高频功率放大器的设计

高频设计

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

2011年 3月 4日

高频设计

东北石油大学课程设计任务书

课程 高频电子线路 题目 高频功率放大器的设计 专业

电子信息工程 姓名 学号 07

主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容

利用所学的高频电路知识，设计一个高频功率放大器。通过本次电路设计，掌握高频谐振功率放大器的设计方法、电路调谐及测试技术。加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。 2、基本要求

设计一个高频功率放大器，主要技术指标为： (1) 工作中心频率f0 6.5MHz； (2) 输出功率PA 100mW； (3) 负载电阻RL 75 ； (4) 效率 60%。 3、主要参考资料

[1] 阳昌汉。 高频电子线路。 哈尔滨：高等教育出版社，2006。

[2] 张肃文，陆兆雄。 高频电子线路(第三版)。 北京：高等教育出版社，1993。 [3] 谢自美。 电子线路设计·实验·测试。 武汉：华中科技大学出版社，2000。 [4] 高吉祥。 电子技术基础实验与课程设计。 北京：电子工业出版社，2002。

完成期限 2月28日-3月4日 指导教师 专业负责人

2011 年 2 月 25 日

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一、电路原理

1．电路原理及用途

在通信电路中，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功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。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没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。

高频功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。根据放大器电流导通角 的范围，电流导通角 越小，放大器的效率 越高。基于这一特点，高频功率放大器一般都工作在丙类状态。

表1 不同工作状态时放大器的特点

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2．主要技术指标

高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。本次课程设计的主要技术指标要求如下： (1) 工作中心频率f0 6.5MHz； (2) 输出功率PA 100mW； (3) 负载电阻RL 75 ； (4) 效率 60%。

二、设计步骤和调试过程

1、总体设计电路

图1 总体设计框图

丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，所以一般选用临界状态。在晶体管功率放大器中，可以通过改变激励电压、基极偏压、集电极负载、集电极直流供电电压来改变放大器的工作状态。

从输出功率Po>100mw来看，末级功放可采用甲类或丙类功率放大器，但要求总效率η>60%，显然，只用一级甲类功放是不能达到目的的，故采用两级功率放大器，第一级采用甲类功率放大器，第二级采用丙类功率放大器，其中甲类功放选用晶体管3DG12，丙类功放选择晶体管3DA1。

功放的基极偏置电压 UBE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上

'Ui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L2C2的选频作用可输出基波谐振电压UC!、电流iC1。

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(1)负载特性：

当功率放大器的电源电压 UCC，基极偏置电压Ub，输入电压（或激励电压）Ubm

确定后，如果电流导通角θ选定，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Rq。

当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和管压降UCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。

(2)高频变压器的电感

有关高频变压器的电感推倒，下面对电路的具体估算有详细推算。 (3)功率与效率

关于功率与效率的推算，见后面的参数计算部分。 整个电路的原理图如图2所示：

-12V

图2 高频功率放大器电路原理图

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2、电路工作状态或元件参数的确定

（1）所需器件：

表2 元件类别及参数

（2）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 >60%，放大器的工作状态采用

(UCC UCES)2临界状态，取 =70°，所以谐振回路的最佳电阻为:R0 =551.25Ω

2P0

集电极基波电流振幅:Ic1m 集电极电流最大值为：Icm

2P0

Ic1m

R0≈0.019A

=0.019/0.436=43.578mA

1(70 )

其直流分量为：ICO=Icm* 0(70 )=43.578*0.253=11.025mA 电源供给的直流功率PD =Ucc*Ico=132.3mW 集电极损耗功率P’= PD - PC =32.3mW 转换效率η= PC/PD=100/132.3=75.6%

当本级增益A =13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时： 输入功率为：P1=P0/AP=5mW

基极余弦电流最大值为：IBM =ICM /β≈4.36mA

基极基波电流振幅：IB1M IBM 1(70 )=4.36 0.436=1.9mA 所以输出电压的振幅为UBM=2P1/ IB1M ≈5.3V

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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，其中基极体电阻Rbb<25Ω， 则输入阻抗Z1

Rbb25

≈87.1Ω

(1 cos ) 1( )(1 cos70 ) 0.436

则输出变压器线圈匝数比为：

N3

N1RL

≈0.37 R0

则这里，我们假设取N3=3和N1=8

若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则L 用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，

2(A)cm2

所以有L 4 ( ) N2 10 3

(l)cm

112 ()≈60μH C2 f0

其中μ=100H/m ， A=10mm2， l=25mm， L =60μH 所以N2≈20

③ 基极偏置电路参数计算

基极直流偏置电压(其中U1≈0.6V ) UB=U1-UbM COSθ≈ -1.1V 则射极电阻RE2=B/ICO≈100Ω 取高频旁路电容CE2=0.01μf

（3）甲类功率放 …… 此处隐藏：3543字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……