高頻功率放大器設(shè)計(jì)1、概述及基本原理高頻功率放大器是對(duì)載波信號(hào)或高頻信號(hào)進(jìn)行功率放大的電路。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展高頻放大應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。在某些場(chǎng)合高頻放大技術(shù)的高低成為制約本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。比如射頻手機(jī)和高頻信號(hào)收發(fā)機(jī)等，都需要用到高頻功率放大器，并且作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。特別是移動(dòng)電話機(jī)中高頻功率放大器品質(zhì)的高低直接影響其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。所以本次課程設(shè)計(jì)我選擇高頻功諧振率放大器。如圖1所示為高頻功放基本原理圖，圖中，高頻扼流圈提供直流通路，C1為隔直流電容，諧振回路分別為輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。其中天線等效阻抗，作為輸出負(fù)載。與非諧振功放比較，它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別。圖1高頻功放基本原理圖諧振式高頻功率放大器的特點(diǎn)是：①為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為反向偏置，由Eb(VBB)來保證，流過晶體管的電流為余弦脈沖波形；②負(fù)載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外，還能實(shí)現(xiàn)放大器的阻抗匹配。

2.方案及各部分設(shè)計(jì)原理分析2.1整體介紹基本部分組成，即電子管、諧振回路和電源。電子管在放大器中起著把直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的作用；諧振回路是電子管的負(fù)載；電源供給電子管各電極電壓，它們共同保證電子管的正常工作。放大器有兩個(gè)主要電路：板極電路和柵極電路。板極電路包括并聯(lián)振蕩回路和直流板極電壓Ea的饋電電路。振蕩回路由電感L1、電容C1和電阻r組成。電路中C1'為高頻旁路電容，L1'為高頻阻流圈。在柵極電路中加入直流偏壓Eg,一般Ea為負(fù)值。電路中C2'和L2'分別是柵極回路的高頻旁路電容和高頻阻流圈。2.2原理分析知道前級(jí)送來的高頻激勵(lì)電壓為ug=Ugcos31它加在柵極與陰極之間。其中，ug是激勵(lì)電壓的瞬時(shí)值，Ug是激勵(lì)電壓的振幅值，?=2nf是激勵(lì)電壓的角頻率，f是激勵(lì)電壓的頻率。當(dāng)電路接好并將各電極電壓加上時(shí)，則在板極電路中就會(huì)出現(xiàn)受到柵極電壓控制的板流脈沖，脈沖波形如圖2所示。ia是周期性函數(shù)，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，它可用傅氏級(jí)數(shù)來表示，即ia=IaO+Ia1cos3t+Ia2cos23t+...+Iancosn31 （2.1）可見，板極電流等于直流分量IaO、一次諧波（基波）、二次諧波和其他高次諧要調(diào)諧到激勵(lì)信號(hào)電壓的頻率，并且在實(shí)際情況下，振蕩回路的Q圖2脈沖波形要調(diào)諧到激勵(lì)信號(hào)電壓的頻率，并且在實(shí)際情況下，振蕩回路的Q圖2脈沖波形板極并聯(lián)于1（考慮到下級(jí)負(fù)載引入的電阻），即回路的諧振性很強(qiáng)。這樣,諧振回路對(duì)基波的阻抗很大，而且是純電阻性的，這就是我們熟知的諧振阻抗,一般用Roe來表示。板極回路的直流電阻，可以看成是短路的。同時(shí)，因?yàn)榛芈肥钦{(diào)諧到基波，對(duì)于高次諧波回路失諧很大，所以回路對(duì)于高次諧波也近似于短路。這樣，板極電流通過回路時(shí)，在回路上所引起的只有基波電壓。輸出電壓不是脈沖形狀，而是和輸入激勵(lì)電壓一樣的波形。2.3具體分析串聯(lián)偏置是說電子器件，負(fù)載電路和直流電源三部分串聯(lián)起來的。在上面所提到的電路中LC是負(fù)載賄回路；L'是高頻厄流圈，它對(duì)直流是短路的，但對(duì)高頻則呈現(xiàn)很大的阻抗，可以認(rèn)為是開路的，以阻止高頻電流通過功用電源內(nèi)阻產(chǎn)生高頻能量損耗，特別是避免在個(gè)級(jí)之間由此而產(chǎn)生的寄生偶合；C'是高頻旁路電容，他們對(duì)高頻應(yīng)呈現(xiàn)很小的阻抗，相當(dāng)于短路。加入這些附屬元件L‘，C'等的目的就是為了使電路能滿足上述組成電路的原則。偏置電路中都存在著自給偏置效應(yīng)，即當(dāng)由小增大時(shí)，基極電流脈沖中的平均分量相應(yīng)增大，它在偏置電阻上的壓降增大，結(jié)果使基極偏置電壓向負(fù)值方向增大。由此表明在輸入信號(hào)激勵(lì)下，由于自給偏置效應(yīng)，基極偏置電壓將不等于靜態(tài)偏置電壓，且其值隨著輸入激勵(lì)幅度增大而向負(fù)值方向增大。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是阻抗匹配和選頻濾波。調(diào)諧功率放大器基極電路的電源Eb，很少使用獨(dú)立電源，而一般多利用射極電流或基極電流的直流成分，通過一定的電阻而造成的電壓作為放大器的自給偏壓，即所謂的自給偏壓法。為了獲得較大的輸出功率，使管子工作在臨界稍微欠壓的狀態(tài)，故采用射極電流自給偏壓法。射極電流的直流成分Ieo通過電阻Re形成的電壓IeoRe,其極性對(duì)晶體管是一個(gè)反偏壓，偏壓的大小可以通過調(diào)節(jié)Re來達(dá)到。如所需的偏壓為Eb,則Re由下式確定：Re=Eb/Ieo （1）Ce對(duì)交流旁路，為了保證偏壓不隨交流波動(dòng)，其放電常數(shù)應(yīng)該足夠大，要求外，還必須具有良好的輸入輸出匹配電路。輸入匹配電路的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)源輸出阻抗與放大器輸入阻抗之間的匹配，以期獲得最大的激勵(lì)功率。輸出匹配電路的作用是將負(fù)載RL變換為放大器所需的最佳負(fù)載電路，以保證放大器輸出功率最大。由設(shè)計(jì)需求知，本電路采用并聯(lián)諧振回路匹配電路。由于調(diào)諧功率放大器的晶體管工作在非線性狀態(tài)，匹配的概念與線性電路布完全相同。由調(diào)諧功率放大器的負(fù)載特性知道，放大器工作在臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高。因此，放大器工作在臨界狀態(tài)的等效電阻就是放大器阻抗匹配所需的最佳負(fù)載電阻,以Rcp表示。最佳負(fù)載電阻Rep,通過用下述方法計(jì)算。（1） 先估算管子的飽和壓降,然后得知臨界狀態(tài)槽路抽頭部分的電壓幅值為：Uem=Ee-Uees. （3）（2） 確定最佳負(fù)載電阻Rep.將式（3）代入右式： Po=Uem2/2Rep得Re=Rep=Uem2/2Rep=（Ee-Uees）2/（2*Po）由式Re=（N0/N1）2R=（N0/N1）2QLwL知。調(diào)整N0/N1便可改變Re，令Re=Rep，可求阻抗匹配時(shí)所需的匝比，即Re=（N0/N1）2QLwL=Rep解得-RN0/N1=■'—匚 （4）QLwL式中QL應(yīng)按通頻帶和選擇性要求選取。由于改變?cè)⒏边呍驯萅2/N1，則改變了槽路諧振電阻R以及Re和QL。為保證所需的QL值不變，原、副邊匝比應(yīng)按QL值來選取。由式QLwL=QowL//（N1/N2）2RL,可知N2/N1=:Qo一Ql*；Rl （5）”Q0 ”QlwL參數(shù)的計(jì)算和選擇已知條件+VCC=+12V，晶體管3DG130,晶體管3DA。性能指標(biāo)輸出功率PO-500mW，工作中心頻率fo門5MHz，效率

n>50%，負(fù)載rl=51n。從輸出功率P0>500mW來看，末級(jí)功放可以采用甲類或乙類或丙類功率放大器，但要求總效率n>50%，顯然不能只用一級(jí)甲類功放，但可以只用一級(jí)丙類功放。因此采用了如圖3所示的電路，其中甲類功放選用晶體管3DG130,丙類功放選用3DA1。首先設(shè)計(jì)丙類功率放大器，再設(shè)計(jì)甲類功率放大器。1、丙類功率放大器的設(shè)計(jì)確定放大器工作狀態(tài)：因?yàn)橐螳@得的效率耳>50%,放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取9=70°，所以諧振回路的最佳電阻為：諧振回路的最佳電阻為:=三二「=_：二 =二:二二 ，集電極基波電流振幅：二=二二:?,「二：，”=寧=::H二，集電極電流最大值為，其直流分量為：“=三厶：.,.=理：：：二，電源供給的直流功率：三二二；二:二— ,集電極損耗功率：二=二-二=m，轉(zhuǎn)換效率：當(dāng)本級(jí)增益A=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流0=10時(shí)，有:P輸入功率為：P1=P0/AP=25mW基極余弦電流最大值為：IBM=ICM/p~20.5mA基極基波電流振幅：I二Ixa(70。)=9.5mAB1M BM1???輸出電壓的振幅為Ubm=2P]/Ib1m=5.3V計(jì)算諧振回路和耦合回路參數(shù)丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，則輸入阻抗|ZJ=則輸入阻抗|ZJ=Rbb—(1-cos9)xa(9)1250(1-cos70o)x0.436~86Q則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為：N3=1，，Rl".67NVR10則這里，我們假設(shè)取N3=2和N1=311若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則L=-x(丄)2=10》HC2nf0用①lOmmx①6mmx5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，(A)2???有L二4口(R)x cmxN2x10-3(l) 2cm其中》=100H/m,A=10mm2,l=25mm,L=10》H N空=8基極偏置電路參數(shù)計(jì)算基極直流偏置電壓(其中U]=0.6v) uB=u1-ubMcose=-1.1V則射極電阻RE2=U|//“=20Q 取高頻旁路電容CE2=0.01》fBCO2、甲類功率放大器的設(shè)計(jì)計(jì)算電路性能參數(shù)綜上所述，知甲類功率放大器輸出功率等與丙類功放的輸入功率，即：P=P=25mWH1輸出負(fù)載等于丙類功放輸入阻抗，即Rh=|ZJ=86Q設(shè)變壓器效率nT取0.8則集電極輸出功率二=人-：=31mW；若取放大器的靜態(tài)電流ICC=ICM=5mA則集電極電壓振幅UCM=2Po/ICM=8.9V最佳負(fù)載電阻為二二±」=1.3kQU-U-U則射極直流負(fù)反饋電阻R=cc—cm一ce^=357Q(I=ICM)E I cqCMcqNirR_n-則輸出變壓器線圈匝數(shù)比：一亠=「一丄=3N計(jì)R20本級(jí)功放采用3DG12晶體管，取0=30A=13dB即20倍放大倍數(shù)P則輸入功率P=P0/AP=1.55mW，放大器輸入阻抗R.=Rbb+p*R3=25Q+3OR3i0P ibb若取交流負(fù)反饋電阻R3=10Q，則&=335Q,???本級(jí)輸入電壓U=2RP~1.02Vim ii計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)綜上可知Ui=0時(shí)，晶體管射極電位Ueq=Icq*Rei=2.5V,Ubo=3.2V???有RiCC???有RiCCBQUBQXR~8.25kQ2Ibo=Ico/0=0.23mA若基極偏置電流I]=5Ibq,則R2=UBQ/5【BQ~2.8kQLX/WVXLX/WVXR保持不變時(shí)，激勵(lì)oe仿真結(jié)果及分析總結(jié)uo/vwvT1Ct3DG130圖3總電路圖將電路用Muitisim進(jìn)行仿真運(yùn)行，分別記錄負(fù)載及激勵(lì)電壓ug對(duì)功率放器g的影響。當(dāng)功率放大器的電源電壓+Ucc，基極偏壓Ub，輸入電壓C確定后，如果電容導(dǎo)通角確定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻Rp。諧振功率放大器的交流負(fù)載特性如圖4所示。jT圖4諧振功率放大器的負(fù)載特性激勵(lì)電壓叮UgCZ是隨時(shí)間而變化的。當(dāng)Eg、￡玄、

電壓振幅U的變化對(duì)工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響：g當(dāng)U=0時(shí)，丙類高頻功率放大器將處于截止?fàn)顟B(tài)。g當(dāng)U由零開始增加，且e=E十U〉E時(shí)，板i開始導(dǎo)通，在eV0時(shí)，ag柵流為零，顯然此時(shí)為欠壓狀態(tài)U繼續(xù)增加，且e=E十U三0時(shí)，柵流i開始ggggg在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴(yán)重失真的脈沖序列波形或周期性的開關(guān)波形。為實(shí)現(xiàn)不失真放大，必須限定輸入信號(hào)為單一頻率的高頻正弦波或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號(hào)。在這種信號(hào)作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級(jí)數(shù)將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)取出基本波分量，濾除其它無用分量，就能在負(fù)載上獲得不失真的輸出信號(hào)。同理，在功率管輸入端，基極電流也是失真脈沖序列，通過輸入匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，加到功率管輸入端的為不失真的信號(hào)電壓。與非諧振功放一樣，在特定的偏置條件下，對(duì)應(yīng)于特定大小的輸入信號(hào)，功率管有一最佳負(fù)載，這時(shí)，諧振功放的輸出功率最大，效率也較高。因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用，即將輸出負(fù)載（往往是非電阻性負(fù)載）變換為功率管所需的最佳負(fù)載?？傊C振功放是在限定輸入信號(hào)波形的情況下，通過濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，使輸出負(fù)載上得到所需的不失真功率。5.心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次的高頻課設(shè)，加深了對(duì)電子電路理論知識(shí)的理解，并鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力和基本調(diào)試能力，能夠正確的使用實(shí)驗(yàn)儀器。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重