高频谐振功率放大器设计.doc

课程设计任务

具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具有高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；可以对的使用实验仪器进行电路的调试与检测。
规定完毕的重要任务：（涉及课程设计工作量及其技术规定，以及说明书撰写等具体规定）
1、采用晶体管完毕一个高频谐振功率放大器的设计
2、电源电压Vcc ＝ ＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，
3、工作频率f0＝6MHz
4、负载电阻RL ＝ 75Ω时， 输出功率P0≥100Mw， 效率η>60％
5、完毕课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总

时间安排：
二十周一周，其中3天硬件设计，4天软、硬件调试及答辩。

指导老师署名
年 月 日

系主任（或责任老师）署名：
年 月 日

目 录
摘要 I
1 高频功率放大器简介 1
1.1 宽带功放 1
1.2 丙类功率放大器. 4
2 单元电路的设计 6
2.1 丙类功率放大器的设计 6
2.2 甲类功率放大器的设计 8
2.3 电路仿真 9
3 电路的安装与调试 10
4 课程设计心得体会 12
参考文献 14
附录1 15

摘 要
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。以满足发送功率的规定，然后通过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内 的接受机可以接受到满意的信号电平，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。放大器可以按照电流导通角的不同， 将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360°， 合用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180°；丙 类放大器电流的流通角则小于180°。乙类和丙类都合用于大功率工作。 丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放 大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于 低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。高频功率放大器在很多领域和方面都有应用，并且涉及到很多方面的知识点，则在本次设计中我们可以掌握高频宽带功放与高频谐振功放的设计方法，电路调谐及测试技术；负载的变化及激励电压，基极偏置电压，集电极电压的变化对放大器工作状态的影响；了解寄生振荡引起的波形失真及消除寄生振荡的方法；并且可以了解并掌握仿真软件的应用。

关键词：高频谐振功率放大器 谐振回路 耦合回路 工作状态

Abstract
The high frequency power amplifier uses in transmitter's last stage, the function is carries on the high frequency modulated wave signal the power amplification. Satisfies the sending power the request, then radiates after the antenna it the space, guaranteed that the receiver may receive satisfaction in certain region the signal level, and does not disturb adjacent channel's correspondence. The high frequency power amplifier is in the communications system the transmitter installation important module. The amplifier may defer to the electric current breakover angle the difference, divides into the armor, the second grade, the third three kind of active status it. The Class A amplifier electric current's angle of flow for 360°, is suitable for the small signal low power enlargement. The class B amplifier electric current's angle of flow approximately is equal to 180°; The third kind of amplifier electric current's angle of flow is smaller than 180°. The class B and the third kind are suitable for the high efficiency work. The third kind of active status's output and the efficiency are in three kind of active statuses the highest. The high frequency power amplifier mostly works Yu Binglei. But the third kind of amplifier's current waveform distorts is too big, thus cannot use in the low frequency power amplification, can only use in using the tuning circuit to take the load the resonance power amplification. Because the tuning circuit has the filter capacity, the loop current and the voltage extremely nearly in the sinusoidal waveform, the distortion were still very small. The high frequency power amplifier has the application in many domains and the aspect, and involves to many aspect knowledge spots, we may grasp the high frequency wide band power amplifier and the high frequency resonant power amplifier design method in this design, the electric circuit harmonious and the test technology; Load change and excitation voltage, base electrode bias voltage, collector voltage change to amplifier active status influence; The understanding parasiteic oscillation causes the wave distortion and eliminates the parasiteic oscillation the method; And may understand and grasp simulation software's applicatio

1高频功率放大器简介
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，以满足发送功率的规定，然后通过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接受机可以接受到满意的信号电平，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；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，它将电源供应的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲类（导通角=360度）、乙类（导通角=180度）、甲乙类（导通角=180度~360度）。
1.1 宽带功放

图 1-2 宽带功放电路图
1.1.1 静态工作点
如图1-2所示，晶体管Q1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中RB1、RB2为基极偏置电阻；RE1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。RF1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列关系式拟定：
（公式1-1）
式中，RF1一般为几欧至几十欧。
（公式1-2）
（公式1-3）
1.1.2 甲类功放的负载特性
如图1-2所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0可表达为：
（公式1-4）
式中，PH′为输出负载上的实际功率，ηB为变压器的传输效率，一般为ηB=0.75~0.85。

图1-3 甲类功放的负载特性
图1-3为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻RH称为最佳负载电阻。集电极的输出功率PC的表达式为：
（公式1-5）
式中，ucm为集电极输出的交流电压振幅，Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别 （公式1-6)
式中，uCES称为饱和压降，约1V
（公式1-7)
假如变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则
（公式1-8)
式中，RH′为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。
1.1.3 宽带功放的功率增益
与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，对于图1-1所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，并且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益Ap的表达式为
（公式1-9）
其中，Pi为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为
（公式1-10）
式中，Ri又可以表达为
(公式1-11)
式中，hie为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻rbb¹ 。hfe为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数β。
1.2 丙类功率放大器

图1-4 丙类功放电路图
1.2.1丙类功放基本关系
如图1-4所示，丙类功率放大器的基极偏置电压uBE是运用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻RE2上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号为正弦波时，则集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。运用谐振回路L2C3的选频作用可输出基波谐振电压uc1,电流ic1。图1-5画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式：
(公式1-12)

图1-5 丙类功放的基极、集电极电流和电压波形

式中, 为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；为集电极基波电流振幅；Ro为集电极回路的谐振阻抗。
（公式1-13）

式中，PC为集电极输出功率
(公式1-14)
式中，PD为电源供应的直流功率,ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。

（公式1-15）
电流脉冲ic经傅立叶级数分解，可得峰值Icm与分解系数的关系式

2单元电路的设计
2.1丙类功率放大器的设计
2.1.1放大器工作状态的拟定
由于规定获得的效率>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
=551.25Ω
集电极基波电流振幅
≈0.019A
集电极电流最大值为
=0.019/0.436=43.578mA
其直流分量为
=*=43.578*0.253=11.025mA
电源供应的直流功率为
PD=Ucc*Ico=132.3mW
集电极损耗功率为
P= PD – PC =32.3mW
转换效率为
η= PC / PD =100/132.3=75.6%
当本级增益=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
=4.360.436=1.9mA
所以输出电压的振幅为
UBM =2 P1/ IB1M≈5.3V
2.1.2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Rbb<25Ω,
则输入阻抗
≈87.1Ω
则输出变压器线圈匝数比为
≈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
≈7.036μH
采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，由于有

其中 μ=100H/m , A=, =25mm, L =7.036μH
所以计算得N2=7
2.2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 ==87.1Ω
设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率取0.8，则集电极输出功率
PC =≈6.25mW
若取放大器的静态电流ICC = ICM=5mA，则集电极电压振幅
UCM =2 PC / ICM =2.5V
最佳负载电阻为
=0.5kΩ
则射极直流负反馈电阻
≈1780Ω (≈ICM)
则输出变压器线圈匝数比
≈2
本级功放采用3DG12晶体管，取β=30 =13dB即20倍放大倍数
则输入功率
Pi = P0 /=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
≈0.46V
2.2.2静态工作点计算
综上可知Ui=0时，晶体管射极电位
UEQ= ICQ×RE1 = 8.9V
UBQ =9.5V
IBQ = ICQ /β=0.17mA
若基极偏置电流I1 =5 IBQ，则
R2 = UBQ /5 IBQ ≈11.2kΩ
所以，有
≈2.95Kω
2.3 电路仿真图

图2-1电路仿真图
3电路的安装与调试
根据上述设计的元件参数，按图3-1所示电路进行安装(上述未标出的器件参数，以图上标注为准)。先安装第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值，再安装第二级放大器。测得晶体管3DH12静态时，基极偏置电压Ube=0，静态工作点调整后再进行动态调试。
先假设谐振回路已经处在谐振状态，即集电极的负载电阻为纯阻抗。但是回路的初始状态或者在调谐过程中，回出现失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增长，严重时也许损毁晶体管。为保证元器件安全工作，调谐时可以先将电源电压+VCC减少到规定值的，待找到谐振点后，再将+VCC升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。回路谐振时，高频电压表的读数应达成最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测的波形为不失真基波。

图3-1 调试波形图

图3-2 效果波形图

图3-3 实物图

图3-4 实物图

4 课程设计心得体会
一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检查了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完毕一件事情。在这次设计过程中，体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的局限性和薄弱环节，从而加以填补。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
这次实验的最大收获就是锻炼了我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就规定我在设计过程中必须认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的也许就是错误答案。而参数不对，最终将直接影响到仿真的结果。
我总结出，在每次课设中，碰到问题最佳的办法就是请教别人，由于每个人掌握的情况都不同样，一个人不也许做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才可以简朴化。这一点我深有体会，在很多时候，我碰到的困难或许别人之前就碰到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简朴，来得快。
虽然我现在已经初步学会了如何设计符合规定的高频谐振功率放大器，但是离真正可以运用已学的知识自由设计使用电路的尚有一段的距离。课设的这段时间我的确受益匪浅，不仅是由于它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，由于进步总是让人快乐的。

参考文献
[1] 刘泉主编. 通信电子线路. 武汉理工大学出版社，2023年1月
[2] 谢自美主编. 电子线路设计·实验·测试. 华中科技大学出版社，2023年8月
[3] 高建新等主编. 电子技术实验与实训. 机械工业出版社，2023年8月
[4] 赵淑范等主编. 电子技术实验与课程设计. 清华大学出版社，2023年8月
[5] 曾兴雯主编. 高频电子线路. 高等教育出版社出版，2023年11月
[6] 张新喜主编. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，2023年2月
[7] 杨翠娥主编. 高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨工程大学出版社，2023年1月
[8] 高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. 电子工业出版社，2023年5月

附录1

元件清单
序号
品　　名
型号/规格
数量
1
三极管
2N5551
2
2
电感
1mH
2
3
电容
20nF
2
4
电容
10nF
5
5
电阻
50Ω
1
6
电阻
75Ω
1
7
电阻
2K
1
8
电容
150uF
1
9
绕制电感

2
10
电阻
8k
1
11
电阻
1.2k
1
12
电阻
100Ω
1

本科生课程设计成绩评估表
本科生课程设计成绩评估表
姓 名
岳朋杰
性 性别
男
专业、班级
电信1204
课程设计题目： 高频谐振功率放大器的设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评估依据：

最终评估成绩（以优、良、中、及格、不及格评估）

指导教师签字：

年 月 日