通信基本电路高频功率放大器课程设计.doc

通信基本电路
课程设计

题 目：高频功率放大器的设计
班 级： 通信09-03班
姓 名： 吴 兵
学 号： 310909020322
日 期：2012.9.3—2012.9.14
指导老师： 逯 静

高频功率放大器的设计
一、概述：
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。它将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。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。
根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ越小，放大器的效率η越高；如甲类功率放大器的θ=180o,效率η最高也只能达到50%。当θ=900时，表明管子半个周期全导通，乙类放大器；而丙类功率放大器的θ<90o,效率η最高也只能达到80%。高频功率放大器工作在非线性区域，工程上采用折线法来近似分析。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。
二、主要技术指标：
高频功率放大器的主要技术指标有：
(1)高频输出功率
高频输出功率是指负载RL上得到的最大不失真功率,如图2所示电路图，由于负载RL与丙类放大器的谐振回路之间采用变压耦合方式，实现了阻抗匹配，则集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率，即
P0 = UL2RL；
(2)效率
高频功率放大器的总效率由晶体管集电极效率ηc和槽路效率ηT、而槽路效率也就是小信号调谐放大器的谐振回路效率，放大器的能量转换效率主要是由集电极的效率决定，所以通常将集电极效率视为高频功率放大器效率，用η表示即：
η=P0Ps;
式中：P0为晶体管集电极的输出功率；
Ps电源供给的直流功率；
(3)中心频率f0、负载电阻RL和功率增益等，在设计功率放大器时，要根据放大器的特点，兼顾其指标。
三、 本次课程设计中，主要技术指标如下：
(1)输出功率大于100mW
(2)工作中心频率约为5MHz
(3)效率大于50%
(4)负载为50欧姆
四、总体方案论证：
从输出功率P0≥100mW来看，末级的功放可以采用甲类或乙类或丙类功率放大器，但要求总的效率η＞50%，显然不能只使用一级甲类功率放大器。但可以采用一级丙类功率放大器。故采用两级功率放大器，第一级采用甲类功率放大器，第二级采用丙类功率放大器，其中甲类功率放大器采用晶体管3DG12，丙类采用晶体管3DA1。
五、总体设计框图如下：
输出信号
输入信号

丙类功率放大器
甲类功率放大器

图1 总体设计框图
甲类功率放大器适合做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率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率，晶体管工作在非线性区域（截止和饱和区）。丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，所以一般选用临界状态。同时, 为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量, 采用LC谐振回路作为选频网络。如图2为由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路。

图2 高频功率放大器
六、高频功率放大器电路设计：
首先设计丙类功率放大器，再设计甲类功率放大器。
1.丙类功率放大器的设计
已知：电源电压UCC=12V,晶体管3DA1的主要参数为PCM=1W，ICM=750mA， UCES≥1.5V,fT≥70MHz,AP ≥13dB,BVCEO ≥50V,β=10。
丙类功率放大器的基极偏置电压—UBE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的。当放大器的输入信号Ui为正弦波时，则集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2C2的选频作用可输出基波谐振电压uc1、电流icl。如图画出了丙类功率放大器的输入电压ube与集电极电流ic波形关系。

图3 输入电压ube与集电极电流ic波形
(1)确定放大器的工作状态
如图2所示为获取较高的效率η及最大的输出功率P0，放大器的工作状态选临界状态，取θ=70O，由此可得谐振回路的最佳负载电阻RC为
RC=(Ucc-UCES)22P0=550Ω；
同时可得集电极基波电流振幅Iclm为
Iclm=2P0RC=20mA;
集电极电流脉冲的最大值为
Icmax=Iclm/α1(700)=47mA;
集电极直流分量为
Ic0= Icmax·α0(700)=12mA；
电源供给的的直流功率Ps为：
PS = UCCIC0 = 144mW；
集电极的耗散功率为：
PC = PS – P0 = 44 mW;
放大器的转换效率为：
η= P0/PS = 70%
若设本级功率增益AP=13dB(20倍)，输入功率Pi为：
Pi = P0/AP = 5 mW；
基极余弦脉冲电流的最大值Ibmax 为:
Ibmax = Icmax / β = 4.7 mA;
基极基波电流的振幅Iblm为:
Iblm = Ibmaxα1(700)= 2 mW;
输入电压的振幅Ubm 为：
Ubm = 2PiIblm = 5 V ；
(2)计算谐振回路及耦合回路的参数
丙类功率放大器的输出回路采用了变压器耦合方式，其等效电路如图4：

图4 变压器耦合电路
集电极谐振回路为部分介入，谐振频率为
ω0=1LC
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|可计算为：
|Zi| = rbb'(1-cosθ)α1(θ) = 86Ω;
式中，rbb'—晶体管基极电阻，rbb'≤25Ω；
输出变压器的线圈匝数比为：
N3N1 = RLRc = 0.3;
取N3=3，N1=10。
若取集电极并联谐振回路的C=100pF，得回路电感为：
L = 2.53×10000f02C μH=10 μH;
若采用的∅10mm×∅6mm×5mm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
L = 4π2μA2l2N22×10-3μH
其中μ=100H/m，A=10 mm2, l = 25mm；L = 10 μH
则N2 = 20；
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)基极偏置电路参数的设置
基极直流偏置电压UB为：
UB = U1－Ubmcosθ =－1.1V;
其中U1 = 0.6V；
射级电阻RE2 为：
RE2 = |UB|/Ico = 91Ω;
取高频旁路电容CE2 = 0.01 μF。
2.甲类功率放大器的设计
已知：电源电压UCC=12V,晶体管3DG12的主要参数为PCM =700 mW，ICM=300mA， UCES≤0.6V,fT≥150MHz,AP ≥6dB。
(1)计算电路性能参数
由丙类功率放大器的设计结果可得甲类功率放大器的输出功率PH应等于丙类功率放大器的输入功率Pi，即PH=Pi=5 mW,输出负载RH应等于丙类功率放大器的输入阻抗|Zi|，即RH'= |Zi|=86Ω;
如图5所示为甲类功率放大器的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻RB称为最佳负载电阻。

B

Icm Ibm
ICQ Q
Ib
UCES Ucc--IcQRE

Ucm A Ucc

图5 甲类功放的负载特性
设甲类功率放大器的电路如图2所示的激励级电路，得集电极的输出功率Pc1为(若取变压器效率ηT=0.8)
Pc1 = PH/ ηT = 8.3 mW;
若取放大器的静态电流IcQ = I cm = 7mA，得集电极电压的振幅Ucm为 :
Ucm=2Pc/IcQ= 3V，
最佳负载电阻RH为：
RH = Ucm22PC= 0.54 KΩ;
发射机直流负反馈电阻为：
RE1 = UCC-Ucm-UcEsIcQ = 1070Ω;
输出变压器匝数比为
N1N2 = ηTRHRH' = 2;
若取次级匝数N2=1，则初级匝数N1=2 ；
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=PC1/Ap=0.63 mW
放大器的输入阻抗Ri为
Ri≈rb'b +βR3=25Ω+30×R3
式中，rbb'—晶体管基极电阻，rbb'≤25Ω;
若取交流负反馈电阻R3=10Ω，则
Ri=325Ω，
本级输入电压的振幅Uim为:
Uim=2RiPi = 0.6V
(2)计算静态工作点
如图2所示，晶体管组成的非谐振甲类功率放大器工作在线性放大状态。其中RB1、RB2为基极偏执电阻，RE为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点，RF为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。
由上述计算结果得到静态时(Ui=0)晶体管的射极电位UEQ为
UEQ = ICQRE1 = 7.5V，
则 UBQ = UEQ + 0.7 = 8.2 V
IBQ = IcQ /β= 0.23mA;
若取基极偏置电路的电流I1=5 IBQ，则
R2= UBQ /5 IBQ =7kΩ
R1 = UCC-UBQIcQR2 = 4KΩ
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=0.02µF的LC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。
将上述设计计算的元件参数按照图2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UBQ=2.8V,UEQ=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UBE=0。

图3 高频功率放大器实验电路
3.高频谐振功率放大器的调整
如图4为测量功率放大器连接电路，其中高频信号发生器提供激励信号电压与谐振频率，示波器检测波形失真，直流毫安表mA测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载RL的端电压。只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。可以通过高频电压表V及直流毫安表mA的指针来判断集电极电路是否谐振，即电压表V的指示为最大值，毫安表mA的指示为最小值时集电极回路处于谐振。

图4 高频功率放大器的测试电路
(1)谐振状态的调整方法
设计高频谐振功率放大器的前提是谐振回路已处于谐振状态。即集电极的负载阻抗为纯电阻，但回路的初始状态或者在协调过程中，会出现回路失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或容性，将使回路的等效阻抗下降，这时集电极输出电压减大，集电极的耗散功率增加。为保证晶体管的安全工作，调谐时，可以将电源电压+Ucc降到规定的值的1/2或1/3，待找到谐振点后，再将Ucc 升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。如图4为高频功率放大器的测试电路，回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大的值，直流毫安表的读数为最小，示波器检测的波形为不失真基波。
(2)寄生振荡及其消除方法
寄生振荡是高频功率放大器调整过程中经常遇到的现象，根据震荡产生的原因，常见寄生振荡有两种：参量自激型寄生振荡、反馈性寄生振荡。消除参量寄生振荡的常用方法是在基极或发射极接入防振电阻，或引入适当的高频电压负反馈，或降低回路的有载QL值。消除低频寄生振荡器的方法是设法破坏他的正反馈支路，例如减少基极回路线圈的电感量或串入点入，降低线圈的有效Q值。
七、课程设计小结
高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件,经过两周的的实习，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。
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。
总之，通过这次实习，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。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。
八、参考文献：
[1] 于洪珍，通信电子电路，清华大学出版社，2005。
[2] 卓圣鹏，高频电路设计与制作，科学出版社，2007。
[3] 董尚武，高频电子线路实验指导，武汉大学电子信息院，2003.
[4] 刘程，高频电子线路，西安电子科技大学出版社，2003.9
九．附录：

高频功率放大器完整电路图