1、河南理工大学课程设计报告书高频电子线路课程设计报告设计题目：高频功率放大器设计 专业班级 电信 09-3 学 号 310908030305 学生姓名 董一含 指导教师 高 娜 教师评分 2012 年 6 月 13 日河南理工大学课程设计报告书摘 要高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件，用于发射机地末端。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
2、用电子设计软件 multisim 对电路仿真。关键词：甲类功率放大器、丙类功率放大器、multisim 仿真。河南理工大学课程设计报告书目 录1 设计要求 11.1 已知条件 .11.2 主要技术参数 .11.3 具体要求 .12 原理分析 23 电路设计 33.1 电路概要设计 .33.2 丙类功率放大器设计 .33.2.1 放大器的工作状态.33.2.2 谐振回路及耦合回路的参数.43.2.3 基极偏置电路参数计算.53.3 甲类功率放大器设计 .53.3.1 电流性能参数.53.3.2 静态工作点.54 高频功率放大器完整电路图 75 电路仿真 86 设计心得 10参考文献 .111 设
3、计要求1.1 已知条件+VCC=+12V,晶体管 3DG130 的主要参数为PCM=700mW，ICM=300mA，VCES0.6V ，hfe30，fT150MHz，放大器功率增益AP6dB。晶体管 3DA1 的主要参数为 PCM=1W，ICM=750mA， VCES1.5V,hfe10,fT=70MHz,AP13dB。1.2 主要技术参数输出功率 P0500mW，工作中心频率 f05MHz，效率 50%，负载RL=50。1.3 具体要求分析高频功率放大器原理，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，利用电子设计工具软件 multis
4、im 对电路进行仿真测试，分析电路的特性。2 原理分析高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大， 以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内 的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。 高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划 分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器 通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大 器或谐振功率放大器。利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角 的范围可分
5、为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角 愈小，放大器的效率 愈高。如甲类功放的 =180，效率 最高也只能达到 50%，而丙类功放的 90，效率 可达到 80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。图 1 为丙类谐振功率放大器。图 1 丙类谐振功率放大器3 电路设计3.1 电路概要设计本课程设计的高频功率放大器由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路，其中 VT1 组成甲类功率放大器，晶体管 VT2 组成丙类谐振功率放大器。从输出功率 P0500mW 来看，末级功放可以采用甲类或乙类或丙
6、类功率放大器，但要求总效率 50%，显然不能只用一级甲类功放，但可以只用一级丙类功放。本课程设计采用的电路甲类功放选用晶体管 3DG130,丙类功放选用 3DA1。首先设计丙类功率放大器，再设计甲类功率放大器。3.2 丙类功率放大器设计3.2.1 放大器的工作状态为获得较高的效率 及最大输出功率 P0。放大器的工作状态选为临界状态，取 ，得谐振回路的最佳负载电阻 Re 为 ，集电极基波电流振幅 为 ，集电极电流脉冲的最大值 Icm 及其直流分量 Ic0，即 Icm= Ic1m / 1（ ）=216mA， Ic0= Icm 0 （ ）=54mA。电源供给的直流功率 PD 为： PD=VCCIc0
7、=0.65W。集电极的耗散功率 PC为： PC=PD-P0=0.15W。放大器的转换效率 为： =P0/PD=77%。若设本级功率增益 AP=13dB（20 倍） ，输入功率 Pi 为 Pi=P0/AP=25mW，基极余弦脉冲电流的最大值为 Ibm（设晶体管 3DA1 的直流 =10）Ibm=Icm/=21.6mA，基极基波电流的振幅 Ib1m 为 Ib1m=Ib1m1( )=9.5mA，输入电压的振幅 Vbm 为 。3.2.2 谐振回路及耦合回路的参数在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络，输入和
8、输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图 2 所示。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载上只有基波电压；将外接负载 RL 变换成谐振功放所要求的负载电阻 R，以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。图 2 丙类谐振功率放大器的匹配网络丙类功放的输入输出耦合回路均为高频变压器耦合方式，其输入阻抗|Zi|可计算， ，输出变压器线圈匝数比为，取
9、 N3=2,N1=3。若取集电极并联谐振回路的电容 C=100pF，得回路电感为 。若采用的 的 NXO-100 铁氧体磁环来绕制输出耦合变压器，可以计算变压器一次线圈的总匝数 N2，即由可得 N28。需要指出的是，变压器的匝数N1、 N2、 N3的计算值只能作为参考值，由于电路高频工作时分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通常采用磁心位置可调节的高频变压器。3.2.3 基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压 VB 为 。射极电阻 RE2 为 RE2=|VB|/ICO=20。取高频旁路电容 CE2=0.01F。3.3 甲类功率放大器设计3.3.1 电流性能参数由丙类功率放大器的计算
10、结果可得甲类功率放大器的输出功率 PO应等于丙类功放的输入功率 Pi，输出负载 Re应等于丙类功放的输入阻抗|Zi|，即PO=Pi=25mW,Re=|Zi|=86。集电极的输出功率 P0 为(若取变压器效率 T=0.8) P0=PO/T31mW。若取放大器的静态电流 ICQ=Icm=7mA，得集电极电压的振幅 Vcm 及最佳负载电阻 Re 分别为 Vcm=2P0/Icm=8.9V， 。因射极直流负反馈电阻 RE1 为 ，取标称值360，得输出变压器匝数比为 ， 若取二次侧匝数 N2=2，则一次侧匝数 N1=6。本级功放采用 3DG12 晶体管，设 =30，若取功率增益 AP=13dB（20 倍
11、） ，则输入功率 Pi 为 Pi=P0/AP=1.55mW，得放大器的输入阻抗 Ri 为Rirbb+R3=25+30R3若取交流负反馈电阻 R3=10 则 Ri=335，得本级输入电压的振幅 Vim 为。3.3.2 静态工作点由上述计算结果得到静态时(Vi=0)晶体管的射极电位 VEQ 为VEQ=ICQRE1=2.5V，则 VBQ=VEQ+0.7V=3.2V，IBQ=ICQ/=0.23mA，若取基极偏置电路的电流 I1=5IBQ，则 R2=VBQ/5IBQ=2.8k，取标称值 3k。在实验时可以调整时取 R1=5.1k+10k 电位器。取高频旁路电容 CE1=0.022F，输入耦合电容 C1=
12、0.02F。高频电路的电源去耦滤波网络通常采用 形 C1=0.002FLC 低通滤波器，L10,L20 可按经验取 50100H，C10，C11，C20，C21 按经验取0.01F。L10,L20 可以采用色码电感，也可以用环形磁心绕制。4 高频功率放大器完整电路图将上述设计计算的元件参数按照图所示电路进行安装，然后再逐级进行调整。最好是安装一级调整一级，然后两级进行级联。所示可先安装第一级甲类功率放大器，并测量调整静态工作点使其基本满足设计要求，如测得VBQ=2.8V,VEQ=2.2V，则 ICQ=6mA。再安装第二级丙类功率放大器。测得晶体管3DA1 的静态时基极偏置 VBE=0。图所示
13、3 为完整的高频功率放大器电路图。第一级为甲类功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器。图 3 完整的高频功率放大器电路图5 电路仿真利用电子设计软件 multisim 对电路仿真，根据图 3 高频功率放大器电路图在软件 multisim 中绘制出仿真电路图，如图 4 所示。图 4 高频功率放大器仿真电路图对电路进行仿真测试高频放大器的放大效果，在输入端输入 1KHZ 的正弦波信号，由仿真电路图在仿真示波器选择 B 通道观察输入的 1KHZ 的正弦波信号，如图 5 所示，输入电压 Vi=326mV。图 5 1KHZ 的正弦波信号再观察仿真示波器 A 通道的波形，即经高频功率放大器放大的信号波形，
14、如图 6 所示，由仿真示波器可得输出电压 Vo=2.282V。放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV =7, 20LgA=20Lg7=16.9dB,故由 Multism 仿真测得设计的高频功率放大器的电压放大增益 Av=16.9dB。图 6 高频功率放大器放大后的信号6 设计心得高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件,经过一周的对高频功率放大器电路的设计使我对高频电路课程有了更深一步的了解，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。此次的高频课设，不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解
15、，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设计出的电路经过 Multisim 软件仿真达到预期的放大效果，不仅让小组所有成员共同获得努力后成功的欣喜，而且了解了 Multism 软件的使用。种种在此次学习到的知识或是能力必将有用于之后的学习或是将来的工作，这也是此次课程设计的目的所在。参考文献1张肃文.高频电子线路（第四版）M.北京：高等教育出版社,20042张肃文.高频电子线路（第五版）M.北京：高等教育出版社,20093曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析（第四版） ，西安：西安电子科技大学出版社,20064杨霓清.高频电子线路实验及综合设计M 机械工业出版社,20095铃木宪次(日).高频电路设计与制作M 科学出版社,2005
