高频电子线路课程设计

课程设计任务书

学生姓名：苏运宇专业班级：电子0803 指导教师：吴皓莹工作单位：信息工程学院

题目：高频谐振功率放大器设计

初始条件：

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；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能

力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

要求完成的主要任务：

1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计

2、电源电压V cc＝＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，

3、工作频率f0＝6MHz

4、负载电阻R L＝75Ω时，输出功率P0≥100mW，效率η>60％

5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。

时间安排：

1．2011年6月3日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实

施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2．2011年6月4日至2011年6月9日完成资料查阅、设计、制作与调试；

完成课程设计报告撰写。

3. 2011年6月10日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要................................................................................................................................ I Abstrct ........................................................................................................................... II 绪论.. (1)

1 引言 (2)

1.1 设计要求 (2)

1.2 高频功率放大器特点 (2)

1.3高频功率放大器的工作状态 (2)

2高频谐振功率放大器电路设计与制作 (4)

2.1 高频谐振功放电路的工作原理 (4)

2.2高频谐振功放的工作状态确定及参数设置 (5)

3单元电路的设计 (8)

3.1丙类功率放大器的设计 (8)

3.2甲类功率放大器的设计 (10)

4 电路仿真与结果分析 (13)

4.1 multisim 软件简介 (13)

4.2 仿真波形 (13)

5心得体会 (16)

参考文献 (17)

摘要

本次电子线路设计对高频调谐小信号放大器，LC振荡器，高频功放电路设计原理作了简要分析，研究了各个电路的参数设置方法。并利用其它相关电路为辅助工具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调谐问题。同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的分析和制作高频放大器，振荡器和功放电路。

高频小信号谐振放大电路是将高频小信号或接收机中经变频后的中频信号进行放大，已达到下级所需的激励电压幅度。LC振荡器的作用是产生标准的信号源。高频功放的作用是以高的效率输出最大的高频功率。三部分都是通信系统中无线电收发信机所用到的技术，所以在现实生活中具有相当广泛的应用。

关键词：高频小信号放大器、LC振荡器、高频功放电路

Abstrct

The electronic circuit design of high-frequency tuned small-signal amplifier, LC oscillator, h igh-frequency power amplifier circuit design principles briefly analyzed to study the various circuit parameters to set methods. And to use other related tools to debug the circuit for the auxiliary amplifier circuit solve the amplifier circuit that often appear in self-oscillation problems and difficult to accurately tuning problems. Also give the theoretical basis and debug programs in detail in order to achieve a rapid, effective analysis and production of high-frequency amplifiers, oscillator and power amplifier circuits.

High-frequency small-signal amplification circuit is the resonant frequency small-signal or a receiver through the frequency of IF signals, after amplification, which has reached the lower the required excitation voltage amplitude. The role of the LC oscillator is to generate a standard signal source. The role of high-frequency power amplifier's efficiency is the largest high-frequency power output. Three parts are the communication systems used by the radio transceiver technology, so in real life, with a fairly wide range of applications.

Key words: high-frequency small-signal amplifier, LC oscillator, high-frequency power amplifier circuit.

绪论

在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。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，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

1 引言

1.1 设计要求

1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计

2、电源电压V cc＝＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，

3、工作频率f0＝6MHz

4、负载电阻R L＝75Ω时，输出功率P0≥100mW，效率η>60％

5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。

根据每个电路给定的技术指标和条件，分别给出设计原理、设计过程、电路原理图、各元件件型号或参数、实际测试结果。

1.2 高频功率放大器特点

输出功率Po≥100mW（设计时按200mW计算），工作中心频率fo=6MHz， >60%。

谐振功率放大器的特点：

①放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

②输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

③基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

④输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

1.3高频功率放大器的工作状态

高频功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，图1-1为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。表1-1为甲、乙、丙三种工作状态的特点。提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，

但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。

甲类乙类丙类

图1-1 放大器的三种工作状态

2高频谐振功率放大器电路设计与制作

2.1 高频谐振功放电路的工作原理

放大器工作时，设输入信号电压：t U u bm b ωcos =

则加到晶体管基极,发射级的有效电压为: t U U U u u bm BB BB b BE ωcos +-=-=由晶体管的转移特性曲线可知，如图8所示：

图8 谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线

当BZ BE U

当BZ BE U >u 时，管子导通，)(BZ BE C c U u g i -=

式中：C g 为折线的斜率：

所以有：

()BZ bm BB c c U t U U g i -+-=ωcos ，

即功放输出的Ic 为一连串不连续的余弦脉冲。高功放为什么能不失真地放大信号呢?

因为尖顶余弦脉冲的数学表达式为：

C

C c c t i i θθωcos 1cos cos max --=

若对c i 傅里叶级数分解，即：

...

cos ......2cos cos I 11+++++=t I t I t I i Cm n CM CM CO c ωωω

由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波（基波、二次谐波。。。n 次谐波）分量所构成，利用功放负载LC 回路的选频功能，适当选择LC 的参数使之谐振与基波频率, 尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。

此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：

t R I t U u O cm Cm C ωωcos cos 1==

式中，U cm 为u c 的振幅；R o 为LC 回路的谐振电阻,1cm I 为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC 谐振回路得到的高频功率为:

O

2O 2110212121R U R I U I P cm cm cm cm === 集电极电源E C 供给的直流输入功率为：

0C C E I E P = I CO 为集电极电流脉冲ic 的直流分量。

集电极效率ηC 为输出高频功率P o 与直流输入功率P E 之比，即：

2.2高频谐振功放的工作状态确定及参数设置

谐振功率放大器的工作状态有三种，即欠压、临界和过压。当谐振功放的静态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。

对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角c θ在600—900范围。现设c θ=700。

查表得：集电极电流余弦脉冲直流I CO 分解系数00(70)0.25α=，集电极电流

C

C cm m c E C E I U I P P 01021==η

余弦脉冲基波I CM1分解系数，01(70)0.44α=。设功放的输出功率为0.5W 。

功率放大器集电极的等效电阻为：

2

2()(12 1.5)11022(0.5)CES p o Vcc V R P W --===Ω

集电极基波电流振幅为：

12/95cm o p I P R mA ==

集电极电流脉冲的最大振幅为：

max 11/()95/0.44216c cm c I I mA mA αθ===

集电极电流脉冲的直流分量为：

max ()2160.2554co c o c I I mA αθ=?=?=

电源提供的直流功率为：12540.65D CC CO P V I V mA w ==?=

集电极的耗散功率为：0.650.50.15C D o P P P w =-=-=

集电极的效率为：/0.5/0.6577%o D P P η=== (满足设计要求)

已知：13p A dB = 即20p A =

则：输入功率：/0.5/2025Pi Po Ap mV ===

基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的β=10）

21.6Bm Icm I mA β==

基极基波电流的振幅为：011(70)9.5B m Bm I I mA α==

得基极输入的电压振幅为：12/ 5.3

Bm i B m V P I V == 1）基极偏置电路计算

因 cos E Z c Bm

V V V θ+= 则有 ：0cos 5.3cos70 1.1E bm c Z V V V V θ=-== 因 E C O E V I R = 则有 ：3/ 1.1/(5410)20E E co R V I -==?=Ω

取高频旁路电容pf C E 01.02=

2）计算谐振回路与耦合线圈的参数

输出采用L 型匹配网路，110,51p L R R =Ω=Ω

2(1)p L L R Q R =+ 11011 1.07651

p L L R Q R =-=-= 20S

L L L Q R ω= 260 1.07651 1.462610

L L S Q R L H H μωπ?===?? 2211(1)(1) 1.46 2.72H 1.076

p S L L L Q μ=+=+?= 则22226

1125944 3.146 2.7210P C pF pF f L π-===???? 匹配网路的电感L 为1.46H μ，电容C 为259pF 。

3） 电源去耦滤波元件选择

高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC 低通滤波器，滤波电感0可按经验取50～100μH ，滤波电感一般取0.01μF 。

综合上述设计，得参考电路如图9所示。

3单元电路的设计

3.1丙类功率放大器的设计

3.1.1放大器工作状态的确定

因为要求获得的效率η>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取θ=70°,所以谐振回路的最佳电阻为

2

02)(P U U R CES CC -==551.25Ω 集电极基波电流振幅

0012R P I m c =≈0.019A

集电极电流最大值为

)70(11 αm c cm I I ==0.019/0.436=43.578mA

其直流分量为

CO I =cm I *)70(0 α=43.578*0.253=11.025mA

电源供给的直流功率为

P D =Ucc*Ico =132.3mW

集电极损耗功率为

P = P D – P C =32.3mW

转换效率为

η= P C / P D =100/132.3=75.6%

当本级增益ρA =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

I BM = I CM /β ≈ 4.36Ma

基极基波电流振幅

)70(11 α?=BM M B I I =4.36?0.436=1.9mA

所以输出电压的振幅为

U BM =2 P 1/ I B1M ≈5.3V

3.1.2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R bb <25Ω,

则输入阻抗

436

.0)70cos 1(25)()cos 1(11?-Ω=?-= θαθbb R Z ≈87.1Ω 则输出变压器线圈匝数比为

13R R N N L =≈0.37 在这里，我们假设取N3=3和N1=8，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF ，则

20

)21(1f C L π?=≈7.036μH 采用Φ10mm×Φ6mm×5mm 磁环来绕制输出变压器，因为有

322210)()()(4-???=N l A L cm

cm μπ 其中 μ=100H/m , A=210m m , l =25mm, L =7.036μH

所以计算得N=7

3.2甲类功率放大器的设计

3.2.1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：

P H = P 1 =5mW

输出负载等于丙类功放输入阻抗，即

R H =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 η取0.8，则集电极输出功率

P C =b H p η≈6.25mW

若取放大器的静态电流I CC = I CM =5mA ，则集电极电压振幅

U CM =2 P C / I CM =2.5V

最佳负载电阻为

C CM H P U R 22==0.5kΩ

则射极直流负反馈电阻

cq

CES CM CC E I U U U R --=1≈1780Ω (cq I ≈I CM ) 则输出变压器线圈匝数比

21R R N N b H η=≈2

本级功放采用3DG12晶体管，取β=30 ρA =13dB 即20倍放大倍数

则输入功率

P i = P 0 /ρA =0.3125mW

放大器输入阻抗

R i = R bb +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

i i im P R U 2=≈0.46V

3.2.2静态工作点计算

综上可知U i =0时，晶体管射极电位

U EQ = I CQ ×R E1 = 8.9V

U BQ =9.5V

I BQ = I CQ /β=0.17mA

若基极偏置电流I 1 =5 I BQ ，则

R 2 = U BQ /5 I BQ ≈11.2kΩ

所以，有

21R U U U R bo

bo CC ?-=≈2.95Kω

图9功放电路

4 电路仿真与结果分析

4.1 multisim 软件简介

随着计算机技术飞速发展，电路设计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，大大减轻验证阶段的工作量；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。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA 工具软件。作为Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim 是一个完整的集成化设计环境。

本次课程设计电路就是利用multisim 软件进行绘图并仿真。

4.2 仿真波形

4.2.1 输入信号波形

输入波形信号如图4-1 所示，由仿真示波器可以看到输入信号是一个频率为5.85MHz，

峰峰值为99.8mv 的正弦波信号。

图4-1输入信号

4.2.2 一级甲类放大波形

经过第一级甲类放大器后输出波形如图4-2 所示，其峰峰值增大到

589mv，将输入信号电压放大了。

图4-2一级放大后波形

经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为 2.01v，如图4-3 所示。

图4-3两级放大后波形

信号最终经过丙类放大器放大，提高其功率与效率，仿真波形如图4-4 所示。

图4-4丙类放大器输出波形

4.2.3 结果分析

由于高频放大器有甲类，丙类。将上述单元电路进行组装，将丙类功率放大电路与滤波网络相接，将丙类功率放大电路连接起来，然后再进行逐级调整并级联。仿真调试观察波形时，用一示波器各探头逐一接一、二、三级输出，逐级调试。在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析，，另一方面可能是选频、滤波回路L、C 等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足中心频率f0＝6MHz,R L＝75Ω时，输出功率P0≥100mW，效率η>60％了设计任务要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。

5心得体会

这学期我们开设了《高频电子线路》这门课，这门学科属于电子电路范畴，是我们的专业课，是理论方面的指示。所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行”。学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在暨《高频电子线路》之后紧接着来一次高频电子线路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的任职，而且还及时、真正的做到了学以致用。

在此过程中，我们遇到了很多问题，如参数的计算，调试时调不出来时该怎么做等等，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，也让我们更加有耐心的去学习知识，其它能力上也都有了提高。

虽然这次课设过程中我们遇到了很多问题，也曾烦躁苦恼过，但不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高，最终我们还是通过自己的努力完成了此次课设。