高频功率放大器设计

目录一课题名称 1二内容摘要 1三设计任务及要求 1四电路基本原理 24.1甲类功率放大器 44.2丙类功率放大器 64.3高频功率放大器的动态特性 84.4高频功率放大器的负载特性 8五电路#设计#概述 10六软件仿真及结果 11七仿真结果讨论及误差分析 12八收获与体会 13参考文献 14附录 14一课题名称高频功率放大器设计二内容摘要在广播、电视、通信等系统中都需要将有用的信号调制在高频载波信号上通过无线电发射机发射出去。高频载波信号由高频振荡器产生，但由于高频振荡器所产生的高频振荡信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射功率的要求，所以需要利用高频功率放大器对功率放大以此获得足够的输出功率。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。它将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。按其工作频带的宽窄可分为窄带高频功率放大器和宽带功率放大器两种。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。本次课程设计就将对高频功率放大器的工作原理进行探究及设计，本次设计采用Multisim软件进行仿真电路设计。三设计任务及要求模块电路设计（采用Multisim软件仿真设计电路）（1） 采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计（2） 电源电压Vcc=+12V（3） 工作频率f0=5MHz（4） 负载电阻RL=50Ω时，输出功率P0≥2.5W，效率η>60%四电路基本原理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，它主要应用于各种无线电发射机中。要使发射机的输出功率大，必须使发射机内部各级电路之间信号功率能有效地传输，这就要求放大器输入阻抗和信号源阻抗相匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗相匹配，末级功率放大器输出阻抗和天线阻抗相匹配。阻抗匹配能使信号在传输过程中无反射损耗，以达到最大的功率传输和辐射。根据能量守恒原则，输出高频信号的功率都是由功率放大器将直流电的能量转换成高频信号的能量输出的。由于在能量转换的过程中存在着能量的损耗，高的能量发射必然有高的能量损耗，因此要求功率放大器应该在尽可能低的能量损耗下具有尽可能高的能量转换和能量发射，及要求功率放大器应具有高的能量转换效率。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。而高频功放一般都采用选频网络作为负载。高频功率放大器由功率放大管、输入回路和输出谐振回路、集电极电源和基极偏置电路等几部分组成。其与小信号调谐放大器的区别在于：（1） 放大管是高频大功率晶体管，集电极直接与散热片连接，能承受高电压和大电流。（2） 输入回路通常为调谐回路，既能实现调谐选频，又能使信号源与放大管输入端匹配。（3） 输入端的负载回路也为LC调频回路，要求既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端与负载的匹配。（4） 基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压（-UBB），常使电路工作在丙（C）类状态。图4.1晶体管转移特性曲线根据高频功率放大器的等效电路，晶体管基极的反向偏置电压为-UBB，如果输入的交流信号为ubt=Ubmcosωt,则加到晶体管基极、发射机之间的有效电压为uBE=ubt-UBB=-UBB+Ubmcosωt(4.1.1)（1） 集电极电流ic由晶体管转移曲线可以看出：当输入信号ubt<UBB+UBZ时，晶体管截止，集电极电流ic=0,；当输入信号ubt>UBB+UBZ时，发射结才能导通，集电极电流ic可表示为ic=gc(uBE-UBZ)（4.1.2）式中，gc为晶体管跨导，即折线的斜率，gc=∆ic∆uBE，其中uce为常数。将公式4.1.1代入公式4.1.2可得ic=gc(-UBB+Ubmcosωt-UBZ)（4.2.3）当ωt=θc时，ic=0，可得cosθc=UBB+UBZUbm（4.2.4）式中，UBZ为晶体管的开启电压；θc称为晶体管导通角，即θc=cos-1UBB+UBZUbm（4.2.5）当ωt=0时，ic=Icmax=gcUbm(1-cosθc)，可得集电极尖端余弦脉冲电流ic的表达式为ic=Imaxcosωt-cosθc1-cosθc(4.2.6)（2） 集电极电流ic的傅里叶分析尖顶余弦脉冲电流ic可用傅里叶级数分解为直流分量、基波、二次谐波、三次谐波、……、n次谐波分量，即ic=Ico+Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+⋯+Icmncosnωt+⋯(4.2.7)图4.2尖顶余弦脉冲的分解系数an(θc)与波形系数g1(θc)曲线集电极脉冲电流ic的直流分量Ico并不是常数，随着导通角θc的增大，an(θc)将增大，Ico=Icmaxα0(θc)也将增大。当导通角θc=π时，功率放大器将工作于甲（A）类工作状态；当导通角θc=π2时，功率放大器将工作于乙（B）类工作状态；当导通角θc<π2时，功率放大器将工作于丙（C）类工作状态。（3） 集电极输出电压uCE由于高频谐振功率放大器的输出端接LC谐振回路，因此只要调节LC回路的电抗元件值，即可使LC回路谐振于输入信号的频率（即基波频率ω）。如果LC回路的谐振电阻为Rp,则集电极电流ic流经LC并联谐振回路时，对基波电流呈现的谐振电阻为Rp（最大值），使回路两端的电压为uc1=-RpIcm1cosωt,而对直流分量Ico和各高次谐波电流分量所呈现的失谐阻抗为零或极小，因此LC回路可选出基波电压uc1=-RpIcm1cosωt，而滤除各次谐波电压。集电极输出电压的瞬时值uCE=Ec-RpIcm1cosωt。因此虽然高频谐振功率放大器的集电极电流是尖顶余弦脉冲，但放大器的输出回路电压仍只有输入信号频率分量，即相对于输入信号没有失真。4.1甲类功率放大器甲类功放（A类功放）输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。晶体管组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中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：UEQ=IEQ(RF1+RE1)≈ICQRE1（4.2.8）式中，RF1一般为几欧至几十欧。ICQ=βIBQ(4.2.9)UBQ=UEQ+0.7V（4.2.10）4.1.1甲类功放的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：P0=PH'/ηB（4.2.11）式中，PH′为输出负载上的实际功率，ηB为变压器的传输效率，一般ηB=0.75~0.85。图4.3甲类功放负载特性为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线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：（4.2.12）式中，ucm为集电极输出的交流电压振幅，Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别为（4.2.13）式中，uCES称为饱和压降，约1V（4.2.14）如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则（4.2.15）式中，RH′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。4.1.2甲类功放的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。输入功率Pi与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为（4.2.16）式中，Ri又可以表示为（4.2.17）式中，hie为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻rbb¹。hfe为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数β。4.2丙类功率放大器4.2.1丙类功放原理丙类功率放大器的基极偏置电压uBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻RE2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ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2C3的选频作用可输出基波谐振电压uc1,电流ic1。图为丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。【a】 【b】图4.4丙类功放波形图a为三极管输入波形，图b从上至下依次为基波脉冲电流及谐波分量，集电极脉冲电流及谐波分量，LC谐振回路及两端电压波形以及晶体管集电极与发射极之间的瞬时电压波形。分析可得下列基本关系式：（4.2.18）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；Ro为集电极回路的谐振阻抗。式（4.2.19）式中，PC为集电极输出功率（4.2.20）式中，PD为电源供给的直流功率,ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。电流脉冲ic经傅立叶级数分解，可得峰值Icm与分解系数的关系式放大器集电极的耗散功率PC′为：PC′=PD-PC（4.2.22）放大器的效率η为式中，ζ=Ucm/EC为集电极电压利用系数；g1θc=Icm1Ico=α1θc/αo(θc)称为波形系数，是导通角θc的函数。电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ<90º，效率η可达到80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。图4.5丙类谐振功率放大器电路示意图三极管V在工作时应处于丙类工作状态，只有小部分时间导通，LC谐振回路起到滤波和匹配的作用，基极电源VBB应小于死区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一般VBB略小于0。集电极电压VCC是功率放大器的能量来源。波形系数g1θc=α1(θc)/αo(θc)的曲线是随导通角θc的增大而逐渐降低的，相应的放大器效率η也是随导通角θc的增大而逐渐降低的。当取θc=120°时，α1(θc)达到最大值，输出功率最大，但g1(θc)的值相对较小，集电极效率仅为64%左右。而当取θc=70°时，此时虽然α1(θc)的值相对减少，输出功率有一定程度的降低，但集电极效率可达到85.9%。因此，在工程设计中一般以θc=70°左右作为最佳导通角，这样可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。4.2.2丙类功放的特点与低频功放相比较，丙类谐振功放具有工作频率和相对频带不同，负载性质不同，工作状态不同等特点；同时与小信号谐振放大器相比较其对放大信号的要求不同，谐振网络的作用不同及工作状态不同等特点。4.3高频功率放大器的动态特性若设输入信号电压ub=Ubmcosωt,当放大器工作在谐振状态时，其外部电路输入端的电压方程为uBE=-UBB+Ubmcosωt(4.3.1)输出端的电压方程为uCE=Ec-Ucm1cosωt(4.3.2)式中，ud=-Ucm1cosωt。消去cosωt可得uBE=-UBB+UbmEc-uCEUcm1(4.3.3)放大区动态特性曲线方程为ic=gd(uCE-Uo)(4.3.4)式中，gd=-gcUbmUcm1表示动态特性曲线的斜率；Uo=UbmEc-UBBUcm1-UBZUcm1Ubm=EC-Ucm1cosθc表示动态特性曲线在uCE轴上的截距，其中cosθc=UBB+UBZUbm4.4高频功率放大器的负载特性高频功放的负载特性表现为输出LC回路的谐振电阻对工作状态的影响。当EC、UBB、Ubm等不变时，工作状态可分为欠压工作状态、临界工作状态和过压工作状态三种。4.4.1欠压工作状态当Rp较小时，由于Ucm1=Icm1Rp也比较小，动态特性曲线的斜率gd=-gcUbm/Ucm1较大，其动态特性曲线与所对应的静态特性曲线的交点位于放大区，此时ic的波形为尖顶余弦脉冲，脉冲幅度比较大，负载回路的输出电压Ucm1较小，晶体管的工作范围在放大区和截止区。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。4.4.2临界工作状态当动态特性曲线与临界饱和线以及uBEmax对应的静态特性曲线三线相交于一点的时候，高频功放工作于临界状态，此时ic的波形仍为尖顶余弦脉冲，脉冲幅度相对于欠压工作状态略有减小，但负载回路的输出电压Ucm1却增大较多。如果设临界饱和线的斜率为gcr，则尖顶余弦脉冲的幅度为Imax=gcrUcemin=gcr(Ec-Ucm1)(4.4.1)式中，Ucemin≈Uces，令ζcr=Ucm1/Ec，ζcr为临界状态的电压利用系数，Icmax=gcrEC(1-ζcr)，临界状态的电压利用系数为ζcr=1-IcmaxgcrEC。可看出高频功放工作在临界状态时有较大的集电极电流和较大的回路电压，故晶体管输出功率最大。高频功放通常选择这种工作状态这种工作状态下所需的集电极负载电阻称为最佳负载电阻。即Rper=Ucm1Icm1=ζcrECIcmaxα1(θc)（4.4.2）临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。4.4.3过压工作状态如果在临界状态下继续增大Rp的数值，动态特性曲线的斜率将进一步减小，动态特性曲线与uBEmax所对应的静态特性曲线的交点将沿临界饱和线向下移动，交点位于饱和区。由于晶体管的动态范围延伸到了饱和区，Ucemin<Uces，集电极电流沿临界饱和线下降，ic的波形顶部为下凹的余弦脉冲。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4.6高频功放的工作状态与负载Rp的关系五电路设计方案概述本课设次需要设计一个采用晶体管完成的高频谐振功率放大器，其电源电压Vcc=+12V，工作频率，负载电阻时，输出功率，效率，晶体管用2N2219,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）元器件参数计算：由此可得若选取，则可知道余弦脉冲分解系数由此可得所以可以得到通过计算可得出此电路是丙类功率放大器六软件仿真及结果图5.1利用丙类功放设计电路图输入信号为频率为5MHz，峰峰值为0.13V的正弦波信号，经丙类功放后得出如下波形图5.2仿真后波形图其中，红线为输入信号，黑线为经丙类功放后的输出波形。由图可知，测试波形与理论基本相符，达到了放大的目的，同时电压幅度得到提高，因而使利用效率也得到提高。七仿真结果讨论及误差分析仿真结果与理论值相近，使电压幅度得到提高，同时使利用率也得到提高。产生误差的可能原因有：晶体管出现击穿现象导致波形失真；电路参数设置的有问题八收获与体会通过本次设计我对高频功率放大器有了一定的了解。在开始这次课程设计之前，虽然在课堂上学过高频功率放大器的知识，但毕竟还是掌握的不够扎实。在这次的课程设计中我对高频功率放大器有了更深入的认识，对这方面的内容有了更深刻的印象。本次设计采用的是丙类功率放大器进行对信号的放大。通过丙类功率放大可以使信号的电压幅值增大从而使效率提高。这次采用Multisim软件进行仿真，NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。仿真结果也和预期差不多。这次的课程设计让我学到了很多。参考文献【1】《高频电子线路》王卫东电子工业出版社2009.3【2】《基于Multism2001的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟电子工业出版社2004.7【3】《Multisim9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社2008.11附录谐振状态的调整设计计算高频谐振功放的前提是假定谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载阻抗为纯电阻。但回路的初始状态或在调谐过程中，会出现回路失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或容性，是回路的等效阻抗下降。这是集电极的输出电压减少，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时肯能损坏晶体管。为保证晶体管安全工作，调谐时，可以先将电源电压降低到值的一半或三分之一，待找到谐振点时，再将电源电压调大，然后微调电路参数，是输出的波形最大不失真。寄生振荡及其消除寄生振荡是调整高频谐振功放过程中经常遇到的一种现象。常见的寄生振荡有以下两种。（1）参量自激型寄生振荡当高频谐振功放的输出电压足够大时，高频谐振功放的动态工作点可能进入量状态，这时晶体管的许多参数将随着工作状态的变化而变化。参量自激的特点是必须在外加信号激励下才产生，因此断开激励信号的观察振荡是否继续存在，而判断自激型寄生振荡的有效方法。一旦发现有参数自激型寄生振荡，必须立即关电源，因为参量自激型寄生振荡会使输出电压的峰值可能显著增加，集电极回路可能出于失谐状态，集电极的耗散功率会很大，有可能导致晶体管损坏。消除参量自激型振荡的常用是在基极或发射极接入防振电阻或降低电路的Q值。（2）反馈型寄生振荡高频寄生振荡一般是由电路的分布参数的影响造成的。功率信号放大器高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。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，放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲类（导通角=360度）、乙类（导通角=180度）、甲乙类（导通角=180度~360度）。