高頻功率放大器的設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 姜正姜正 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 通信工程通信工程 07040704 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 張曉梅張曉梅 工作單位：工作單位： 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 題題 目目: : 高頻功率放大器設(shè)計高頻功率放大器設(shè)計初始條件：初始條件：1、可選元件：晶體管、高頻磁環(huán)、電阻、電容、開關(guān)等2、仿真軟件：Mulitisim要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : 設(shè)計一個高頻功率放大器，要求1. 輸出功率 Po125mW2. 工作中心頻率 fo=6MHz3.65%時間安排：時間安排：1理論講解，老師布置課程設(shè)計題目，學(xué)生根據(jù)選題開始查找資料；2課程設(shè)計時間為

2、 1 周。 （1）確定技術(shù)方案、電路，并進行分析計算， 時間 1 天； （2）選擇元器件、安裝與調(diào)試，或仿真設(shè)計與分析，時間 2 天； （3）總結(jié)結(jié)果，寫出課程設(shè)計報告，時間 2 天。指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師簽名： 20102010 年年 月月 日日系主任（或責(zé)任教師）簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年年 月月 日日目錄目錄摘要摘要 .IIABSTRACT.II1 諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理 .31.1 基本原理電路.31.2 高頻諧振功率放大器的電路組成.3集電極電流余弦脈沖分解.4高頻諧振功率放大器的性能分析.71.4.1 諧振功率放大器的動態(tài)特性.71.4.2 諧振

3、功率放大器的負載特性.71.4.3 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整.92 具體設(shè)計過程具體設(shè)計過程 .10電路元件參數(shù)計算.11基極偏置電路計算.11計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù).11電源去耦濾波元件選擇.122.2 諧振功率放大器的功率和效率關(guān)系協(xié)調(diào).123 高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析 .13仿真結(jié)果.13第一放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形.13第二放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形.14第三放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形.14仿真結(jié)果分析.15總結(jié)總結(jié) .16參考文獻參考文獻 .17附錄附錄 .18摘要通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機

4、具有較大的功率輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大。為獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。我們對高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同要求是輸出功率大和效率高，但由于兩者的工作頻率和相對帶寬相差頗大，就決定了他們之間有根本的差異。基于兩種放大器的不同特點，使得這兩種功率放大器所選的狀態(tài)有所不同：低頻功放工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)，現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些工作于丁類的低頻放大器；高頻功率放大器則一般工作于丙類（某些特殊情況可工作于甲類、乙類、丁類、戊類等） 。高頻放大器的主要技術(shù)指標是輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制等。這幾項指標往往是相互矛盾的，在設(shè)計功率放大器時

5、，總是根據(jù)該放大器的工作特點，突出其中一些指標，然后兼顧另外一些指標。AbstractIn communication circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output, communication, the greater the distance the greater the required output power. In order to obtai

6、n a large enough high-frequency output power, high-frequency power amplifier must be used. Our high-frequency power amplifier and low-frequency power amplifier output power of the common requirement is large and high efficiency, but because of the work of both frequency and relative bandwidth vary c

7、onsiderably, we decided there is a fundamental difference between them. Based on two different characteristics of the amplifier, making the status of these two different from the selected power amplifier: low-frequency power amplifier works in Category A, and B or Class B (limited to push-pull circu

8、it) state, and now there have been some work on the small Class of low-frequency amplifiers; high-frequency power amplifiers are generally working in a Class C (in some special cases can work on the A, B, D, E, etc.). The main technical indicators of high-frequency amplifier is the output power, eff

9、iciency, power gain, bandwidth and harmonic suppression and so on. The above targets, often contradictory, and in the design of power amplifiers, it always work according to the amplifier characteristics, highlighting some of the indicators, and then take into account some other indicators. 1 諧振功率放大

10、器的工作原理諧振功率放大器的工作原理由于高頻功率放大器通常工作于丙類，因此不能用線性等效電路來分析。對他們的分析方法通常采用折線近似分析法。1.1 基本原理電路圖 1.1 諧振功率放大器的基本電路圖 1.1 是高頻諧振功率放大器的基本原理圖。晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用。諧振回路 LC 是晶體管的負載.電路工作在丙類工作狀態(tài)外部電路關(guān)系式： （式 1.1）tVVebmBBbcos （式 1.2）tVVecmCCccos晶體管的內(nèi)部特性： （式 1.3）)(BZbccVegi圖 1.2 諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線故晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線表達式：Vbmco

11、sc= +VBZ （式 1.4）BBV故得： （式 1.5）bmBZBBcVVVcos必須強調(diào)指出，集電極電流雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，ci仍然能得到正弦波形的輸出。諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖如圖所示：圖 1.3 高頻功率放大器中個分電壓與電流的關(guān)系 高頻諧振功率放大器的電路組成高頻諧振功率放大器的電路組成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 Po500m

12、w 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 3DG12，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BEU是利用發(fā)射極電流的直流分量0EI在射極電阻2ER上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當放大器的輸入信號iU為正弦波時，則集電極的輸出電流ci為余弦脈沖波。利用諧振回路22CL的選頻作用可輸出基波諧振電壓!CU、電流1Ci。當功率放大器的電源電壓，基極偏置電壓，輸入電壓（或激勵電CCUbU壓）確定后，如果電流

13、導(dǎo)通角 選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電bmU極回路的等效負載電阻。qR當交流負載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點 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。CESUcmI參閱圖 1.4，一個尖頂余弦脈沖主要由脈沖高度和通角這兩個參量完全確定。因此maxcic得先確定和的公式，然后對脈沖進行分解。maxcic尖頂余弦脈沖將式（1.1）代入晶體管內(nèi)部特性方程的表達式（1.3） ，得： （式 1.6）(cos)ccBBbmBZigVVtV當=時=0，代入上式得：tcci （式 1.7）0(cos)cBBbmBZgVVtV即 （式 1.8）cosBBBZcbmVV

14、V因此知道了與的值，的值就完全確定了。BBVBZVbmVc將式（）與式（）相減，即得： （式 1.9）(coscos)ccbmcig Vt當=0 時，=，因此tcimaxci （式 1.10）max(coscos)cccigt當跨導(dǎo)激勵電壓與通角已知后，將式（）與式（）相除，即得cgbmVcmaxcoscos1 coscccciti或 （式 1.11）maxcoscos1 coscccctii式（）即為尖頂余弦脈沖的解析式，它脈沖高度與通角。將上式用傅里maxcic葉級數(shù)展開分解為平均分量基波分量和各次諧波分量，即：（式 1.12）012coscos2coscccmcmcmniIItItIn

15、t （式 1.13）0max0()cccIi 式中稱為平均分量電流分解系數(shù)?；ǚ至空穹?sincos()(1 cos)ccccc 為： （式1max1()cmccIi 1.14）式中，稱為基波電流分解系數(shù)。n 次諧波分量振幅12sin2()2 (1 cos)cccc 為： （式max()cmncncIi 1.15）式中，稱為 n 次諧波電流分解系數(shù)。22sincos2 cossin()(1 cos) (1)ccccnccnnnn n 等與的關(guān)系見圖。01nc圖由上圖可看出，當?shù)淖畲笾禐?0.536，約為。此時達到最1()c co1201maxcmcIi大值。因此，在與負載阻抗為某定值的情況下

16、，輸出功率maxcipR將達到最大值。這樣看來，可能=是最佳通角了。但事實2Ocm1p1P =IR2co120上，這時放大器工作在甲乙類狀態(tài)，集電極效率太低。 （式 1.16）Oc1=P1=gP2c（）將式中集電極電壓利用系數(shù)，定義為波形系數(shù)。因cmccVV110()g()ccc （）為對高頻功率放大器的基本要求是,盡可能輸出大功率、高效率，為兼顧兩者，通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài)，其電流流通角在范圍。c060090高頻諧振功率放大器的性能分析高頻諧振功率放大器的性能分析.1 諧振功率放大器的動態(tài)特性諧振功率放大器的動態(tài)特性高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗 Rp、激勵電壓 vb、供電電壓 V

17、CC、VBB等 4 個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。當放大器工作于諧振狀態(tài)時，它的外部電路關(guān)系式為： （式）be BBbmVV coswt （式）cCCe VcmV cos t消去可得： cos t （式）CCbBBbmcmVeVVVce 另一方面，晶體管的折線化方程為： （式）()ccbbzig eV得出在 icec坐標平面上的動態(tài)特性曲線方程：BZcmcCCbmBBccVVeVVVg)(i (式）bmcmBBcmBZCCbmccmbmcVVVVVVVeVVg.2 諧振功率放大器的負載特性諧振功率放大器的

18、負載特性圖 電壓、電流隨負載變化波形如果、3 個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻 RpCCVBBVbV決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨 Rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。1) vc、ic隨負載變化的波形vc、ic隨負載變化的波形如圖所示，放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbemax，在負載電阻 RP由小至大變化時，負載線的斜率由小變大，如圖中 123。不同的負載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的 ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。2) 欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài) 臨界狀態(tài)。負載線和eb max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線

19、狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。欠壓狀態(tài)。B 點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負載電阻 RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。 過壓狀態(tài)。放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載 Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特性曲線：圖 負載特性曲線 欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較

20、大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。臨界狀態(tài)的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機的末級常設(shè)計成這種狀態(tài)，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態(tài)為例。 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整放大器工作狀態(tài)的調(diào)整調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負載 Rp；改變供電電壓 VCC；改變偏壓 VBB；改變激勵 Vb。1) 改變 Rp，但 Vb、VCC、VBB不變 當負載電阻 Rp由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。2) 改變 VCC，但 Rp、

21、Vb、VBB不變 當集電極供電電壓 VCC由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨 VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨 VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。在過壓區(qū)中輸出電壓隨 VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實現(xiàn)提供依據(jù)；因為在集電極調(diào)幅電路中是依靠改變 VCC來實現(xiàn)調(diào)幅過程的。集電極調(diào)幅電路就是調(diào)制信號使 Vcc 改變的調(diào)制方式。因此，集電極調(diào)幅要工作在過壓區(qū)。3) VCC、VBB、Rp不變，Vbm變化。當 Vbm自 0 向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過

22、壓狀態(tài)。因此，在欠壓區(qū)可以實現(xiàn)線性放大，在過壓區(qū)則可作為限幅器。諧振功放的放大特性是指放大器性能隨 Vbm 變化的特性。2 具體設(shè)計過程具體設(shè)計過程圖 1.8 是設(shè)計的總電路圖，電源為單電源+12V,前面兩級為高頻小信號諧振放大器，最后一級為高頻諧振功率放大器。電路參數(shù)計算主要以計算第三級參數(shù)為主。圖基極偏置電路計算基極偏置電路計算因 則有 ：cosEZcBmVVV （式）0cos5.3cos701.1EbmcZVVVV因 則有 ：ECOEVIR （式）3/1.1/(54 10 )20EEcoRVI取高頻旁路電容pfCE01. 02計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)計算諧振回路與耦合線圈的參數(shù)圖 L

23、 型匹配網(wǎng)絡(luò)輸出采用 L 型匹配網(wǎng)路， （ 式）110 ,51pLRR （式）2(1)pLLRQR （式）110111.07651pLLRQR （式）20SLLLQR （式） 2601.076 511.4626 10LLSQ RLHH （式）2211(1)(1) 1.462.72 H1.076pSLLLQ則 （式） 222261125944 3.1462.72 10PCpFpFf L匹配網(wǎng)路的電感 L 為，電容 C 為。1.46 H259pF2 電源去耦濾波元件選擇電源去耦濾波元件選擇高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用 型 LC 低通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗取50100H，濾波電容一般取 0.

24、01F。2.2 諧振功率放大器的功率和效率關(guān)系協(xié)調(diào)諧振功率放大器的功率和效率關(guān)系協(xié)調(diào) 功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈ァＳ幸徊糠止β室詿崮艿男问较脑诩姌O上，成為集電極耗散功率。PDC=直流電源供給的直流功率；Po=交流輸出信號功率；Pc=集電極耗散功率；根據(jù)能量守衡定理：PDC= Po+ Pc故集電極效率： （式）cooDCocPPPPP由上式可以得出以下兩點結(jié)論：1) 設(shè)法盡量降低集電極耗散功率 Pc，則集電極效率c自然會提高。這樣，在給定 PDC時，晶體管的交流輸出功率 Po就會增大；2） 由式可知：ccco

25、PP1 如果維持晶體管的集電極耗散功率 Pc不超過規(guī)定值，那么提高集電極效率c，將使交流輸出功率 Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。越大(即 Vcm越大或 ecmin越小),c越小,效率c越高。因此，丙類諧振功率放大器提高效率c的途徑即為減小c角；使 LC 回路諧振在信號的基頻上，即 ic的最大值應(yīng)對應(yīng) ec的最小值。故諧振功率放大器是基極偏置為零偏壓；半通角c90，即丙類工作狀態(tài)；負載為 LC 諧振回路。3 高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析高頻諧振功率放大器電路仿真及結(jié)果分析將上述設(shè)計的元件參數(shù)，按圖所示電路繪制仿真電路圖。輸入信號為為 100mV 的

26、頻率為正弦信號。ppV.1 第一放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形第一放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形繪制第一級放大器，測量調(diào)整其靜態(tài)工作點，使其滿足或近似到理論設(shè)計值。測得靜態(tài)工作點各點電壓如下表：測量點bVcVeV電壓值（V）第一級輸出波形如下圖（圖 3.1）3.第二放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形第二放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形繪制第二級放大器，測量調(diào)整其靜態(tài)工作點，使其滿足或近似到理論設(shè)計值。測得靜態(tài)工作點各點電壓如下表：測量點bVcVeV電壓值（V）0.954表級靜態(tài)工作電壓第二級輸出波形如下圖（圖 3.2）第二級輸出波形3.第三放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形第三放大級并測量所需參數(shù)和輸出波形繪制第三級放大器，測量調(diào)整其靜態(tài)工作點，使其滿足或近似到理論設(shè)計值。測得靜態(tài)工作點各點電壓如下表：測量點bVcVeV電壓值（V）00表級靜態(tài)工作電壓第三級輸出波形如下圖（圖 3.3）和值滿足和0.7V 的關(guān)系，因此bVeVcVcVbVeVbVeV和bVeV值滿足12V（電源電壓）0 的關(guān)系，因此第三級晶體管cVcVbVeV工作在丙類。圖 3.2 和圖 3.3 所示。第一級對輸入電壓信號約放大 3 倍；第 2 級對輸入電壓信號約放大