理工科-高頻功率放大器的設(shè)計

1、高頻功率放大器的設(shè)計與應(yīng)用 學(xué)號： 專業(yè)班級：07電信二班 姓名： 指導(dǎo)老師： 時間：2010年6月24日 高頻功率放大器的設(shè)計與應(yīng)用摘 要 高頻電子線路系統(tǒng)地介紹了通信系統(tǒng)，特別是無線通信系統(tǒng)中的最基本的電路及他們的功能，給出了定性及定量分析這些電路性能的方法。這些電路包括了發(fā)射機(jī)及接收機(jī)中的選頻放大電路、混頻電路、功放電路、振蕩電路、調(diào)制及解調(diào)電路、鎖相環(huán)電路、自動增益控制電路及頻率合成電路。高頻電子線路是電子信息工程、通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是從事通信、電子等相關(guān)領(lǐng)域研究開發(fā)人員必須了解的基本知識。通過本課程的學(xué)習(xí)學(xué)生不僅可掌握高頻電子線路的基本理論

2、、基本概念和基本分析方法，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，而且可運(yùn)用課程知識去分析、解決實(shí)際的工程技術(shù)問題。本課程專業(yè)性、綜合性強(qiáng)，對學(xué)生基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)要求高。在教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反應(yīng)該課程抽象、難懂，難以掌握。如何在有限的教學(xué)時間內(nèi)，讓學(xué)生了解并掌握高頻電子線路的知識，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、設(shè)計能力，使學(xué)有所用。 本課程的基本知識教學(xué)目標(biāo)與能力目標(biāo)是：通過理論與實(shí)踐教學(xué)，是學(xué)生了解晶體管工作于高頻時的工作原理，特性參數(shù)及微變等效電路，掌握高頻單元電路的線路組成、基本工作原理、分析方法、技術(shù)要求及一些典型的集成電路的實(shí)際應(yīng)用，并且具備一定的理論的水平和足夠的實(shí)踐技能，以及使用先進(jìn)仿真軟件的能力，為

3、進(jìn)一步學(xué)習(xí)、掌握電子、通訊技術(shù)的專業(yè)知識和職業(yè)技能打下基礎(chǔ)目錄摘 要2一、選題意義4二、總體方案4三、各部分設(shè)計及原理分析51、電路基本原理：52、電路原理圖：63、設(shè)計過程7四、參數(shù)選擇14五、總結(jié)14六、心得體會15七、參考文獻(xiàn)16一、選題意義1 清楚丙類放大器的工作原理掌握丙類放大器的計算與設(shè)計方法2 弄清楚電源電壓和集電極負(fù)載對功率放大器功率和效率的原理3 培養(yǎng)獨(dú)立思考和動手能力。二、總體方案 1、利用所學(xué)的高頻電路知識，設(shè)計一個高頻功率放大器。通過本次電路設(shè)計，掌握高頻諧振功率放大器的設(shè)計方法、電路調(diào)諧及測試技術(shù)。加深對高頻電子線路課程理論知識的理解，提高電路設(shè)計及電子實(shí)踐能力。 2

4、 、設(shè)計一個高頻功率放大器，主要技術(shù)指標(biāo)為： (1) 工作中心頻率F0=5MHZ； (2) 輸出功率PO=500MV； (3) 負(fù)載電阻RL=51歐；(4) 效率大于50%。、三、各部分設(shè)計及原理分析1、電路基本原理：高頻功率轉(zhuǎn)換器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它是將電源供給的直流能力量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出，通信中應(yīng)用的高頻功率放大器，按其工作頻帶的寬窄可以分為窄帶和寬帶。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。通常把集電極電流導(dǎo)通時間相對應(yīng)的角度的一半稱為集電極電流的到通角，當(dāng)導(dǎo)通角等于180，表示管子在整個周期全導(dǎo)通，叫做放大器工作在甲類，當(dāng)其等于90表示管子半

5、個周期內(nèi)導(dǎo)通，叫做放大器工作 在乙類，當(dāng)其小于90表示管子導(dǎo)通不到半個周期，叫做放大器工作在丙類。2、電路原理圖： 丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，所以一般選用臨界狀態(tài)。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。從輸出功率Po>500mw來看，末級功放可采用甲類或丙類功率放大器，但要求總效率 >50%，顯然，只用一級甲類功放是不能達(dá)到目的的，故采用兩級功率放大器，第一級采用甲類功率放大器，第二級采用丙類功率放大器，其中甲類功放選用晶體管3DG1

6、2，丙類功放選擇晶體管3DA1。其參數(shù)的設(shè)定：功放的基極偏置電壓是利用發(fā)射極電流的直流分量在射極電阻上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號為正弦波時，則集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路的選頻作用可輸出基波諧振電壓、電流。當(dāng)功率放大器的電源電壓，基極偏置電壓，輸入電壓（或激勵電壓）確定后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻。當(dāng)交流負(fù)載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和管壓降，集電極電流脈沖接近最大值。有關(guān)高頻變壓器的電感推倒，下面對電路的具體估算有詳細(xì)推算。關(guān)于功率與效率的推算，見后面的參數(shù)計

7、算部分。整個電路的原理圖如圖1.1所示： 圖1.1 2級高頻功率放大器3、設(shè)計過程(相關(guān)數(shù)據(jù)計算及電路工作狀態(tài)的確定)（1）、所需器件：器件類別主要參數(shù)1、晶體管3DG123DA12、電阻各阻值電阻若干3、電容各值電容若干4、高頻磁環(huán)鎳鋅鐵氧體磁環(huán)（NX-100），10mm×6mm×5mm5、漆包線0.31mm6、電源+UCC=12V（2）、丙類功率放大器的設(shè)計確定放大器工作狀態(tài)：因?yàn)橐螳@得的效率>50%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為:=110.25集電極基波電流振幅:0.095A集電極電流最大值為：=0.095/0.

8、436=217.890mA其直流分量為：=*=217.890*0.253=55.126mA電源供給的直流功率PD =Ucc*Ico=661.5mW集電極損耗功率P= PD - PC =161.532.3mW轉(zhuǎn)換效率= PC/PD=500/661.5=75.6%當(dāng)本級增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流=10時，有：輸入功率為：P1=P0/AP=25mW 基極余弦電流最大值為：IBM =ICM /21.78mA 基極基波電流振幅：=21.780.436=9.5mA 輸出電壓的振幅為UBM=2P1/ IB1M 5.3V計算諧振回路和耦合回路參數(shù)丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，

9、其中基極體電阻Rbb<25,則輸入阻抗87.1則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：0.68則這里，我們假設(shè)取N3=2和N1=3若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則100H用10mm×6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，有其中=100H/m , A=, =25mm, L =60H 26丙類放大器為第二級放大，目的是為了提供大功率，因此LC選頻回路是必不可少的，其諧振頻率同樣為6MHz左右，這樣才能選出有用的基波分量，抑制無用的諧波。但考慮到由于是第二級放大，無用的干擾比較大，所以采用部分接入法，來增加電路的Q值，提高選頻回路的選擇性，由于丙類只有載波的正半周且幅度足夠

10、才能使功率管導(dǎo)通，因此應(yīng)選大電容來使波形的恢復(fù)失真最小，如圖6，采取電感部分接入法，計算得出L6=L7=0.5mH，C6=700pF。其中R5來控制放大器的增益，從而控制輸出的功率。效率而本部分效率計算值與實(shí)際值誤差較大，因此估算后主要用通過調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)效率大于70%。L8為高頻扼流圈，C9、C10和C12為旁路電容，由于失真較大，因此需要較大的耦合電容C8=10uF。A=2.5，RL后級等效負(fù)載阻抗，而為前級的等效輸入阻抗。=2.5=6V,式中，丙類放大器的輸入電壓，即前級放大的輸出電壓，而為高頻功率放大器放大后最后輸出電壓,經(jīng)放大后的載波電壓幅值。效率：設(shè)導(dǎo)通角為=，則集電極電壓利用效率設(shè)為

11、90%，則效率=79%。(3)、基極偏置電路參數(shù)計算基極直流偏置電壓(其中U10.6V ) UB=U1-UbM COS -1.1V 則射極電阻RE2=/20 取高頻旁路電容CE2=0.01f根據(jù)上訴條件，可得丙類的放大器的參數(shù)應(yīng)如下所示3、甲類功率放大器的設(shè)計(1)計算電路性能參數(shù)綜上所述，知甲類功率放大器輸出功率等與丙類功放的輸入功率，即：PH=P1=25mW 輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即RH=87.1 設(shè)甲類功率放大器的電路的激勵級電路，如圖1.2(變壓器效率取0.8)圖1.2甲類高頻功率放大器則集電極輸出功率PC=31mW ；若取放大器的靜態(tài)電流ICC=ICM=7mA則集電極電壓振幅

12、UCM=2PC/ ICM=8.9V 最佳負(fù)載電阻為=1.3k則射極直流負(fù)反饋電阻357 (ICM) 則輸出變壓器線圈匝數(shù)比：3本級功放采用3DG12晶體管，取=30 =13dB即20倍放大倍數(shù)則輸入功率Pi=P0/AP=1.55mW，放大器輸入阻抗Ri=Rbb+*R3=25+30R3 若取交流負(fù)反饋電阻R3=10，則Ri=335，本級輸入電壓1V經(jīng)放大后的載波與調(diào)制信號經(jīng)過乘法器MC1596后，可觀察到雙邊帶的調(diào)幅波。其表達(dá)式為：其中,可變電阻RP是用來抑制載波信號的,若要得到雙邊帶調(diào)幅波,在調(diào)制信號為0的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)RP，使輸出端的載波信號電壓值為0V，然后再加上調(diào)制信號，此時輸出的則是抑制

13、載波的雙邊帶調(diào)幅。而標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波的工作原理：調(diào)節(jié)RP，使其不抑制載波信號，在調(diào)制信號為0的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)RP，使輸出端有載波信號電壓輸出，其幅值可根據(jù)需要而自行調(diào)節(jié)，而本電路中，將輸出端的載波信號幅度調(diào)成為6V。然后再加上調(diào)制信號，經(jīng)乘法器后，輸出有載波的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波。其表達(dá)式為：式中的 稱為調(diào)幅系數(shù)，亦稱做調(diào)幅度 。(2)計算靜態(tài)工作點(diǎn)綜上可知Ui=0時，晶體管射極電位Ueq= Icq * RE1 = 2.5V ,Ubo=3.2VIbo=Ico/=0.23mA 若基極偏置電流I1=5Ibo ，則R2= Ubo/5Ibo2.8k有8.25k 經(jīng)過以上計算，將參數(shù)帶如原理圖，即可獲得以下實(shí)現(xiàn)電路中的工

14、作圖：4、分析由以上數(shù)據(jù)可以看出，所設(shè)計的電路基本上滿足技術(shù)指示。但本電路還有一處不足之處，即當(dāng)丙類放大器提供大功率輸出時（效率較高時），輸出的波形不穩(wěn)定，且失真較為嚴(yán)重，而放大電路部分的主要目的是為下一級的調(diào)幅電路提供放大后的高頻載波即可，為了使整體電路功能更加完善，輸出穩(wěn)定，因此，有時需以犧牲效率為代價，使波形失真達(dá)到最小，輸出較為穩(wěn)定，這樣才能使調(diào)制信號的有用信息能夠更準(zhǔn)確更高效的發(fā)送出去。 對效率問題的詳細(xì)分析：丙類功率放大器的基極偏置電壓uBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IEO（ICO）在射極電阻RE2上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號為正弦波時，則集電極的輸

15、出電流ic為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓uc1,電流ic1。其中 為集電極輸出的諧振電壓即基波電壓的振幅；為集電極基波電流振幅；Ro為集電極回路的諧振阻抗。 為集電極輸出功率。為電源Vcc供給的直流功率； ICO為集電極電流脈沖ic的直流分量。最后得到效率：在測試中發(fā)現(xiàn)，由于電路設(shè)計所致，效率79%時，波失真較為嚴(yán)重，因此考慮到電路整體輸出，調(diào)整電路時發(fā)現(xiàn)，不得不將效率降低到70%左右，這也是本電路設(shè)計的一個不足之處，有待改進(jìn)。經(jīng)放大后的載波與調(diào)制信號經(jīng)過乘法器MC1596后，可觀察到雙邊帶的調(diào)幅波。其表達(dá)式為：其中,可變電阻RP是用來抑制載波信號的,若要得到雙邊帶

16、調(diào)幅波,在調(diào)制信號為0的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)RP，使輸出端的載波信號電壓值為0V，然后再加上調(diào)制信號，此時輸出的則是抑制載波的雙邊帶調(diào)幅。而標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波的工作原理：調(diào)節(jié)RP，使其不抑制載波信號，在調(diào)制信號為0的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)RP，使輸出端有載波信號電壓輸出，其幅值可根據(jù)需要而自行調(diào)節(jié)，而本電路中，將輸出端的載波信號幅度調(diào)成為6V。然后再加上調(diào)制信號，經(jīng)乘法器后，輸出有載波的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波。其表達(dá)式為：式中的 稱為調(diào)幅系數(shù)，亦稱做調(diào)幅度 。四、參數(shù)選擇高頻信號發(fā)生器HP8640B （用于產(chǎn)生和輸入高頻信號）超高頻毫伏表DA-30A（用于測量輸入輸入中的高頻信號）跟蹤示波器COS5020（用于觀察各路各級輸出信號

17、的波形，觀察結(jié)果）數(shù)字萬用表（用來測量晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)）晶體管穩(wěn)壓電源（為晶體管和電路提供直流電源）環(huán)形鐵氧體高頻變壓器（放大輸出信號）電容、電感電阻等若干五、總結(jié)高頻功率放大器在通信電子電路中占著十分重要的地位。通過這次實(shí)驗(yàn)，我感覺自己收獲了許多：1高頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，通過本次設(shè)計電路，使我更深刻的認(rèn)識了，高頻功率放大器的工作原理，負(fù)載阻抗、輸入激勵電壓、電源電壓等對高頻諧振功率放大器工作狀態(tài)的影響2復(fù)習(xí)了對高頻功率放大器的設(shè)計方法，并且對高頻諧振功率放大器的調(diào)諧、調(diào)整和主要技術(shù)指標(biāo)的測量方法有了新的認(rèn)識，使我受益匪淺。3 這次實(shí)驗(yàn)也鍛煉了我獨(dú)立思考的能力，由于參數(shù)的計算

18、有點(diǎn)復(fù)雜，需要自己獨(dú)立思考各個參數(shù)的意義和各個參數(shù)之間的聯(lián)系，這就要我在設(shè)計過程中必須認(rèn)真思考，還不能馬虎，否則，算出來的可能就是錯誤答案。而參數(shù)不對，也將會直接影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。六、心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng) 綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次的高頻的課設(shè)，加深了對電子電路知識的理解，并鍛煉了實(shí)踐動手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計能力和基本調(diào)試能力，能夠正確的使用實(shí)驗(yàn)儀器。回顧起此次高頻課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，樂意說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很

19、多很多的東西，同時不僅可以鞏固以前所學(xué)過得知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到的知識。通過這次課程設(shè)計是我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)踐動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固。這次試驗(yàn)也鍛煉了我獨(dú)立思考的能力，由于參數(shù)的計算有點(diǎn)復(fù)雜，需要自己獨(dú)立思考各個參數(shù)的意義和各個參數(shù)之間的聯(lián)系，這就要我在設(shè)計過程中必須認(rèn)真思考，還不能馬虎，否則，算出來的可能就是錯誤答案。而參數(shù)不對，也將會直接影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了人類的生活。作為新世紀(jì)的大學(xué)生