通信电子线路课程设计功率放大器.doc

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1、高频电子线路课程设计说明书 高频功率放大器 院、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 汤生平 指导教师： 张松华 职称 副教授 专 业： 通信工程 班 级： 通信1103班 完成时间： 2013年12月15日 摘 要 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，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。在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，就要采用高频功率放大器。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。 本课程设计的高频功率放大器电路由两极功率放大器组成，第一级为甲类功率放大器，第二

2、级为丙类谐振功率放大器。分别对甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计，通过给定的技术指标要求确定甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计的工作状态和计算出电路中各器件参数，从而设计出完整高频功率放大器电路，再利用电子设计软件multisim对电路仿真。通过仿真结果分析电路特性 ,使电路得到进一步完善。报告中首先给出设计目标和电路功能分析，然后讨论各级电路具体设计和原理图，后给出了实际搭建电路测试的数据及分析，最后总结实验并给出了PCB 绘图。关键词：高频功率放大器；甲类功放；丙类功放；选频回路ABSTRACT High frequency power amplifier is one of th

3、e important components of transmission equipment, communications circuits, in order to compensate for signal transmission in the wireless transmitter in the attenuation requirements have greater power output, communication distance, the greater the required output power. In the high-frequency range,

4、 in order to obtain a large enough frequency output power, we must use high-frequency power amplifier. Due to the high frequency power amplifier high frequency, relatively narrow band, so commonly used frequency-selective network as a load circuit. The curriculum design of high frequency power ampli

5、fier circuit by bipolar power amplifier, the first class is class a power amplifier, second class C class tuned power amplifier. On class a power amplifier and C class tuned power amplifier design, through the given technical requirements to determine the class a power amplifier and a C class tuned

6、power amplifier design working state and calculate circuit in the device parameters, and design integrity of high frequency power amplifier circuit, and the use of Electronic Design Software Multisim for circuit simulation. Through the analysis of simulation results of circuit characteristics, so th

7、at the circuit has been further improved. The report first gives the design goal and function of circuit analysis, and then discuss the various circuit design and schematics, gives the actual circuit structures test data and analysis, finally summarizes experimental and gives the PCB drawing.Key wor

8、ds: high frequency power amplifier; class a power amplifier;class c power amplifier;frequency selective network; 目 录1 设计任务及要求和工作原理说明41.1 设计任务及要求41.2 设计课题总体方案思路介绍及工作原理说明42 电路各模块功能介绍及参数的确定72.1设计课题的参数选择72.2设计课题的硬件系统各模块功能简要介绍102.3设计课题的仿真图、PCB图123 电路的仿真与实物调试133.1 电路的仿真133.2实物电路调试结果143.3电路的仿真分析153.4实物电路调试

9、分析153.5误差分析164 结束语17致 谢18参考文献19附录A 实物图20附录B 元器件清单211 设计任务及要求和工作原理说明1.1 设计任务及要求 1)输出功率 2)工作中心频率 3) 4)负载电阻 5)晶体管用3DG130,其主要参数： ,1.2 设计课题总体方案思路介绍及工作原理说明1.2.1 设计课题总体方案思路介绍 功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出,以提高发射信号能量 ,便于接收机接收的电路 ,因而要求输出功率大 ,效率高 ,同时 ,输出中的谐波分量应该尽量小 ,以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同 ,功率放大器分为甲类、 乙类、 丙类等 ,电路由馈

10、电电路、 输入匹配、 输出匹配及级间耦合 4部分组成。其中，回路的滤波作用，就是把我们所需要的放大后的基波信号选出来，把不需要的谐波抑制掉。我们知道，工作于乙类或丙类的放大器，其Ic为一脉冲，其中除含直流分量、基波分量外，还有谐波分量。如果负载是个电阻，它决不能把其中的基波分量选出来。但在LC的并联谐振回路中，由于线圈的电阻很小，可以认为对直流是短路的。对基波来说，当谐振时，回路的等效阻抗是一个数值较大的纯电阻。对于n次谐波，回路严重失谐，故回路对n次谐波呈现的阻抗与基波相比可以忽略不计。既然输入信号是正弦电压，故通过LC回路的电流必然也是正弦电流。由此得出结论：由于并联LC回路的谐振特性起着

11、滤波作用，尽管板流是脉冲形式的，但回路电流和回路两端的电压仍然是正弦形式的。 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（或信号失真度）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。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。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，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。1.2.2 功率放大器的工作原理说明高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功

12、率放大的电路。利用选频网络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要的技术攻关项目。特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标。如图1.2所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1为隔直流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。其中天线等效阻抗，作为输出负载。与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。图1.2.1 高频功放基本原理图1.2.3 Protel工作原理图图1.2.

13、2 高频功率放大器Protel图 NPN型高压晶体管 2N5551作为放大管 ,三极管Q1、 电感 L1、 电容 C3组成甲类功率放大器 ,工作在线性放大状态。三极管 Q3和由电感 L3、 电容 C11、 C9构成的负载回路组成丙类功率放大器。R1、 R2、 R3、 R4组成第 1级静态偏置电阻 ,调节R2、 R3可改变放大器的增益。L1、 C3组成一级调谐回路 ,L2、 R5、 C2组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电 , R7为射级反馈电阻 ,调整 R7可改变丙类功率放大器的增益。C9、 C11、 L3组成末级调谐回路 , C9用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、 C7和

14、L4组成滤波回路 ,起到改善波形的作用。集电极可选择连接不同的负载。当基极输入的正弦信号频率取值在 L1、 C3谐振频率附近时 ,集电极输出正弦信号电压增益最大。C1为射级旁路电容 ,有效地控制了可能由于射级电阻R3、 R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管 Q2的be间负偏压时 , Q3才导通工作。 当L3、 C11处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时 ,丙类功率放大器工作于谐振状态 ,集电极将获得最大的电压增益 ,达到功率放大的目的C1、 C5为隔直电容 ,其作用是传送交流 ,隔离直流。在高频电路中隔直电容取值一般

15、较 小 ,这里取 C4=10nF, C5=10nF。2 电路各模块功能介绍及参数的确定2.1设计课题的参数选择2.1.1 看Protel原理图分析参数的确定图2.1.1 高频功率放大器1.静态工作点的设置由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流 ICQ一般在0.82mA 之间选取为宜。设计电路中取: 任取合适的的值。因为： (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) 而 (2.5)因为 R1=(VCC-VBQ)R2/VBQ (2.6)2.丙类功放的参数计算 （1）确定功放的工作状态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

16、大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态，其电流流通角在 60 90 范围。现设。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。集电极电流余弦脉冲直流 分解系数 ，集电极电流余弦脉冲基波 Ic1m分解系数,。设功放的输出功率为 0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为： RP=(VCC-VBQ)/2P0=110 (2.7) 集电极基波电流振幅为: （2.8）集电极电流脉冲的最大振幅为: （2.9）集电极电流脉冲的直流分量为: (2.10)电源提供的直流功率为: （2.11）集电极的耗散功率为： （2.12）集电极的效率为:

17、 （2.13） 又 （2.14）基极余弦脉冲电流的最大值（设 2N5551 的 =10）: （2.15）基极基波电流的振幅为： （2.16）基极输入的电压振幅： （2.17）基极偏置电路计算： (2.18) （2.19） （2.20） （2）电源去耦滤波电路元件型LC低通滤波器。 高频电路的电源去耦滤波网络通常采用型LC低通滤波器，滤波电感可按经验取50500H，并联滤波电容一般取10nF。 电路中为10nF。（3）计算谐振回路与耦合线圈的参数 输出采用型匹配网路,原理图如2.1.1所示，仿真电路如2.1.2所示 图2.1.2 10MHZ谐振功率放大器电路由滤波匹配网有以下公式：（2.21)

18、匹配网路的电感为15.95UH，电容参考值为629pF。此处说明接入的是两个电容并联，其中接入可调电容，可扩大选频范围，提高振荡精度。此处做出说明，实际仿真的主要目的是为了更好更接近设计要求，因此在实际电路中存在与计算参数中必然存在误差，如在丙类谐振选频网络中要求选频为10MHZ，在理论计算中将C定于120PF时电感的可由公式得L=2.2uH，这与在实际电路中的元器件参数选取存在差别。2.2设计课题的硬件系统各模块功能简要介绍2.2.1 甲类谐振放大器 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 3.2.1 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 L1、

19、C3构成选频回路，通过调节输入信号源与选频网络相同的频率时，电压增益可以达到最大。图2.2.1 甲类功率放大器甲类功率放大器的静态偏置由 R1、 R2、 R3和 R4组成。R1、 R2一般在同一数量级 ,取 R1 = 10 k , R2最大值为 50 k ,通过调节 R2改变三极管基极 Q点电压 ,即改变放大器增益 , R2取值越大时 Q点电压越大。取 R4 = 51, R3最大值为 1 k ,通过调节 R3 改变输出信号增益 , R3不宜过大 ,否则会影响增益。此外 , C1为射极旁路电容 ,有效地控制了由于射极电阻 R3、 R4过大，而引起的电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路电容取值

20、一般较小 ,这里取 C1 = 10nF。2.2.2丙类谐振放大器图2.2.2 丙类功率放大器丙类功率放大器参数选取丙类功率放大器三极管Q3的be间负偏压由 L2、R5、C2组成的电路产生 , L2起到传送直流、隔离交流的作用 ,使得 R5两端为直流电压。取L2 = 100H ,R5 = 51, C2= 10 nF。Q3射极电阻由 R6、R7组成 ,取 R6 = 51 , R7 最大值为 ,通过调节 R7改变丙类功率放大器增益 , R7取值不宜过大 ,否则会降低增益。L4、 C6、 C7组成滤波回路 ,减小集电极输出信号的失真。C6、C7一般取等值,这里取C6=C7=10nF,L4 = 470H

21、。2.3设计课题的仿真图、PCB图2.3.1 高频功率放大器仿真图 图2.3.1 高频功率放大器仿真图2.3.2 高频功率放大器PCB图 图2.3.2 高频功率放大器PCB3 电路的仿真与实物调试3.1 电路的仿真3.1.1仿真测试图3.1.1 甲类功率放大器的调谐测试信道A是通过甲放的波形，信道B是输入信号。频率在输入信号VP-P=2V,甲放输出信号VP-P=12.4V,增益为图3.1.2 丙类功率放大器工作状态的测试其中信道A是通过丙放的波形，信道B甲放的波形。甲放输出VP-P=12.4V,丙放输出VP-P=23.6V,增益为3.2实物电路调试结果输入波形VP-P=196mv，f=9.90

22、1MHz甲类功放输出波形VP-P=2.00V,f=10.00MHz，电压增益AV10倍丙类功放输出波形VP-P=5.52V,f=9.43MHz，电压增益AV 2.8倍3.3电路的仿真分析 a) 甲类功率放大器的调谐测试分析改变基极输入正弦信号的频率 ,当取 =10MHZ(L1、 C3回路谐振频率 )时 ,集电极获得最大的电压增益 ,这时再改变静态偏置电阻 R3、R4的大小可获得更大的电压增益。b) 丙类功率放大器工作状态的测试分析调整丙类功率放大器电源电压12V,不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断开 ,从基极处输入2V、10MHz的高频信号 ,用万用表测量三极管 Q3 be间的电压 ,测得

23、该电压为负偏压 ,改变输入电压振幅 ,该偏压随之改变。此时 ,接在集电极处的示波器上可看到放大输出信号 ,如图3.1.2 所示。若使基极激励信号 ,。则测得负偏压也为0,由此可看出丙类功率放大器工作状态的特点。3.4实物电路调试分析 a)甲类功率放大器分析 对于实物中的电路，由于采用了基极分压式射极偏置电路，能较好的稳定晶体管的静态工作点，甲类功率放大器的电压增益比较好，可以放大10倍左右，产生的波形比较清晰，但是有些失真。甲类功率放大器特点是指当输入信号较小时，在整个信号周期中，晶体管都工作于它的放大区，电流的导通角为 ，适用于小信号低频功率放大，且静态工作点在负载线的中点。甲类功率放大器都

24、工作于晶体管的放大区，电流的导通角为，且负载为阻性，没有选频作用，所以不会出现凹坑。b)丙类功率放大器分析丙类功率放大器利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。谐振回路还可以将含有电抗分量的外接负载转换为谐振电阻，而且还能保持回路谐振时使等于放大管所需要的集电极负载值，实现阻抗匹配。因此，在谐振功率放大器中，谐振回路起到了选频和匹配的双重作用。但丙放波形会出现凹坑。完全是由于集电极负载性质造成的。在谐振功率放大器中，集电极负载是谐振回路，在理想状况下，其上只能产生基波余弦电压。3.5误差分析 本设计中由于参数设计有不完美的地方，导致最终结果与理想情况有不小

25、的差距，我们应当通过不断调式来减小误差，在以后的设计中要认真选好各元件的参数，争取误差达到最小。另外，在计算的时候很多数据都是取的近似值，这样也对结果产生了很大的影响。在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波形。为实现不失真放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的已调波信号。在这种信号作用下，功率管集电极电流波形为接近余弦的脉冲序列，用傅氏级数将它分解为平均分量，基波分量和各次谐波分量之和，输出滤波匹配网络取出基本波分量，滤除其它无用分量，就

26、能在负载上获得不失真的输出信号。同理，在功率管输入端，基极电流也是失真脉冲序列，通过输入匹配滤波网络的滤波作用，加到功率管输入端的为不失真的信号电压。因此滤波匹配网络除了滤波作用外，还起到匹配作用，即将输出负载（往往是非电阻性负载）变换为功率管所需的最佳负载。所以滤波匹配网络参数的选择至关重要，这次实验的失误与我们选的电容与电感参数不恰当有很大的关系吧。 4 结束语 通过本次课程设计，我懂得了要完成一个电路的设计，理论基础是根基，实践操作是完成事物的重要部分，而创新能力则决定了一个电路的价值，因为设计一个电路，绝不是简单的按课本的电路图进行焊接成型，我们要进行电路各个元件参数的计算，这个涉及我

27、们所掌握的理论知识，元件的计算是设计中较为重要的一部分，计算准了，则设计出来的电路误差不大，否则，设计出来的电路性能指标根要求相差甚远。最困难的是当电路出现问题时如何检测出错误之处，如何排除错误，它考验了我们如何运用理论知识和实际的调试的能力。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次的高频课设，加深了对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力 ，能够正确的使用实验仪器。总而言之，这次课程设计极大的提高我在电子电路方面的各项能力。致 谢 本设计

28、的完成是在张老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了张老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！ 还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。参考文献 1 张肃文,陆兆熊.高频电子线路M . 北京:高等教育出版社 , 1992 . 2 陈松,金鸿.电子设计自动化技术M . 南京:东南大学出版社 , 2001 . 3 路勇.电子电路实验及仿真M . 北京:清华大学出版社,2004 4 曾兴雯.高频电路原理与分析M. 西安电子科技大学出版社,20015胡宴如，耿苏燕.高频电子线路M. 北京:高等教育出版社,2009附录A 实物图 图A1 实物图附录B 元器件清单电子元件清单种类大小数量电阻10K*151*3滑动电阻1K*2500K*150K*1电容110pF*110nF*6120pF*1可调电容30pF*150pF*2电感2uH*2100uH*1470uH*1三极管2N5551*2电源+12V*1