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1、 高频电子线路课程设计说明书题目： 高频功率放大器设计 学生姓名： 学 号： 院 （系）： 专 业： 指导教师： 2015 年 01 月 05 日目 录1 选题背景12丙类功率谐振放大器的理论设计12.1 高频功率放大器的简介12.2 电路原理12.2.1 工作原理12.2.2 主要的技术指标22.3 确定放大器的工作状态42.4 谐振回路及耦合回路的设计53 设计过程63.1系统方案论证63.1.1 丙类谐振功率放大器电路63.2模块电路设计73.2.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路73.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路73.2.3匹配网络83.2.4 直流偏置对丙类
2、谐振功率放大器性能影响分析84 整体电路与系统调试及仿真结果124.1 电路设计与分析124.2.仿真与模拟134.2.1 Multisim 简介134.2.2 基于Multisim电路仿真用例145 元件与设备155.1 晶体管的选择155.1.1 判别三极管类型和三个电极的方法155.2电容的选择166 课程设计体会与建议166.1 课程设计体会176.2 课程设计建议177 总结17参考文献191 选题背景电子技术迅猛发展。由分立元件发展到集成电路，中小规模集成电路，大规模集成电路和超大规模集成电路。基本放大器是组成各种复杂放大电路的基本单元。弱电控制强电在许多电子设备中需要用到。放大器
3、在当今和未来社会中的作用日益增加。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输出功率，而且，通信距离越远，要求输出功率越大。所以，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。丙类谐振功率放大器在人类生活中得到了广泛的应用，而且能高效率的将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，研究它具有很高的社会价值。设计简单丙类谐振功率放大器电路并进行仿真，以及对丙类谐振功率放大器发展的展望。2丙类功率谐振放大器的理论设计2.1 高频功率放大器的简介高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分
4、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。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
5、是余弦脉冲波形。2.2 电路原理 2.2.1 工作原理丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在发射极直流负反馈电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放大器的输入信号为正弦波时，集电极电流为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压、电流图2-1为丙类谐振功率放大器原理图,为实现丙类工作,基极偏置电压VBB应设置在功率的截止区。输入回路：由于功率管处于截止状态，基极偏置电压VBB作为结外电场，无法克服结内电场，没有达到晶体管门坎电压，从而，导致输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度小于90o。由iCiB知，iC也严重失真，且脉宽小于90o。输出回路：若忽略晶体
6、管的基区宽度调制效应以及结电容影响,在静态转移特性曲线(iCVBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列,脉冲宽度小于半个周期。图2-1 丙类谐振功率放大器原理图由Dirichlet收敛定理可知,可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即 （2-1）由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗很大，且为纯电阻。而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小，可以忽略，这样，在负载上得到了所需的不失真的信号功率。2.2.2 主要的技术指标(1)直流电源提供的直流功率 (2-2)式中，为集电极电流的直流分量。电流经傅立叶级数分解，可得峰值与分解系
7、数的关系式 (2-3)故有 (2-4)分解系数与的关系如图所示。图2-2 分解系数与的关系(2)集电极输出的基波功率 (2-5)式中，为集电极基波电压的振幅，为集电极基波电流的振幅；为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有，三者间的关系为 (2-6)式中，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。 (3)功率增益 (2-7)式中，为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅、基波输入电压振幅及输入电阻的关系为 (2-8)实验电流中，可表示为。 由公式(2-5)和(2-8)可得 (2-9)(4)放大器的效率 (2-10)式中，称为电压利用系数。功率放大器的设计原则是在高效率下获得
8、较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取。2.3 确定放大器的工作状态谐振功放的三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：（1）欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方（2）过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区（3）临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。如图2-3为电压、电流随负载变化的波形图。图2-3 电压、电流随负载变化的波形图高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压Vb、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
9、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。2.4 谐振回路及耦合回路的设计输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。如图2-4所示，丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为：（1）实现阻抗匹配，使负载电阻能与放大器的最佳负载匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。（2）与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式。为了减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。回路的谐振
10、频率为或 （2-11） 谐振阻抗与变压器线圈匝数比为 （2-12） （2-13）图2-4 耦合回路3 设计过程3.1系统方案论证3.1.1 丙类谐振功率放大器电路在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允许范围内）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在允许的范围内），通常采用丙类谐振功率放大器。本章主要介绍丙类谐振功率放大器的电路组成和工作原理并对各种状态进行分析。在丙类谐振功率放大器中，管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成。如图3-1所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它与CC构成电源滤波
11、电路,需要在信号频率上，LC的感抗很大，接近于开路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈，造成工作不稳定。由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅,因此,在基极通常采用自给偏置电路,如图3-2所示，提高的偏置电压是由基极电流脉冲iB中的平均分量IBO在高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生的压降，电路中LB为功率管基极电路提供直流通路。滤波匹配网络介于晶体管和外接负载之间,充分滤除不需要的高次谐波,以保证负载上的输出基波功率。图3-1集电极直流馈电电路（串馈）图3-2 自给偏置电路图3-3为丙类谐振功率放大器的简单基本电路,输入端采用自给偏置电
12、路,输出端为集电极直流馈电电路(串馈)。图3-3 丙类谐振功率放大器的简单基本电路3.2模块电路设计3.2.1丙类谐振功率放大器输入端采用自给偏置电路我们知道,丙类谐振功率放大器输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电压，采用这种方式可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出的作用。但要注意,存在自给偏置电路的丙类谐振功率放大器只能适宜等幅信号(载波、调频信号)而不适宜放大调幅信号，否则调幅信号包络将会失真。常用的基极偏置电路见图3-4(输出回路均以略去)所示。现分析基极偏置电压是怎样产生的,如图3-4（b）所示，当电源V1电压处在正半周期且电压振幅大于PN结门坎电压时，基极导通，此时，记流经C2的
13、电流为i1 ，一个周期内的其他时间处于截止状态，此时，记流经C1的电流为i2 。显而易见，基极导通时流经C2的电流i1大于截止时的电流i2，即 i1i2 。C2两端的电压关系为 U i1U i2.由于基极相对于地的电压波形为正半周期幅度小于负半周期幅度,由傅里叶级数可知，它的平均分量为负，使功率管发射结正偏，处于截止状态。图3-4 基极偏置电路3.2.2丙类谐振功率放大器输出端采用直流馈电电路集电极直流馈电电路有两种连接方式:串馈和并馈。所谓串馈是指,将直流电源、匹配网络和放大管串接起来的一种方式。如图3-5(a)所示,图中LC为高频扼流圈,CC为电源滤波器,ZL为电抗。要求LC对信号频率的感抗很大,接近开路, CC的容抗很小,接近短路,是为了避免信号电流通过直流电源造成工作不稳定。图3-5 直流馈电电路并馈电路是把直流电源、匹配网络和放大器并接起来的一种馈电方式，如图3-5（b）所示，图中LC为高频扼流圈，CC1为隔值电容，CC2为电源滤波电容，要求LC对信号频率的感抗很大，接近开路， CC1和CC2的电容很小,接近短路。3.2.3匹配网络匹配网络介于晶体管和负载之间，在丙类谐振功率放大器电
