高频谐振功率放大器的设计1

来源：99网

2012~2013 学年第一学期

《高频电子线路》课程设计报告

题目：高频谐振功率放大器的设计专业：电子信息工程班级：10信息1班姓名：许敏胡叶平江传奇杨光刘洋董瑞国指导教师：冯锁

电气工程系 2012年 12月 20日

1、任务书

课题名称高频谐振功率放大器的设计指导教师（职称）冯锁执行时间 2011~2012学年第二学期第16周学生姓名学号承担任务许敏 1009121073 谐振功率放大器的动态特性胡叶平 1009121029 排版及打印江传奇 1009121031 谐振回路和耦合回路参数计算杨光 1009121075 静态工作点计算刘洋 1009121045 高频谐振功率放大器电路设计董瑞国 1009121017 仿真与调试设计目的高频谐振功率放大器的仿真分析 1.高频谐振功率放大电路的原理； 2.高频谐振功率放大电路的电压放大作用设计要求（1）创建电路（2）仿真分析（输入输出、结果分析） 3.集电极电流和输入信号成非线性关系（1）原理（改变Ubm，观察ic的波形）（2）创建电路（3）仿真分析(选取参数，分别令电路工作于欠压、过压状态）

摘要

高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，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，而且通信距离越远，要求输出功率越大。所以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。由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。

本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，最后总结课设体会。

关键字：高频功率放大器；频带窄；选频网络

第一章绪论 .........................................................................................................................................................5 第二章高频功率放大器简介 .............................................................................................................................6 第三章谐振功率放大器的动态特性 .................................................................................................................7

3.1 谐振功放的三种工作状态 ...................................................................................................................7 3.2 基极调制特性 ........................................................................................................................................8 3.3放大特性 .................................................................................................................................................8 第四章电路的设计 .............................................................................................................................................9

4.1 丙类功率放大器的设计 .......................................................................................................................9

4.1.1 放大器工作状态的确定 ...........................................................................................................9 4.1.2 谐振回路和耦合回路参数计算 ...............................................................................................9 4.1.3静态工作点计算 ......................................................................................................................10

第五章高频谐振功率放大电路图 ................................................................................................................... 11

5.1 高频谐振功率放大器电路 ................................................................................................................. 11 第六章仿真与调试 ...........................................................................................................................................12

6.1仿真软件的介绍 ..................................................................................................................................12

6.1.1 Multisim 软件启动界面 .......................................................................................................12 6.1.2 Multisim 仿真软件的特点 ...................................................................................................12 （1）直观的图形界面 .......................................................................................................................13 （2）丰富的元器件 ...........................................................................................................................13 （3）强大的仿真能力 .......................................................................................................................13 （4）丰富的测试仪器 .......................................................................................................................13 （5）独特的射频(RF)模块 ...............................................................................................................14 （6）强大的MCU模块 ....................................................................................................................14 （7）完善的后处理 ...........................................................................................................................14 （9）兼容性好的信息转换 ...............................................................................................................14 6.2输出波形 ..............................................................................................................................................14

6.2.1 欠压输出 .................................................................................................................................14 6.2.2 过压输出 .................................................................................................................................15

第七章结束语 ...................................................................................................................................................16 参考文献 .............................................................................................................................................................17 附录:元件清单 ....................................................................................................................................................18

第一章绪论

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。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Hz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）。

第二章高频功率放大器简介

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

图 2-1 高频谐振放大器基本原理图

第三章谐振功率放大器的动态特性

3.1 谐振功放的三种工作状态

在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：

①欠压工作状态：

集电极最大点电流在临界线的右方； ②过压工作状态：

集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区； ③临界工作状态：

是欠压和过压状态的分界点。

图3-1电压、电流随负载变化波形

高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压Vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。以下着重介绍设计任务中提到的基集调制特性和放大特性。

3.2 基极调制特性

基极调制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能随VBB变化的特性。如图3-2所示。当Vbm一定， VBB自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相应的Vcm）增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。

VC1m IC1m IC0 欠压 0 临界过压 VBB

图3-2谐振放大器的基极调制特性

3.3放大特性

放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。固定VBB、

增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着Vbm的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。

图3-3 谐

振放大器的放大特性

第四章电路的设计

4.1 丙类功率放大器的设计 4.1.1 放大器工作状态的确定

为了真实模拟放大过程我们取一些参数，工作直流电压12V，输入信号频率为6MHZ，负载可调，丙类导通角为70°。 4.1.2 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Rbb<25Ω, 则输出变压器线圈匝数比为

N3N1RL≈0.37 R0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

112L()≈1μH

C2f0采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有

2(A)23cm L4()N102(l)cm2其中 μ=100H/m , A=10, l=25mm, L =1μH mm所以计算得N=7

本级功放采用3DG12晶体管，取β=30 A=13dB即20倍放大倍数则输入功率

Pi = P0 /A=0.3125mW

放大器输入阻抗

Ri= Rbb+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

URim2iPi≈0.46V

4.1.3静态工作点计算

综上可知Ui=0时，晶体管射极电位

UEQ= ICQ×RE1 若基极偏置电流I1 =5 IBQ，则所以，有

IBQ = ICQ /β

R2 = UBQ /5 IBQ ≈50

RUCCU1boUR2≈80

第五章高频谐振功率放大电路图

5.1 高频谐振功率放大器电路

根据所学高频电子知识和上述参数，我们分两级设计出电路图，经过一些列的修改得出设计图如下，应当注意的是连接如此繁杂的图形，应当分级处理，有条不紊。

图5-1功率放大器电路图

设计计算高频谐振功放的前提是假定谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载阻抗为纯电阻。但回路的初始状态或在调谐过程中，会出现回路失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或容性，是回路的等效阻抗下降。这是集电极的输出电压减少，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时肯能损坏晶体管。为保证晶体管安全工作，调谐时，可以先将电源电压Vcc+降低到规定值的一半或三分之一，待找到谐振点时，再将电源电压调大，然后微调电路参数，是输出的波形最大不失真。

第六章仿真与调试

6.1仿真软件的介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 6.1.1 Multisim 软件启动界面

如图6.1 所示，即为Multisim软件的启动界面图。

图6.1 Multisim软件的启动界面图

6.1.2 Multisim 仿真软件的特点

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，与其他仿真软件相比，Multisim具有其自身特点。

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。

（1）直观的图形界面

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；（2）丰富的元器件

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。（3）强大的仿真能力

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。（4）丰富的测试仪器

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量： Multimeter(万用表)

Function Generatoer(函数信号发生器)

Wattmeter(瓦特表) Oscilloscope(示波器) Bode Plotter(波特仪)

Word Generator(字符发生器)

Parameter Sweep Analysis（参数扫描分析） Temperature Sweep Analysis（温度扫描分析） Transfer Function Analysis（传输函数分析）

Worst Case Analysis（最差情况分析） Pole Zero Analysis（零级分析） Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗分析）

Trace Width Analysis（线宽分析）

Nested Sweep Analysis（嵌套扫描分析） Batched Analysis（批处理分析）

User Defined Analysis（用户自定义分析）

它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；

（5）独特的射频(RF)模块

提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；

（6）强大的MCU模块

支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。（7）完善的后处理

对分析结果进行的数算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；（8）详细的报告

能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；（9）兼容性好的信息转换

提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互联网共享文件）

总的来说，Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim中完整的器件库，用户可以快速创建原理图，并利用工业标准SPICE仿真器仿真电路。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，电路设计者能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。 6.2输出波形

运用基极调节特性，改变输入信号Ubm，使电路处于欠压和过压状态，打开示波器，观察ic的波形。 6.2.1 欠压输出

当UBB小于70mV，电路处于欠压状态。故选取基极直流电压为60mV。输入信号ubm70cos1210^4t，此时示波器波形截图如下：

图6-2-1欠压时的输出波形

由于UBB和ub是以串联叠加的方式处于功放的输入回路，因此UBB的变化与ub的振幅

ubm的变化对输出电流和输出电压振幅的影响是类似的，可以对照分析。基极调制的目的是使ucm随UBB的变化规律而变化，所以功放工作在欠压状态，才能使UBB对ucm有控制作用。 6.2.2 过压输出

当电路调至过压时，必须基极直流电压大于70mV。我们选取UBB=80mV。输入信号为ubm90cos1210^4t。此时的输出波形截图如下：

图6-2-2过压时的输出波形

以上实验均是UCC、R和Ubm固定，输出电压振幅Ucm随基极偏压UBB变化的规律。称之为基极调制特性。基极调制特性详见3.2节。注意的是，一般功放的输入信号加在基极时，我们采取欠压工作状态，以保证UBB对ucm的控制作用及对输入信号的保真。

第七章结束语

课程设计诚然是一门专业课，给我们很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我们莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我们对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我们掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了可调直流稳压电源构造及原理。

在本次课程设计中我们学到了许多书本上没有的知识，比如做任何事情都要仔细人，一个小的差错就可能导致整个工作的前功尽弃，反之，认真可以发现“柳暗花明又一村”的效果。遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，一步步的探索，完全可以解决一般的问题，并且通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识。实践出真知，通过亲自动手操作，使我们掌握的知识不再只是纸上谈兵。

回顾起此课程设计，至今仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。最后衷心感谢老师在课程设计之中给我们的指导，让我们能够完整的完成此次课程设计。

参考文献

[1] 刘泉主编. 通信电子线路. 武汉理工大学出版社，2005年1月

[2] 谢自美主编. 电子线路设计·实验·测试. 华中科技大学出版社，2006年8月 [3] 高建新等主编. 电子技术实验与实训. 机械工业出版社，2006年8月

[4] 赵淑范等主编. 电子技术实验与课程设计. 清华大学出版社，2006年8月 [5] 曾兴雯主编. 高频电子线路. 高等教育出版社出版，2009年11月

[6] 张新喜主编. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，2010年2月 [7] 杨翠娥主编. 高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨工程大学出版社，2005年1月

元件清单

元件参数或型号数量可调电阻 100Ω 1 可调电阻 200Ω 2 电阻 10Ω 1 电源 12V 1 电容 1.5nF 2 电容 100nF 2 电感 1uH 1 三极管 2N2219 1

附录:

答辩记录及评分表

课题名称高频谐振功率放大器的设计答辩教师（职称）冯锁答辩时间 2010~2013 学年第一学期第16周答辩记录

答辩记录评分表学生姓名学号评分许敏 1009121073 胡叶平 1009121029 江传奇 1009121031 杨光 1009121075 刘洋 1009121045 董瑞国 1009121017

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