高频功率放大器

武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书11.原理说明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。它是无线电发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、乙类、丙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=180o，效率η最高也只能达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。高频功率放大器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；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。1.1高频功放的主要技术指标1.1.1功率关系：功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率OP，使之一部分转变为交流信号功率1P输出去,一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率CP。根据能量守衡定理：1oCPPP直流功率：输出交流功率：2211111222ccccLLUPUIIRRCU-----回路两端的基频电压c1I-----基频电流LR----回路的负载阻抗。1.1.2放大器的集电极效率1101122ccoCCcUIPPUI其中集电极电压利用系数：1ccLCCCCUIRUU0ocCCPIU武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书2波形系数：1100()()ccII为通角的函数；越小γ越大。1.1.3谐振功率放大器临界状态的计算临界状态下，若已知电源电压Ucc，BBU三极管的参数Cg，'UBB，设电压利用系数为，集电极的导通角为。求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效率等。1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量cmaxi和导通角：'cosBBBBbUUarcU功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高效率的输出功率和高效率，通常导通角为60~80度。集电极电流脉冲幅值icmax：max(1cos)ccbigU2）由值，查表求得电流余弦脉冲的各谐波分量系数0、1、，并求得各个分量的实际值C0I、C1I。0max01max()CCcCIiIi3)根据：221()1122cCCLLUUPRR可求得最佳负载电阻：21()2CCLCRURP1.2功率放大器的负载特性只在其他条件不变（CCU、BBU、Ub为一定），只变化放大器的负载电阻LR而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。1.2.1cu、ci随负载变化的波形当负载电阻LR由小至大变化时，1.负载线的斜率由小变大。2.放大器的工作状态由欠压过压临界；3.输出电压cu逐渐增大。4.输出电流ci的波形由尖顶脉冲凹顶脉冲1.2.2功率及效率随负载（工作状态）变化的波形：武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书3①欠压状态在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压Uc随负载电阻RL的增大而增大，而电流cmaxi、C1I、C0I其基本不变，根据1112ccPUI0ocCCPIUc01PPP1oPP则电源功率OP不变、输出功率1P将增加，管耗将减少。②临界状态负载线和bU正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。③过压状态放大器的负载较大，在过压区，随着负载LR的加大，C1I要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小1.3谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路1.3.1直流馈电电路1.集电极馈电电路根据直流电源连接方式不同，集电极电路又分为串联馈电和并联馈电两种，(1)串馈电路指直流电源CCV、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。1C、CL为低通滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源CCV中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。(2)并馈电路指直流电源CCV、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图CL为高频扼流圈，1C为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，2C为高频输出耦合电容。2.基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种1）基极偏置常采用自给偏置电路；------串馈2）由负电源-U分压供给基极偏置电压；------串馈3）零偏压；------串馈图1-3-1基极馈电形式武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书41.3.2输出回路和级间耦合回路1.级间耦合网络对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。2.输出匹配网络输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络。这种匹配网络有L型、型、T型网络及耦合回路。输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波、和高效率。需要匹配的原因：当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载（如天线等）相匹配。匹配的原理：通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗LR转换成放大管所要求的最佳负载阻抗LCRR，使管子送出的功率1P能尽可能多的馈至负载。L型匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低（通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中常常用T型或π型网络作匹配之用。211LCRLRRQ22'1QCCQLQCR21LCRLRQR（）22'1QLLQLLQR武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书52.高频功率放大器设计电路中参数简单计算依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。2.1丙类功率放大器的设计2.1.1放大器工作状态的确定因为要求获得的效率60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70°,所以谐振回路的最佳电阻为0202)(PUURCESCC=551.25Ω集电极基波电流振幅0012RPImc≈0.019A集电极电流最大值为)70(11mccmII=0.019/0.436=43.578mA其直流分量为COI=cmI*)70(0=43.578*0.253=11.025mA电源供给的直流功率为PD=Ucc*Ico=132.3mW集电极损耗功率为P=PD–PC=32.3mW转换效率为武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书6η=PC/PD=100/132.3=75.6%当本级增益A=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，有：输入功率为P1=P0/AP=5mW基极余弦电流最大值为IBM=ICM/β≈4.36Ma基极基波电流振幅)70(11BMMBII=4.360.436=1.9mA所以输出电压的振幅为UBM=2P1/IB1M≈5.3V2.1.2谐振回路和耦合回路参数计算丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb25Ω,则输入阻抗436.0)70cos1(25)()cos1(11bbRZ≈87.1Ω则输出变压器线圈匝数比为013RRNNL≈6.4在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则20)21(1fCL≈7.036μH武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书7采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有322210)()()(4NlALcmcm其中μ=100H/m,A=210mm,l=25mm,L=7.036μH所以计算得N2=72.2甲类功率放大器的设计2.2.1电路性能参数计算甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：PH=P1=5mW输出负载等于丙类功放输入阻抗，即RH=1Z=87.1Ω设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率b取0.8，则集电极输出功率PC=bHp≈6.25mW若取放大器的静态电流ICC=ICM=5mA，则集电极电压振幅UCM=2PC/ICM=2.5V最佳负载电阻为CCMHPUR22=0.5kΩ则射极直流负反馈电阻cqCESCMCCEIUUUR1≈1780Ω(cqI≈ICM)则输出变压器线圈匝数比武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书8021RRNNbH≈2本级功放采用3DG12晶体管，取β=30A=13dB即20倍放大倍数则输入功率Pi=P0/A=0.3125mW放大器输入阻抗Ri=Rbb+β*R3=25Ω+30R3若取交流负反馈电阻R3=10Ω，则Ri=335Ω所以本级输入电压iiimPRU2≈0.46V2.2.2静态工作点计算综上可知Ui=0时，晶体管射极电位UEQ=ICQ×RE1=8.9VUBQ=9.5VIBQ=ICQ/β=0.17mA若基极偏置电流I1=5IBQ，则R2=UBQ/5IBQ≈11.2kΩ所以，有21RUUURboboCC≈2.95Kω（1）设置静态工作点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0.8—2mA之武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书9间选取为宜。设计电路中取：Ic=1.5mA；Re=1KΩ可得重要参数：VBQ=VEQ+VBEQ=1.5V+0.7V=2.2VVCEQ=VCC-VEQ=12V-1.5V=10.5VRb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3mA=7.3KΩ（2）谐振回路参数计算回路总电容：CZ=1/[(2πf0)2L]=150.35pf回路电容：C=CZ-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf（3）确定其它电容参数耦合电容C1、C2的值，可在1000pf—0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。旁路电容Ce、C3、C4的取值一般为0.01—1uf武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书103.高频功率放大器电路设计3.1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3-1-1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、L2、C3、C4、R5构成选频回路，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3-1-1一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3-1-2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3-1-2两级甲类放大电路设计武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书113.2丙类高功放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下图所示。图3-2丙类功放原理图3.3总体电路图设计设计的总体电路图如图3-3所示图3-3高频功率放大器设计总图武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书124.电路仿真4.1所用软件Multisim简介随着计算机技术飞速发展，许多电路设计都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，大大减轻了工作量。其强大的实时交互性、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。Multisim软件