高频功率放大器参考论文

辽宁省交通高等专科学校机电系

毕业设计文件

设计题目: 高频功率放大器设计

专业:应用电子技术

姓名:班级：学号:

完成期限: 201 年03月25 日至201 _年05月03日指导教师：臧雪岩

摘要：高频功率放大器是无线电发送设备的重要组成部分，它主要用在发射机的末端。信号经高频功率放大器放大后能够满足天线对发射功率的要求，以足够大的功率发射出去，被远方的接收机可靠地接收。高频功率放大器按工作频带来分，可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器，窄带高频功率放大器通常以LC谐振网络作为负载，又称谐振功率放大器，实用高频信号通常是窄带信号，窄带信号是指带宽远小于其中心频率的信号，如中波广播电台的带宽为10kHz，如果中心频率为1000kHz，其带宽远小于其中心频率，该信号即为窄带信号。窄带信号具有类似于单一频率正弦信号的特性，可采用谐振电路滤波。宽带功率放大器是以传输线变压器为负载，又称非谐振功率放大器，区别于窄带功率放大器，宽带功率放大器可在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐，但不具有滤波能力。

关键词：高频功率放大器、窄带信号、谐振功率放大器。

Abstract：High frequency power amplifier is an important part of radio transmission equipment, it mainly use at the end of the transmitter. Signal after high frequency power amplifier amplification can satisfy the requirements of the antenna to transmit power, with enough power to launch out, distant receiver receives in a reliable way. High frequency power amplifier according to the working frequency points, high frequency power amplifier can be divided into narrowband and broadband high frequency power amplifier, narrow-band high frequency power amplifier is usually to LC resonant network as a load, also called resonance power amplifier, high frequency signal is usually a

narrow-band signal, narrow-band signal refers to the signal bandwidth is far less than its center frequency, such as the bandwidth of the medium wave radio station to 10 KHZ, if the center frequency of 1000 KHZ, its bandwidth is far less than its center frequency, the signal is narrow band signal. Narrow-band signal is similar to the single frequency sine signal characteristics, resonant circuit filter can be used. Broadband power amplifier is based on a transmission line transformer load, also known as the resonance power amplifier, difference in narrow band power amplifier and broadband power amplifier working frequency can be changed in a very wide range and don't have to be tuned, but I don't have filtering capability.

Key words: High frequency resonance power amplifier, power amplifier, narrow band signal.

目录

概述及基本原理 (4)

1方案及各部分设计原理分析 (6)

1.1整体介绍 (6)

1.2原理分析 (6)

1.3具体分析 (7)

2.参数的计算和选择 (7)

2.1功率放大器输出功率的计算分析 (8)

2.2谐振回路的计算分析 (9)

2.3放大管栅极和板极的电流电压关系 (9)

2.4高频功率放大器的能量关系 (15)

2.5发射管的工作状态 (17)

3单元电路的设计 (18)

3.1丙类功率放大器的设计 (18)

3.1.1放大器工作状态的确定 (18)

3.2甲类功率放大器的设计 (19)

3.2.1静态工作点计算 (21)

3.2.2电路性能参数计算 (21)

3.3电源去耦滤波元件选择 (23)

4电路仿真与结果分析 (26)

【参考文献】 (27)

高频功率放大器设计

前言

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；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）。

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。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百 kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，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。

高频功率放大器，又称射频功率放大器，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。在工作一般性原理上，它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下，将直流电源转换为输出功率。

1功放电路的典型结构与特点

1.1功放电路的典型结构与特点

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力要强。

高频功率放大器，又称射频功率放大器，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。在工作一般性原理上，它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下，将直流电源转换为输出功率。

1.2功率放大电路与电压放大电路的区别

(1) 本质相同

电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。

功率放大电路: 主要输出较大的功率。

但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。

(2) 任务不同

电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作.

功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。

(3) 指标不同

电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.

功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。

(4) 研究方法不同

1.3功率放大电路的特殊问题

(1) 功率要大：为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。

00I V P o ?= (1-1)

(2) 效率要高：所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力.

v O P P /=η (1-2)

(3) 失真要小：功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。

(4) 散热要好：在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。

1.4放大电路的工作状态分类

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。

根据放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情况，可将放大电路分为下列三种工作状态：

(1) 甲类放大

在输入正弦信号的一个周期内三极管都导通，都有电流流过三极管。这种工作方式称为甲类放大。或称A 类放大。此时整个周期都有0>c i ，功率管的导电角θ= 2π。

(2) 乙类放大（B 类放大）

在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期三极管导通。称为乙类放大。此时功率管的导电角θ=π。

(3) 甲乙类放大（AB 类放大）

在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上三极管是导通的。称为甲乙

类放大.此时功率管的导电角θ满足：π< θ < 2π。

(4) 丙类放大（c 类放大）

功率管的导电角小于半个周期，即0< θ < π

1.5提高效率的主要途径

(1) 效率η是负载得到的有用信号功率（即输出功率Po ）和电源供给的直流功率（PV ）的比值。

v O P P /=η (1-3)

T O v P P P += (1-4)

要提高效率，就应消耗在晶体管上的功率P T ,将电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率。

(2) 在甲类放大电路中，为使信号不失真，需设置合适的静态工作点，保证在输入正弦信号的一个周期内，都有电流流过三极管。当有信号输入时，电源供给的功率一部分转化为有用的输出功率，另一部分则消耗在管子（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去，称为管耗。甲类放大电路的效率是较低的，可以证明，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。

(3) 提高效率的主要途径是减小静态电流从而减少管耗。静态电流是造成管耗的主要因素，因此如果把静态工作点Q 向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大时效率低的状况。实现上述设想的电路有乙类和甲乙类放大。乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路中。虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，这就需要在电路结构上采取措施。

2高频功率放大器的原理分析

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。根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、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＝180o，效率最高也只能达到50％，而丙类功放的θ＜90%，效率η可达到80％。由技术指标要求总效率η大于75%，显然不能只用一级宽带功放，利用丙类谐振功放和宽带高频功放组成两级功率放大器。

2.1.丙类谐振功放

2.1.1．丙类谐振功放的特点

(1)与低频功放相比

a.工作频率和相对频带不同

b.负载性质不同

c.工作状态不同

(2)与小信号谐振放大器比较

a.对放大信号的要求不同

b.谐振网络的作用不同

c.工作状态不同

图2.1 三种工作状态波形比较

2.1.2.丙类谐振功放的原理

(1) 电路原理

丙类功放的基极偏置电压-u BE是利用发射极电流的直流分量I E0在射极电阻R E2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u i为正弦波时，则集电极的输出电流i c为余弦脉冲波。利用谐振回路L2、C2的选频作用可输出基波谐振电压u c1、电流i c1。

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图2.2 丙类谐振功放电路

(2) 工作原理

设输入u i 为一余弦信号:

i u = im cos U t ω (2-1)

则三极管的发射结电压：BE u =BB i V u += BB im cos V U t ω+,因为管子只在小半周期内导通，因而i B 为脉冲电流。放大后的i C 也为脉冲电流。根据傅氏级数展开得：

C i =c0c1m c2m cnm cos cos 2cos I I t I t I n t ωωω++++ (2-2)

考虑LC 谐振回路对各次谐波的作用不同得：

c u = c1m P cos I R t ω= cm cos U t ω (2-3)

因而：

CE u = CC c V u -= CC cm cos V U t ω- (2-4)

i

u

图2.3 丙类谐振功率放大器主要相关波形

波形分析：

(a)三极管输入特性

(b)基极脉冲电流及谐波分量

(c)集电极脉冲电流及谐波分量

(d)LC 谐振回路两端电压波形

(e)晶体管集电极和发射极之间的瞬时电压波形

(3) 功率与效率

电源提供功率：O P CC C0V I =

(2-5) 输出功率：2

cm

c1m c1m c1m 00

V 1

1Pc V I I R 222R ==

(2-6) 集电极功耗：C P DC O P P =-

(2-7) 效率：C ηO DC P P =cm c1m CC c012U

I V I =11()2

g ξθ=

(2-8)

其中：cm CC

U V ξ=为集电极电压利用系数。 c1m 1C0

()I g I θ=为集电极电流利用系数（波形系数）。 2.1.3丙类谐振功放的性能分析

(1) 动态线

在以BE U 作为参变量的三极管输出特性曲线上作出的交流负载线

图2.4 交流负载线

且有：BE BB im cos u V U t ω=+，CE CC cm cos u V U t ω=-。可见，动态线和CC V ，BB V ，im U ，cm U 相关。

(1) 三种工作状态

图2.5 三种工作状态 改变BE U 、CE U 将使动态点移动，使谐振功放工作于不同的三种状态：

欠压状态：① 临界状态：② 过压状态：③ 欠压状态

(1) 负载特性

指CC V 、BB V 、im U 不变时，谐振负载P R 变化对放大器性能的影响。如图所示：

图 2.6 负载对放大器性能影响的曲线 观察集电极余弦脉冲变化，如图所示：

图2.7 Rp 增大时的余弦脉冲波形

(2) 调制特性

集电极调制特性：指BB V 、im U 、 P R 固定，CC V 变化对放大器性能的影响。 特点：随着CC V 增大，先后经历：过压→临界→欠压且θ不变。作为集电极调制时应工作于过压区

基极调制特性：指CC V 、im U 、 P R 固定， BB V 变化对放大器性能的影响。

特点：随着BB V 增大，先后经历：→临界→过压且 θ增大。作为基极调制时应工作于欠压区。

图2.8 调制特性

(3) 放大特性

指CC V 、 BB V 、 P R 固定，im U 变化对放大器性能的影响。

特点：随着U im 的增大，先后经历：欠压→临界→过压且θ增大。欠压时用于放大，过压时用于限幅。

图2.9 放大特性

2.1.4.丙类谐振功放电路

(1) 基极馈电电路

图 2.10 基极馈电电路

(2) 集电极馈电电路

图2.11 集电极馈电电路

(3) 滤波匹配网络（输入与输出）

图2.12 滤波匹配网络

2.2.宽带功放

如图2.13所示，晶体管T组成的非谐振甲类功率放大器工作在线性放大状态。其中R1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。R2为交流负反馈电阻，一般为几欧至几十欧，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

图2.13 宽带功放电路

2.2.1静态工作点的确定：

el cq el f eq eq R I R R I V =+=）（ (2-9)

bq BI =cq I (2-10)

7.0V V eq bq += (2-11)

）（el f cq cc ceq R R I V V +-= (2-12)

2.2.2高频变压器：

上图2.13所示的高频变压器仍然是应用变压器的原理，依靠磁芯中的公共磁通将初级线圈的能量传输到次级线圈。由变压器原理可知，宽带功放集电极的功率：P c =P h /ηt （其中Ph 为输出负载的实际功率，ηt 为变压器的传输功率）。

3方案论证

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。甲类放大器电流的导通角为360 度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的导通角约等于180 度；丙类放大器电流的导通角则小于180 度。乙类和丙类都适用于大功率工作。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。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。

4电路设计

4.1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P 0≥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。

4.2丙类功率放大器设计

4.2.1放大器的工作状态

为获得较高的效率η及最大输出功率P 0。放大器的工作状态选为临界状态，取o 70=?，得谐振回路的最佳负载电阻Re 为Ω1102)(02)(=-=

P V V P sat CE CC ，集电极基波电流振幅m c I 1为mA R

P I m c 95201==，集电极电流脉冲的最大值cm I 及其直流分量0c I ，即 cm I =m c I 1 / 1α（）=216mA ， 0c I = cm I ·0α（）=54mA 。 电源供给的直流功率D P 为：W I V P C CC D 65.00==。

集电极的耗散功率'C P 为：W P P P D C 15.00'=-=。

放大器的转换效率η为：η=0P /D P =77%。

若设本级功率增益A P =13dB （20倍），输入功率m c I 1为i P =0P /AP=25mW ，

基极余弦脉冲电流的最大值为bm I （设晶体管3DA1

的直流β=10）bm I =cm I /β=21.6mA ，基极基波电流的振幅m b I 1 为m b I 1=m b I 11α(

)=9.5mA ，输入电压的振幅bm V 为

4.2.2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4.1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4.1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

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mm mm mm 5610??φφ的NXO-100铁氧体磁环来绕制输出耦合变压可得N 2≈8。需要指出的是，变压器的匝数N 1、N 2、N 3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。

4.2.3基极偏置电路参数计算 基极直流偏置电压V B 为V V V V bm on BE B 11.cos )(-=-=?。

射极电阻2E R 为2E R =|B V |/CO I =20Ω。

取高频旁路电容2E C =0.01μF 。

4.3甲类功率放大器设计

4.3.1 电流性能参数