当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

高频功率放大器的设计 (2)


东 北 石 油 大 学


课 题 院 程 目 系







高频电子线路 高频功率放大器的设计 电子科学学院 电信 0

专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师

070

2011 年 3 月 4



东北石油大学课程设计任务书
课程 题目 专业 高频电子线路 高频功率放大器的设计 电子信息工程 姓名 学号 07090

主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容 利用所学的高频电路知识,设计一个高频功率放大器。通过本次电路设计,掌握 高频谐振功率放大器的设计方法、电路调谐及测试技术。加深对高频电子线路课程理 论知识的理解,提高电路设计及电子实践能力。 2、基本要求 设计一个高频功率放大器,主要技术指标为: (1) 工作中心频率 f 0 = 6.5MHz ; (2) 输出功率 PA ≥ 100mW ; (3) 负载电阻 RL = 75? ; (4) 效率 η > 60% 。
3、主要参考资料 [1] 阳昌汉。 高频电子线路。 哈尔滨:高等教育出版社,2006。 [2] 张肃文,陆兆雄。 高频电子线路(第三版)。 北京:高等教育出版社,1993。 [3] 谢自美。 电子线路设计·实验·测试。 武汉:华中科技大学出版社,2000。 [4] 高吉祥。 电子技术基础实验与课程设计。 北京:电子工业出版社,2002。

完成期限 指导教师 专业负责人

2 月 28 日-3 月 4 日

2011 年

2

月 25 日

一、电路原理
1.电路原理及用途
在通信电路中, 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,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。根据放大器电流导通角 θ 的范围,电流导通角 θ 越小,放大器的 效率 η 越高。基于这一特点,高频功率放大器一般都工作在丙类状态。
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 θc=180° θc=90° 90°<θc<180° θc<90° 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%<η<78.5% η>78.5% 90%~100% 负 载 应 用

电阻 推挽,回路 推挽 选频回路 选频回路

低频 低频,高频 低频 高频 高频

表 1 不同工作状态时放大器的特点

2.主要技术指标
高频功率放大器的主要技术指标有:输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑 制度等。这几项指标要求是互相矛盾的,在设计放大器时应根据具体要求,突出一些 指标,兼顾其他一些指标。本次课程设计的主要技术指标要求如下: (1) 工作中心频率 f 0 = 6.5MHz ; (2) 输出功率 PA ≥ 100mW ; (3) 负载电阻 RL = 75? ; (4) 效率 η > 60% 。
+VCC=+12V, 晶体管 3DG12 的主要参数为 PCM=700mW, CM=300mA, CE(sat)≤0.6V, fe≥30, I V h 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, VCE

(sat)

≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。 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。为使读者对应用较多的甲 类功放与丙类功放均有所了解,所以本题采用了如图 4 所示的电路,其中甲类功放选用晶体管 3DG12,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。

二、设计步骤和调试过程
1、总体设计电路

输入信号

输出信号

甲类功率放大器

丙类功率放大器

图 1 总体设计框图

整个电路的原理图如图 2 所示:

L10 47uH C10 T1 0.01uF R1 3K 8T C1 0.02uF R2 12K Ri 5K CE1 RE1 0.02uF 1.8K RE2 100 CE2 0.022?F Q1 3DG12 Q2 3DA1 N1 2T N2 1T C11 0.01uF 100pF C6 N1 T2 N3 3T Trans CT

L20 -12V C20 47uH C21 0.01uF

0.01uF

RL 75

图2

高频功率放大器电路原理图

2、电路工作状态或元件参数的确定
(1)所需器件:
器件类别 1、 3DG1 晶 2 体 管 3DA1 2、电阻 3、电容 4、高频磁 环 5、漆包线 6、电源 主要参数

pCM = 700mw, I CM = 300mA,U CES ≤ 0.6v, h fe ≥ 30, f t ≥ 150MHZ , Aρ ≥ 6dB ????????????????????????????????????????? pCM = 1w, I CM = 750mA,U CES ≥ 1.5v, h fe ≥ 10, f t ≥ 70MHZ , Aρ ≥ 13dB
各阻值电阻若干 各值电容若干 镍锌铁氧体磁环(NX-100) ,Φ10mm×Φ6mm×5mm Φ0.31mm +UCC=12V
表 2 元件类别及参数

(2)丙类功率放大器的设计
① 确定放大器工作状态: 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

得集电极基波电流振幅



得集电极电流脉冲的最大值 Icm 及其直流分量 Ic0,即

Icm= Ic1m / α1( Ic0= Icm ·α0(
得电源供给的直流功率 PD 为

)=216mA )=54mA

PD=VCCIc0=0.65W
得集电极的耗散功率 PC'为

PC'=PD-P0=0.15W
得放大器的转换效率 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
得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
得基极基波电流的振幅 Ib1m 为

Ib1m=Ib1mα1(
得输入电压的振幅 Vbm 为

)=9.5mA

② 计算谐振回路和耦合回路参数 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 Z 1 =

Rbb 25? = ≈87.1Ω (1 ? cos θ ) × α 1 (θ ) (1 ? cos 70 ) × 0.436

则输出变压器线圈匝数比为:

N3 = N1

RL ≈0.37 R0

则这里,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 L = 用 Φ10mm×Φ6mm×5mm 磁环来绕制输出变压器, 所以有 L = 4Π ( ? ) ×
2 ( A) cm 2 × N 2 × 10 ?3 (l ) cm

1 1 2 ×( ) ≈60μH C 2πf 0

其中μ=100H/m , A= 10mm 2 , l =25mm, L =60μH 所以 N 2 ≈20

(3)甲类功率放大器的设计
①计算电路性能参数

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|=86 。 设甲类功率放大器的电路如图 4 所示的激励级电路,得集电极的输出功率 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 360 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=25 +30×R3 若取交流负反馈电阻 R3=10 , 则 Ri=335

得本级输入电压的振幅 Vim 为 ②计算静态工作点 综上可知 Ui=0 时,晶体管射极电位 Ueq= Icq * RE1 = 8.9V ,Ubo=9.5V Ibo=Ico/β=0.17mA 若基极偏置电流 I1=5Ibo 所以有 R1 =
,则 R2=

Ubo/5Ibo≈11.2kΩ

U CC ? U bo × R2 ≈2.95kΩ U bo

3、仿真及仿真结果分析
将上述设计的元件参数,按图 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 3DA1 静态时,基极偏置电压 Ube=0, 静态工作点调整后在进行动态调试。先假定谐振回路已经处于谐振状态,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,回路出现失谐状态,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加,严重时可能损毁晶体管。

图3

高频功率放大器输入输出波形仿真图

4、设计电路的性能评测
利用电子设计工具软件 Multisism 设计了高频功率放大器,并对所设计的功率放

大器性能进行了仿真实验,仿真结果表明所设计的放大器性能良好,满足设计要求, 即 (1) 工 作 中 心 频 率 f 0 = 6.5MHz ; (2) 输 出 功 率 PA ≥ 100mW ; (3) 负 载 电 阻 RL = 75? ;(4) 效率 η > 60% 。

三、结论及心得体会
经过这次将近一周的高频课程设计, 不仅使我巩固了以前所学过的知识, 更使我懂 得了理论与实际相结合是很重要的, 只有理论知识是远远不够的, 只有把所学的理论知 识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正学到属于自己的知识,从而提高自 己的实际动手能力和独立思考的能力。 在设计的过程中我发现了自己的很多的不足之处, 比如说发现自己对以前所学过的 知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。通过这次实习,我掌握了高频放大器的基本原 理,甲类放大器和丙类放大器的基本技术指标,充分融会贯通达到熟练运用的地步。课 程设计的这段时间我确实受益匪浅, 不仅提升了我的实践能力, 更重要的是我的专业知 识又有了很大的进步。

参考资料
[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨:高等教育出版社,2006. [2] 张肃文,陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京:高等教育出版社,1993. [3] 谢自美. 电子线路设计· 实验· 测试.武汉: 华中科技大学出版社,2000. [4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京:电子工业出版社,2002. [5] 陈松,金鸿. 电子设计自动化技术 Multisi m2001 & Protel99 se.南京:东 南大学出版社 , 2001.

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生姓名 序号 评价项目 工作量、工作态 1 度和出勤率 学号 指

高频电子线路 高频功率放大器的设计 指导教 师姓名 标 职称 满分 评分

按期圆满的完成了规定的任务,难易程度和工作 量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率 高,工作作风严谨,善于与他人合作。 课程设计选题合理,计算过程简练准确,分析问 20

2

课程设计质量

题思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写规范, 图表完备正确。

45

3 4 总分 评语:

创新 答辩

工作中有创新意识,对前人工作有一些改进或有 一定应用价值。 能正确回答指导教师所提出的问题。 5 30

指导教师:

2011 年 3 月 8 日


相关文章:
高频功率放大器设计
特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指 标。 图 1 高频功放原理图 -1- 高频功率放大器设计本次课程设计需要达到的技术指标如下...
高频功率放大器设计
14 0 一课题名称高频功率放大器设计 内容摘要 在广播、电视、通信等系统中都需要将有用的信号调制在高频载波信号上通过无线电 发射机发射出去。高频载波信号由...
高频功率放大器的设计及仿真
设计题目与设计任务(设计任务书) 1.1 设计题目 高频功率放大器的设计及仿真 1.2 设计任务 要求设计一个技术指标为输出功率 Po≥125mW,工作中心频率 fo=6MHz ...
高频功率放大器的设计与应用
35页 2财富值 高频功率放大器设计 28页 5财富值如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 ...
高频功率放大器设计
2 1 高频功率放大器知识简介 ... 3 1.1 电路工作原理 ......
高频谐振功率放大器设计
武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书 天津天狮学院《高频电子线路》设计报告 题目: 班级: 姓名: 高频谐振功率放大器 2 班 黄霞 专业:(本 14 级电子信息...
第2章 高频功率放大器答案 2014
2高频功率放大器答案 2014_电子/电路_工程科技_专业资料。第2章失谐将产生...Po ? ? 5 ?6.25(W ) 0.8 2.12 实测一谐振功放,发现 Po 仅为设计值...
高频谐振功率放大器设计
15 2 武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书 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 发送功率的要求,然后经过...
高频功率放大器的设计 (2)
高频功率放大器的设计 (2) 高频设计高频设计隐藏>> 东北石油大学 课课 题院程目系 程 设 计 高频电子线路 高频功率放大器的设计 电子科学学院 电信 0 专业班...
高频功率放大器的设计
通过本次电路设计,掌握 高频谐振功率放大器的设计方法、电路调谐及测试技术。加深对高频电子线路课程理 论知识的理解,提高电路设计及电子实践能力。 2、基本要求 ...
更多相关标签:
高频功率放大器设计 | 高频功率放大器 | 高频谐振功率放大器 | 丙类高频功率放大器 | 高频功率放大器电路图 | 高频功率放大器芯片 | 高频功率放大器的应用 | 宽带高频功率放大器 |