高頻功率放大器設計1、概述及基本原理高頻功率放大器是對載波信號或高頻信號進行功率放大的電路。利用選頻網絡作為負載回路的功率放大器成為諧振功率放大器。隨著現代通信技術的日益發展高頻放大應用的領域也越來越廣。在某些場合高頻放大技術的高低成為制約本領域技術發展的關鍵所在。比如射頻手機和高頻信號收發機等，都需要用到高頻功率放大器，并且作為一項非常重要的技術攻關項目。特別是移動電話機中高頻功率放大器品質的高低直接影響其產品的技術指標。所以本次課程設計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絡。其中天線等效阻抗，作為輸出負載。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是：①為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態，晶體管發射結為反向偏置，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，還能實現放大器的阻抗匹配。

2.方案及各部分設計原理分析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換為交流能量的作用；諧振回路是電子管的負載；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。放大器有兩個主要電路：板極電路和柵極電路。板極電路包括并聯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原理分析知道前級送來的高頻激勵電壓為ug=Ugcos31它加在柵極與陰極之間。其中，ug是激勵電壓的瞬時值，Ug是激勵電壓的振幅值，?=2nf是激勵電壓的角頻率，f是激勵電壓的頻率。當電路接好并將各電極電壓加上時，則在板極電路中就會出現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，由數學知識可知，它可用傅氏級數來表示，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諧到激勵信號電壓的頻率，并且在實際情況下，振蕩回路的Q圖2脈沖波形要調諧到激勵信號電壓的頻率，并且在實際情況下，振蕩回路的Q圖2脈沖波形板極并聯于1（考慮到下級負載引入的電阻），即回路的諧振性很強。這樣,諧振回路對基波的阻抗很大，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，因為回路是調諧到基波，對于高次諧波回路失諧很大，所以回路對于高次諧波也近似于短路。這樣，板極電流通過回路時，在回路上所引起的只有基波電壓。輸出電壓不是脈沖形狀，而是和輸入激勵電壓一樣的波形。2.3具體分析串聯偏置是說電子器件，負載電路和直流電源三部分串聯起來的。在上面所提到的電路中LC是負載賄回路；L'是高頻厄流圈，它對直流是短路的，但對高頻則呈現很大的阻抗，可以認為是開路的，以阻止高頻電流通過功用電源內阻產生高頻能量損耗，特別是避免在個級之間由此而產生的寄生偶合；C'是高頻旁路電容，他們對高頻應呈現很小的阻抗，相當于短路。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，即當由小增大時，基極電流脈沖中的平均分量相應增大，它在偏置電阻上的壓降增大，結果使基極偏置電壓向負值方向增大。由此表明在輸入信號激勵下，由于自給偏置效應，基極偏置電壓將不等于靜態偏置電壓，且其值隨著輸入激勵幅度增大而向負值方向增大。濾波匹配網絡的作用是阻抗匹配和選頻濾波。調諧功率放大器基極電路的電源Eb，很少使用獨立電源，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，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,其極性對晶體管是一個反偏壓，偏壓的大小可以通過調節Re來達到。如所需的偏壓為Eb,則Re由下式確定：Re=Eb/Ieo （1）Ce對交流旁路，為了保證偏壓不隨交流波動，其放電常數應該足夠大，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現信號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功率。輸出匹配電路的作用是將負載RL變換為放大器所需的最佳負載電路，以保證放大器輸出功率最大。由設計需求知，本電路采用并聯諧振回路匹配電路。由于調諧功率放大器的晶體管工作在非線性狀態，匹配的概念與線性電路布完全相同。由調諧功率放大器的負載特性知道，放大器工作在臨界狀態輸出功率最大，效率也較高。因此，放大器工作在臨界狀態的等效電阻就是放大器阻抗匹配所需的最佳負載電阻,以Rcp表示。最佳負載電阻Rep,通過用下述方法計算。（1） 先估算管子的飽和壓降,然后得知臨界狀態槽路抽頭部分的電壓幅值為：Uem=Ee-Uees. （3）（2） 確定最佳負載電阻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。調整N0/N1便可改變Re，令Re=Rep，可求阻抗匹配時所需的匝比，即Re=（N0/N1）2QLwL=Rep解得-RN0/N1=■'—匚 （4）QLwL式中QL應按通頻帶和選擇性要求選取。由于改變原、副邊匝比N2/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參數的計算和選擇已知條件+VCC=+12V，晶體管3DG130,晶體管3DA。性能指標輸出功率PO-500mW，工作中心頻率fo門5MHz，效率

n>50%，負載rl=51n。從輸出功率P0>500mW來看，末級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%，顯然不能只用一級甲類功放，但可以只用一級丙類功放。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。首先設計丙類功率放大器，再設計甲類功率放大器。1、丙類功率放大器的設計確定放大器工作狀態：因為要求獲得的效率耳>50%,放大器的工作狀態采用臨界狀態，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，轉換效率：當本級增益A=13dB即20倍放大倍數，晶體管的直流0=10時，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計算諧振回路和耦合回路參數丙類功放輸入、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比為：N3=1，，Rl".67NVR10則這里，我們假設取N3=2和N1=311若取集電極并聯諧振回路的電容為C=100pF，則L=-x(丄)2=10》HC2nf0用①lOmmx①6mmx5mm磁環來繞制輸出變壓器，(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基極偏置電路參數計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計計算電路性能參數綜上所述，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輸出負載等于丙類功放輸入阻抗，即Rh=|ZJ=86Q設變壓器效率nT取0.8則集電極輸出功率二=人-：=31mW；若取放大器的靜態電流ICC=ICM=5mA則集電極電壓振幅UCM=2Po/ICM=8.9V最佳負載電阻為二二±」=1.3kQU-U-U則射極直流負反饋電阻R=cc—cm一ce^=357Q(I=ICM)E I cqCMcqNirR_n-則輸出變壓器線圈匝數比：一亠=「一丄=3N計R20本級功放采用3DG12晶體管，取0=30A=13dB即20倍放大倍數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若取交流負反饋電阻R3=10Q，則&=335Q,???本級輸入電壓U=2RP~1.02Vim ii計算靜態工作點綜上可知Ui=0時，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，激勵oe仿真結果及分析總結uo/vwvT1Ct3DG130圖3總電路圖將電路用Muitisim進行仿真運行，分別記錄負載及激勵電壓ug對功率放器g的影響。當功率放大器的電源電壓+Ucc，基極偏壓Ub，輸入電壓C確定后，如果電容導通角確定，則放大器的工作狀態只取決于集電極回路的等效負載電阻Rp。諧振功率放大器的交流負載特性如圖4所示。jT圖4諧振功率放大器的負載特性激勵電壓叮UgCZ是隨時間而變化的。當Eg、￡玄、

電壓振幅U的變化對工作狀態將產生影響：g當U=0時，丙類高頻功率放大器將處于截止狀態。g當U由零開始增加，且e=E十U〉E時，板i開始導通，在eV0時，ag柵流為零，顯然此時為欠壓狀態U繼續增加，且e=E十U三0時，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，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重失真的脈沖序列波形或周期性的開關波形。為實現不失真放大，必須限定輸入信號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波信號。在這種信號作用下，功率管集電極電流波形為接近余弦的脈沖序列，用傅氏級數將它分解為平均分量，基波分量和各次諧波分量之和，輸出濾波匹配網絡取出基本波分量，濾除其它無用分量，就能在負載上獲得不失真的輸出信號。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絡的濾波作用，加到功率管輸入端的為不失真的信號電壓。與非諧振功放一樣，在特定的偏置條件下，對應于特定大小的輸入信號，功率管有一最佳負載，這時，諧振功放的輸出功率最大，效率也較高。因此濾波匹配網絡除了濾波作用外，還起到匹配作用，即將輸出負載（往往是非電阻性負載）變換為功率管所需的最佳負載?？傊?，諧振功放是在限定輸入信號波形的情況下，通過濾波匹配網絡，使輸出負載上得到所需的不失真功率。5.心得體會課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。通過這次的高頻課設，加深了對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力，具備了高頻電子電路的基本設計能力和基本調試能力，能夠正確的使用實驗儀器。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重