工作状态的调整 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Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变 当负载电阻Rp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。改变V
14、CC，但Rp、Vb、VBB不变 当集电极供电电压VCC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。Vcc变化时对工作状态的影响如图1-6所示：图1-6 Vcc变化是对工作状态的影响在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如图1-7所示。图1-7 改变VCC时工作状态和电流、功率的变化VCC、VBB、Rp不变，Vbm变化。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的
15、高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。谐振功放的放大 特性是指放大器性能随Vbm 变化的特性，其特性曲线如图1-8所示。图1-8 Vbm 变化的特性二、方案论证 在 “高频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于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三种工作状态中最高者。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
