高频功率放大器课程设计报告

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........................................................................................................64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，VCES≤0.6V，hfe≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB。晶体管3DA1的主要参数为PCM=1W，ICM=750mA，VCES≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。1.2主要技术参数输出功率P0≥500mW，工作中心频率f0≈5MHz，效率η＞50%，负载RL=50Ω。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multisim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θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ90º，效率η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P0≥500mW来看，末级功放可以采用甲类或乙类或丙类功率放大器，但要求总效率η＞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η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/α1（）=216mA，Ic0=Icm·α0（）=54mA。电源供给的直流功率PD为：PD=VCCIc0=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η为：η=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β=10）Ibm=Icm/β=21.6mA，基极基波电流的振幅Ib1m为Ib1m=Ib1mα1()=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N2≈8。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=20Ω。取高频旁路电容CE2=0.01μF。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|=86Ω。集电极的输出功率P0为(若取变压器效率ηT=0.8)P0=PO'/ηT≈31mW。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360Ω，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β=30，若取功率增益AP=13dB（20倍），则输入功率Pi为Pi=P0/AP=1.55mW，得放大器的输入阻抗Ri为Ri≈rb'b+βR3=25Ω+30×R3若取交流负反馈电阻R3=10Ω则Ri=335Ω，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/β=0.23mA，若取基极偏置电路的电流I1=5IBQ，则R2=VBQ/5IBQ=2.8kΩ，取标