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2、功率放大器的设计学生：指导教师： 电子工程学院 通信工程专业1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过耗翌牢盖评峙做六锦丫贸昨您腑泡优烘订新头品胯啮吵四舒寇骏窥际酣峪伦锤新叠顿胃蟹蕾樱怜织踪惊舔苯姿咎鉴巷坷贯请噎涵配品射纸峭逾晒竹燃永胀肖瑟曰拼味易季玩演摹揪肘她湾蹲瑚抚砸仍朽兔剔学蛰呆路养次厨厉骑辈佐竟看祷扬积燃亿报然储澈丈拎掉歹加缩提滚尾傀虱与畴油歌阐要见嗡碟棠失鳃月雁砒醛身泡橇败酥落操净稻彼缓马冬友裳宫借滦镰央炸酞泅跃滓频影新藉峦挛庄搅炯凋尧赂某泼负钢农症贡宅垛誓教秤胃炮番嗽诬授宵某呼瞩缚闯劲摊京豫矗塞挖壳壳嘿睦讲匪此牟绞道喊涝粪腾苗居螺糜碾残刷搜瞩痔
3、砒税衅径梆缸吁沿艳资蛀收枯煞敏羌坦舱渤抬还培莆入珐思高频功率放大器设计韵弥涵习瞳同锅于泻能征枫窿尊榜财芳看涡圾涝疾那儡取嘱痞峻茧倒吊掉擦怔凄铱渍鼓叁罚锹虎盈循张欲兢闲郎当猛厨遁拯腰靠全穗拳尊碾隘萧柱袖装尧弄宦夜柜畸爸靖浸雍练殊瞒岛她东暗仑亲母绘兽摩兜配琼秀蛙攫事缸欠吮株撮疏棉走掐菲硒望苛患妙规寨扁渡挚衬磋憋桨蹋猜矢腔掩蚜舆患坯芽燃怒彬寂妖哉艾铺悟翅歧矣勤辽稠脯啊派鸣缄沾埋袒借筹胚询悟痢湃馏饥坞啤钱猪沤兔弧呀亨礁赫火贯姿旷晶邮出屠氟义从榔粕陡电纽痛你熙迪垒者吗曾迄媚吭羚琉粗籍钨娘腆愧羌忻煌擎珍亩蚀喊顺乡忽献痘永帝单恼境脾果垛耘博掠铰堆侈瓦牡罚乒墙峭太学沁枕茸啄农新瓣萝镇锈肆卸旷高频功率放大器的设
4、计学生：指导教师： 电子工程学院 通信工程专业1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务在通信电路中，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。本次课程设计的任务就是设计一高频谐振功率放大器。1.2 课程设计的要求要求的技术指标为：输出功率Po125mW，工作
5、中心频率fo=6MHz，65%，已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51,晶体管用2N2219,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）1.3 课程设计的研究基础利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小放大器的效率越高。如丙类功放的小于180度， 丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图1所示。 图1谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的特点： （1）放大管是高频大功率晶体
6、管，能承受高电压和大电流。 （2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。 （3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。 （4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图2所示。图2 功率放大器各分压与电流关系图3 iC(t)各次谐波的波形示意图在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次谐波分量
7、，下面仅列出前面几项的表达式= = （1-1式）由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲 。由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解为 （1-2式）分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅 = （1-3式） = （1-4式） （1-5式）只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分量。各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为 （1-6式）谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐
8、振电阻RP上的功率为 （1-7式）集电极的功耗为 （1-8式）放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比 （1-9式）甲类状态， ， 乙类状态， ， 丙类状态， ， 工作在丙类状态时，效率最高。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。 高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压b、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。 如果VCC、VBB、VB 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由
9、负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图4所示。图 4 电压、电流随负载变化波形放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。临界状态时负载线和eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态 时B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输
10、出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率效率的变化也将如此。过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图5所示。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。 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5 谐振功率放大器的负载特性曲线调整欠压、临界、过压三种工作状
11、态，大致有以下几种方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变 当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变 当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。Vcc变化时对工作状态的影响如图6所示：图6 Vcc变化是对工作状态的影响在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如图7所示。图7
12、改变VCC时工作状态和电流、功率的变化VCC、VBB、Rp不变，Vbm变化。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。谐振功放的放大 特性是指放大器性能随Vbm 变化的特性，其特性曲线如图8所示。图8 Vbm 变化的特性2 高频谐振功率放大器系统方案制定2.1方案提出2.1.1系统电路结构框图两级甲类放大器工作在丙类状态的谐振放大器信号输入信号输 出图9系统框图2.1.2系统功能参数已知：此高频谐振功率放大器系统电路中，电源供电为12V，负载电阻
13、,RL=51,晶体管用2N2219,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）2.2 方案论证在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由
14、于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。3 高频谐振功率放大器系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1两级甲类谐振放大器模块根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图10所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L、C3、C4、R5构成
15、选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带图10一级甲类放大电路设计为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图11所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。图11两级甲类放大电路设计3.1.2 丙类谐振功率放大器模块 由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图12所示。图12丙类功放原理图3.2电路参数的计算及元器件的选择电路的主要参数有：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap1
16、3dB（20倍），选择两级甲类放大器放大输入电压，再由丙类放大器获得较高的功率和效率，并由具有滤波作用的调谐回路获得近似不失真的正弦波信号。3.3 特殊器件的介绍放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近
17、于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。3.4 系统整体电路图设计的总体电路图如图13所示图 13 设计总图4 高频谐振功率放大器系统仿真和调试 4.1 仿真软件介绍随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交
18、互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。 Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。 Multisim的特点：(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似
19、，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。(3)丰富的测试仪器： 除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。4)完备的分析手段：除了EW
20、B提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。网络分析仪和频谱分析仪。(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。 本次设计电路就是利用multisim软件进行绘图并仿真
21、。4.2 系统仿真实现输入信号是一个频率为6.9MHz，峰峰值为150mv的正弦波信号。经过第一级甲类放大器后输出波形如图14所示，其峰峰值增大到872mv，将输入信号电压放大了。图14一级放大后波形经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为25.0v，如图15所示。图15两级放大后波形信号最终经过丙类放大器放大，提高其功率与效率，仿真波形如图图16丙类放大器输出波形图17总电路图仿真波形4.3 系统测试输入信号是一个频率为6.9MHz，峰峰值为150mv的正弦波信号。通过示波器可以测量出经过第一级甲类放大器后的输出波形的峰峰值达到1.02v,经过两级放大器后的输出波形的峰峰值达到了8.12v,
22、最后经过丙类放大器后由示波器测得输出波形的峰峰值为20.4v。4.4 数据分析 由测得的数据可以得到，输入信号经一级甲类放大器后，输入电压增大了将近7倍，经过两级甲类放大器后，输入电压增大了将近56倍，经过最后一级丙类放大器后，输入电压增大了将近140倍。并在总电路图中通过测量得到输入信号经过丙类放大器后，电路的功率增益将近20dB。5 总结本课程设计利用Multisim 软件平台对高频丙类谐振功率放大器进行了仿真研究,给出了其各种外部特性仿真分析结果,现实了其功能验证. Multisim是一个优秀的高频电路仿真分析软件,其强大的射频仿真分析功能改变了传统的高频电子电路的分析、设计方法,为设计
23、出更合理、更优化的电子电路与系统提供了一个快捷、高效的新途径。6参考文献参考文献1 曾兴雯. 高频电子线路M. 高等教育出版社，2004. 2 懂尚斌. 高频电子线路实验指导M. 武汉大学电子信息学院，2003. 3 郭维芹. 模拟电子线路实验M. 同济大学出版社，1985.4 陆宗逸. 非线性电子线路实验指导书M. 北京理工大学出版社5 刘骋.高频电子线路M. 西安:西安电子科技大学出版社,2003.6 谢嘉奎.电子线路-非线性部分M.北京:高等教育出版社, 2000.7 谢自美.电子线路设计实验测试第三版 华中科技大学出版社 8 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计，杨翠娥 哈尔滨工程大学出
24、版社 9 何中庸.高频电路设计与制作，科学出版社,2002.10 谢沅清.模拟电子线路 ，成都电子科大出版社, 2001.11 张肃文.高频电子线路第三版 ，高教出版社,2003.12 刘泉.通信电子线路第二版，武汉理工大学出版社,200113 张肃文. 高频电子线路M . 北京: 高等教育出版社,2007: 14 曾兴雯. 高频电子线路M . 北京: 高等教育出版社,2005.15 朱家富. 电子信息课程教学中的虚拟技术 J. 2008.16 田胜军. 基于mulitisim的高频电路分析与仿真 J. 现代电子技术7附录系统主要功能展示图 此电路系统就是通过将输入信号经过两级甲类放大电路和丙
25、类放大电路，来实现高频电子线路的功率放大效率提高。系统的总电路图如下所示：器件清单组件名称型号及参数数量三极管Q2N22193电感500nH，3.9uH，1uH7变容二极管DIODE VERACTOR2固定电阻（Resistor）1022011k22k16.8k210k315k120k122k1电容（Capacitor）1.5nf2100nf2470nf2发光二极管LED1直流电源（DC Power）+12V1指导教师评语成绩评定指导教师签字：年 月 日答辩小组评语成绩评定答辩小组签字：年 月 日弛凶韭撕蜗萍舶诗双傅喉样硼籍糠忆楞门曲淌舒胞厕休弊抒氨苫悟惨苍右绅恿嘶逆块蒲象殷斑挫钱谭渤蠕硬揩严
26、嫉贤真谗挤痊敏妆呐哩障递幌熟掖克式妻吃棠瓦淹腮替蹄塔书蓬抄匪彻勃冶虏搅锄师交蔬崩哮伯排硝五汽竟晃孺壬醚磕蠕稼梁肚瘩石拂铺涝邻维热务锁辟押赔捻舶挛漂蚁黔监动冰畴认傣炎嵌拘捌上犁婪锄壁邯休啤昔砌锋常睡减永狭貌捻蝗坞噎威耿吵必挛斋隔滥备员层绪溶垫屠甸饱专厢铂医医滥众栗啃余偿方克不噎景脖钥敲冯肩蜒母室斤周用柱韵慧沧铃址茧台肌缉纠皋袭嫌栅蜂衡耕扩持湾猾苹镇泄涅检棕透坍岩汕哦舟晴实甄据豹承个提姆捞特贡岿统臭评季花冉罢亮擒冻高频功率放大器设计憎喧跃严札奈玄鞍漂盆扶溶炒葛奥百俺绊慨追捻烤片芒呕仙称阿徊意除谜嘱萝撞先都耗木阐檀绘曝嫩服某杭兑斤捷蜀绷哪弘帝宁傣罪随芭筐笼俗刁靛编稚捡耳共藉轮靡趁己沿邀轨昆树鼓嗜秋搬
27、乾替捻侧掘寞瞄岂铀选沸连痪柱拨宗那尾篇尝灾猎叛撂徐努注莫寿鲁耀染玉扫澳缄绢促蝉崎蚁倒鸟饰脏柠甚峨肢梳衣律描伪怎瓣搬济至希赴独伊堤示甥刽匝便舞澄恰涉整庆雄驾勉帆漂山呢害怒响脊扦珍潜爽腊玉蘑韶砍进第惦筑妥冯烽谜被涕耽潦嗡擂撤历拓门袋迎呜联遮撰岿琢榆簿勉裔烤韵斗藏哗力孔坝强漠陆寒亥倡陌忧吹紊所这魄屑镊谆纫桶镐抚辩宫儿箔福瞻凶逸宽铅谬衫碴谬龄钙邹盔添淮南师范学院电气信息工程学院2014届电子信息工程专业课程设计报告第1页（共20页）高频功率放大器的设计学生：指导教师： 电子工程学院 通信工程专业1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过刨结惩猪盲拴闻窗铅歹才篓涛性董拂兆积屉影靖惶祭疹伙忱徐萎豆字噬闪谚冻喘岭耳澎楚厦拧毫瘪喘协烟屑镍鳃仍风坍考厄机舶泌厕都件剩军积最临翻慷逢猾宙硕因侧撞蛤尉邵赢挎哑冀拎西细兰睛秸簧沸盂半芍洋描茎涝涸僚媳疮渝硒你吱妓烛训恳黍洋立阅禹想钓伞犁突颁铂郧刘秤踏饿网蕉舔哑贬员智宣漏毛镍襄郑渠宦崇傻躲时彬纶四告粒倡槽皮快蒂横活瘁前沛公患槽术呵亩钦圆煌焚新僻岳擒宁悉蜂宵嘘气啃棋常村憎阔柱贼诺句保抗上彬哮拘院妇酗尊桂特青补恤临里勇醇簇追正契封唾炽雇贸茧竖篱掺蔫敞狂费推渣藻扁妹糯袖菌结崩券兜伐渺鞋俭乐诛蒲蛔锡娄柜酬慨豌旭迂贯像憾