高频功率放大器设计

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1、高频功率放大器设计1、概述及基本原理高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。利用选频网 络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。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。所以本次课程设计我选择高 频功谐振率放大器。如图1所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1 为隔直流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络

2、。其中天线等效阻抗， 作为输出负载。与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真 功率，但有一些区别。图1 高频功放基本原理图谐振式高频功率放大器的特点是：为了提高效率，放大器常工作于丙类状 态，晶体管发射结为反向偏置，由Eb (VBB)来保证，流过晶体管的电流为余 弦脉冲波形；负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得 正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。2.方案及各部分设计原理分析2.1 整体介绍基本部分组成，即电子管、谐振回路和电源。电子管在放大器中起着把直流 能量转换为交流能量的作用；谐振回路是电子管的负载；电源供给电子管各电极 电压，它们共同保证电子管

3、的正常工作。放大器有两个主要电路：板极电路和栅极电路。板极电路包括并联振荡回路和直流板极电压Ea的馈电电路。振荡回路由电感L1、电容C1和电阻r组成。 电路中C1为高频旁路电容，L1为高频阻流圈。在栅极电路中加入直流偏压Eg, 一般Ea为负值。电路中C2和L2分别是栅极回路的高频旁路电容和高频阻流圈。 2.2 原理分析知道前级送来的高频激励电压为ug=Ugcos31它加在栅极与阴极之间。其 中，ug是激励电压的瞬时值，Ug是激励电压的振幅值， = 2nf是激励电压的角 频率， f 是激励电压的频率。当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极电压 控制的板流脉冲，脉冲波形如图

4、2所示。ia是周期性函数，由数学知识可知，它 可用傅氏级数来表示，即ia=IaO+Ia1cos3 t+Ia2cos23 t+.+Iancosn31（2.1）可见，板极电流等于直流分量IaO、一次谐波（基波）、二次谐波和其他高次谐要调谐到激励信号电压的频率，并且在实际情况下，振荡回路的Q图2脉冲波形板极并联波之和。于1（考虑到下级负载引入的电阻），即回路的谐振性很强。这样,谐振回路对基波的阻抗很大，而且是纯电阻性的，这就是我们熟知的谐振阻抗, 一般用 Roe 来表示。板极回路的直流电阻，可以看成是短路的。同时，因为回 路是调谐到基波，对于高次谐波回路失谐很大，所以回路对于高次谐波也近似于 短路。

5、这样，板极电流通过回路时，在回路上所引起的只有基波电压。输出电压不 是脉冲形状，而是和输入激励电压一样的波形。2.3 具体分析串联偏置是说电子器件，负载电路和直流电源三部分串联起来的。在上面所 提到的电路中LC是 负载贿回路；L 是高频厄流圈，它对直流是短路的，但对 高频则呈现很大的阻抗，可以认为是开路的，以阻止高频电流通过功用电源内阻 产生高频能量损耗，特别是避免在个级之间由此而产生的寄生偶合；C是高频 旁路电容，他们对高频应呈现很小的阻抗，相当于短路。加入这些附属元件 L， C等的目的就是为了使电路能满足上述组成电路的原则。偏置电路中都存在着自给偏置效应，即当由小增大时，基极电流脉冲中的平

6、 均分量相应增大，它在偏置电阻上的压降增大，结果使基极偏置电压向负值方向 增大。由此表明在输入信号激励下，由于自给偏置效应，基极偏置电压将不等于 静态偏置电压，且其值随着输入激励幅度增大而向负值方向增大。滤波匹配网络 的作用是阻抗匹配和选频滤波。调谐功率放大器基极电路的电源Eb，很少使用独立电源，而一般多利用射 极电流或基极电流的直流成分，通过一定的电阻而造成的电压作为放大器的自给 偏压，即所谓的自给偏压法。为了获得较大的输出功率，使管子工作在临界稍微 欠压的状态，故采用射极电流自给偏压法。射极电流的直流成分 Ieo 通过电阻 Re形成的电压IeoRe,其极性对晶体管是一个反偏压，偏压的大小可

7、以通过调节 Re来达到。如所需的偏压为Eb,则Re由下式确定：Re=Eb/Ieo（1）Ce对交流旁路，为了保证偏压不随交流波动，其放电常数应该足够大，要求外，还必须具有良好的输入输出匹配电路。输入匹配电路的作用是实现信号源输 出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以期获得最大的激励功率。输出匹配电路 的作用是将负载RL变换为放大器所需的最佳负载电路，以保证放大器输出功率 最大。由设计需求知，本电路采用并联谐振回路匹配电路。由于调谐功率放大器的晶体管工作在非线性状态，匹配的概念与线性电路布 完全相同。由调谐功率放大器的负载特性知道，放大器工作在临界状态输出功率 最大，效率也较高。因此，放大器工作在临

8、界状态的等效电阻就是放大器阻抗匹 配所需的最佳负载电阻,以 Rcp 表示。最佳负载电阻Rep,通过用下述方法计算。（1）先估算管子的饱和压降,然后得知临界状态槽路抽头部分的电压幅值为：Uem=Ee-Uees.（3）（2）确定最佳负载电阻 Rep.将式（3）代入右式：Po=Uem2/2Rep得Re=Rep=Uem2/2Rep=（Ee-Uees）2/（ 2*Po ）由式 Re= （N0/N1） 2R= （N0/N1） 2QLwL 知。调整 N0/N1 便可改变 Re，令Re=Rep，可求阻抗匹配时所需的匝比，即Re=（N0/N1 ）2QLwL=Rep解得-RN0/N1 = 匚（4）QLwL式中QL

9、应按通频带和选择性要求选取。由于改变原、副边匝比N2/N1，则改变了槽路谐振电阻R以及Re和QL。为保证所需的QL值不变，原、副边匝比应按QL值来选取。由式QLwL = QowL/ （N1/N2）2RL,可知N2/N1= :Qo一Ql * ； Rl（5）” Q 0” QlwL3. 参数的计算和选择已知条件 + VCC =+12V，晶体管3DG130,晶体管3DA。性能指标输出功率PO - 500mW，工作中心频率fo门5MHz，效率n 50%，负载rl=51n。从输出功率P0500mW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n50%，显然不能只用一级甲类功放，但可以只用

10、一级丙 类功放。因此采用了如图3所示的电路，其中甲类功放选用晶体管3DG130,丙类 功放选用3DA1。首先设计丙类功率放大器，再设计甲类功率放大器。1、丙类功率放大器的设计(1) 确定放大器工作状态：因为要求获得的效率耳50%,放大器的工作状态采用临 界状态，取9 =70，所以谐振回路的最佳电阻为：谐振回路的最佳电阻为:=三二= _：二=二:二二，集电极基波电流振幅：二=二二:,二：，”= 宁=:H二，集电极电流最大值为， 其直流分量为：“=三厶：.,.=理：二，电源供给的直流功率：三二二；二:二,集电极损耗功率：二=二-二=m ， 转换效率：当本级增益A =13dB即20倍放大倍数，晶体管

11、的直流0 =10时，有: P输入功率为： P1=P0/AP=25mW 基极余弦电流最大值为：IBM =ICM /p 20.5mA 基极基波电流振幅：I 二I xa (70。)=9.5mAB1MBM 1输出电压的振幅为Ubm=2P/ Ib1m =5.3V(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|Z J =Rbb(1 -cos9)xa (9)1250(1 - cos70 o) x 0.43686Q则输出变压器线圈匝数比为：N3 = 1，Rl .67N V R1 0则这里，我们假设取 N3=2 和 N1=3 11若取集电极并联谐振回路的电容为C=1

12、00pF，则L = - x (丄)2 =10H C 2nf0用lOmmx6mmx5mm磁环来绕制输出变压器，( A)2有 L 二 4口 (R) xcm x N 2 x 10-3(l)2cm其中=100H/m , A=10mm2, l =25mm, L =10HN空=8(3) 基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压(其中U=0.6v)uB=u1-ubM cose= -1.1V则射极电阻RE2= U |/“=20Q取高频旁路电容CE2=0.01fB CO2、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：P =P =25mWH1输出负载等于丙

13、类功放输入阻抗，即Rh= |ZJ=86Q设变压器效率n T取0.8则集电极输出功率二=人-：=31mW ；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最佳负载电阻为二二=1.3kQU - U - U则射极直流负反馈电阻R = cc cm一 ce =357Q (I =ICM)EIcq CMcqN irR_n -则输出变压器线圈匝数比：一亠=一丄=3N计R2 0本级功放采用3DG12晶体管，取0 =30 A =13dB即20倍放大倍数P则输入功率P=P0/AP=1.55mW，放大器输入阻抗R.=Rbb+p *R3=25Q +3OR3i 0 Pi

14、bb若取交流负反馈电阻R3=10Q，则&=335Q ,本级输入电压U = 2R P 1.02Vimi i(2) 计算静态工作点综上可知Ui=0时，晶体管射极电位Ueq= Icq * Rei = 2.5V , Ubo=3.2V有RiCCBQUBQX R 8.25kQ2Ibo=Ico/0 =0.23mA若基极偏置电流I=5Ibq ,则R2= UBQ/5【BQ2.8kQLX /WVXR 保持不变时，激励 oe4. 仿真结果及分析总结uo/vwvT1Ct3DG130图3总电路图将电路用Muitisim进行仿真运行，分别记录负载及激励电压ug对功率放器g的影响。当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压U

15、b，输入电压C确定后，如果电容 导通角确定，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Rp。谐振功率放大器的交流负载特性如图 4 所示。 j T图4谐振功率放大器的负载特性激励电压叮UgCZ是随时间而变化的。当Eg、玄、电压振幅U的变化对工作状态将产生影响：g当U =0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。g当U由零开始增加，且e =E十UE时，板i开始导通，在e V0时，a g栅流为零，显然此时为欠压状态U继续增加，且e =E十U三0时，栅流i开始 g g g g g在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的 丁类和戊类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周 期性的开关波形。为实现不失真放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波或者在高频 附近占有很窄频带的已调波信号。在这种信号作用下，功率管集电极电流波形为 接近余