功率放大器设计.docx

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功率放大器设计

电子电路设计实践

设计题目：

直流稳压电源设计

系别：

电气工程学院专业：

电子信息工程

班级：

2011级1班姓名：

腾伟峰

学号：

201151746指导教师：

张全禹

时间：

2013年3月17日

绥化学院电气工程学院

高频功率放大器

1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θ<90º，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，取标称值3kΩ。

在实验时可以调整时取R1=5.1kΩ+10kΩ电位器。

取高频旁路电容CE1=0.022μF，输入耦合电容C1=0.02μF。

高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π形C1=0.002μFLC低通滤波器，L10,L20可按经验取50~100μH，C10，C11，C20，C21按经验取0.01μF。

L10,L20可以采用色码电感，也可以用环形磁心绕制。

4高频功率放大器完整电路图

将上述设计计算的元件参数按照图所示电路进行安装，然后再逐级进行调整。

最好是安装一级调整一级，然后两级进行级联。

所示可先安装第一级甲类功率放大器，并测量调整静态工作点使其基本满足设计要求，如测得VBQ=2.8V,VEQ=2.2V，则ICQ=6mA。

再安装第二级丙类功率放大器。

测得晶体管3DA1的静态时基极偏置VBE=0。

图所示3为完整的高频功率放大器电路图。

第一级为甲类功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器。

图3完整的高频功率放大器电路图

5电路仿真

利用电子设计软件multisim对电路仿真，根据图3高频功率放大器电路图在软件multisim中绘制出仿真电路图，如图4所示。

图4高频功率放大器仿真电路图

对电路进行仿真测试高频放大器的放大效果，在输入端输入1KHZ的正弦波信号，由仿真电路图在仿真示波器选择B通道观察输入的1KHZ的正弦波信号，如图5所示，输入电压Vi=326mV。

图51KHZ的正弦波信号

再观察仿真示波器A通道的波形，即经高频功率放大器放大的信号波形，如图6所示，由仿真示波器可得输出电压Vo=2.282V。

放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV=7,20LgA=20Lg7=16.9dB,故由Multism仿真测得设计的高频功率放大器的电压放大增益Av=16.9dB。

图6高频功率放大器放大后的信号

6设计心得

高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件,经过一周的对高频功率放大器电路的设计使我对高频电路课程有了更深一步的了解，课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

此次的高频课设，不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设计出的电路经过Multisim软件仿真达到预期的放大效果，不仅让小组所有成员共同获得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism软件的使用。

种种在此次学习到的知识或是能力必将有用于之后的学习或是将来的工作，这也是此次课程设计的目的所在。