高频谐振功率放大器设计3

学生姓名： 专业班级： 电信0705 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目 五：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：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

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Vcc ＝ ＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯， 3、工作频率f0＝6MHz

4、负载电阻RL ＝ 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：

二十周一周，其中3天硬件设计，4天软、硬件调试及答辩。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目 录

1 设计要求 ............................................................................................................................. 1 2 EWB仿真软件简介 ........................................................................................................... 1 3 高频谐振功率放大器电路总体方案设计及实现 ............................................................. 2

3.1 电路基本原理 .......................................................................................................... 2 3.2 单元电路设计 .......................................................................................................... 7 3.3 总电路图 ................................................................................................................ 10 3.4 元器件参数计算 .................................................................................................... 10 4 仿真分析及结果 ............................................................................................................... 12

4.1 第一级放大仿真结果 ............................................................................................ 12 4.2 第二级放大仿真结果 ............................................................................................ 13 4.3 仿真结果分析 ........................................................................................................ 13 5 电路调试及测试结果 ....................................................................................................... 13

5.1 电路调试 ................................................................................................................ 13 5.2 测试结果 ................................................................................................................ 14 6 元件清单 ........................................................................................................................... 15 7 心得体会 ........................................................................................................................... 16 8 参考文献 ........................................................................................................................... 17 9 本科生课程设计成绩评定表 ........................................................................................... 18

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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Vcc ＝ ＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯， 3、工作频率f0＝6MHz

4、负载电阻RL ＝ 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）。

2 EWB仿真软件简介

electronics Workbench (EWB) 软件是加拿大Interactive Image Technology 公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作台软件。它可以对模拟、数字或混合电路进行仿真。该软件的特点是采用直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，用屏幕抓取的方式选用元器件，创建电路连接测量仪器。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。这里，我们向大家介绍EWB软件的初步知识，基本操作方法，内容仅限于对含有线性RLC元件及通用运算放大器电路的直流、交流稳态和暂态分析。

EWB最明显的特点是：

（1）界面直观。绘制的电路图需要的元器件、测试仪器都是以图标方式出现，而且仪器的操作开关、按钮同实际非常相似，很容易学会和使用。

（2）易学易用。具有一般电子技术基础知识的人员，只需几个小时就可以掌握EWB的基本操作。

（3）仿真的手段和实际相符，仪器和元器件的选用和实际情形非常相似。可以通过对电路的仿真，既掌握电路的性能，又熟悉仪器的正确的使用方法。 （4）具有齐全丰富和可扩充的元器件库。提供了数千种元器件供选用，不仅提供了元器件的理想值，而且有的元器件还提供了实际厂家的元器件模型。

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（5）具有完整的混合模拟与数字信号模拟的功能。可任意地在系统中集成数字及模拟元器件，会自动地进行信号转换。测试具有即时的显示功能。 （6）在对电路进行仿真的同时，还可以存储实验数据、波形、元器件清单、工作状态等，并可打印输出。

（7）提供了各种分析手段。有静态分析、动态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析、离散傅立叶分析、温度分析等各种分析方法。 （8）可人为的设置短路、开路、漏电等故障分析。

（9）与SPICE软件兼容，可相互转换。EWB产生的电路文件还可以直接输出至常见的Protel、 Tango、Orcad等印制电路板排版软件。 （10）提高了电子设计工作的效率。

3 高频谐振功率放大器电路总体方案设计及实现

3.1 电路基本原理

3.1.1 高频谐振功放的基本电路结构

高频谐振功率放大器的电路构成，除电源电路外，主要由晶体管、输入激励电路、输出谐振回路三个部分组成，谐振功率放大器原理电路如图1所示。 图中ub为输入交流信号，EB是基极偏置电压，调整EB，可改变放大器的导通角，以使放大器工作在导通角900丙类状态。EC是集电极电源电压。集电极外接LC并联谐振回路的功用是作放大器负载，实现滤波选频和阻抗匹配。

图1 谐振功率放大器原理电路

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3.1.2 高频谐振功率放大器的工作原理与主要性能指标

放大器工作时，设输入信号电压：ubUbmcost

则加到晶体管基极,发射级的有效电压为: uBEubUBBUBBUbmcost 由晶体管的转移特性曲线可知，如图2所示：

图2谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线 当uBEUBZ时，管子截止，ic0。

当uBEUBZ时，管子导通，icgC(uBEUBZ) 式中：gC为折线的斜率：

gcicuBE

uce常数所以有：icgcUBBUbmcostUBZ ，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表达式为：

icicmaxcostcosC

1cosC若对ic 傅里叶级数分解，即：

icICOICM1costICM1cos2t......ICmncost...

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

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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：

uCUCmcostIcm1ROcost

式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,Icm1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:

21121UcmP0Icm1UcmIcm1RO222RO

集电极电源EC供给的直流输入功率为：

PEECIC0 ICO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Po与直流输入功率PE之比，即：

P01Ic1mUcmC3.1.3高频谐振功率放大器的工作状态

PE2IC0EC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。如图3所示。

当C点落在输出特性(对应uBEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；

当C点落在饱和区时，为过压状态。其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。

②③00iCiCE①②FC″③A′A″③①AECB0ucuCEC′CuBEmax②①

 t图3 谐振功率放大器的工作状态

3.1.4 高频谐振功率放大器的外部特性

① 负载特性

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负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变RO时，谐振功率放大器的电流IC0、Icm1，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲线。从上面动特性曲线随RO变化的分析可以看出，RO由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲，如图4(a)所示。

iCiCiCiCIclmIC0UcmPCPECP00 t0 tRe增大(a)0 t0 t0欠压区Recr过压区Re0欠压区Recr过压区(c)Re(b)图4谐振功率放大器的负载特性

② 集电极调制特性

集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、RO不变而改变EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率随之变化的曲线。当EC由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图5所示。

图5谐振功率放大器的集电极调制特性

由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度Ucm与EC成正比。利用这一特点，可以通过控制EC的变化，实现电压、电流、功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调制特性曲线。 ③ 基极调制特性

基极调制特性是指当EC、Ubm、RO保持不变而改变EB时，功放电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率的变化曲线。当EB增大时，会引起θ、iCmax增大，从而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不变，uCEmin=EC-Ucm则会减小，

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这样势必导致工作状态会由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深，iC波形如图6所示。

图6谐振功率放大器的基极调制特性

利用这一特点，可通过控制EB实现对电流、电压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以称这组特性曲线为基极调制特性曲线。 ④ 调谐特性

由于高功放的负载是LC谐振回路,在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C (或L）时，高功放的外部电流Ico（直流）、Icm1（基波）和相应的Ucm（输出）等随C （L）的变化特性称为高功放的调谐特性。

当回路谐振时，阻抗最大，此时，电路中Ico、Icm1最小，而Ucm最大。 当回路参数变化后，将使LC回路失谐，则使阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将由临界向欠压状态或过压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将下降 。波形如图7所示.

图7谐振功率放大器的调谐调制特性

由此可见，高功放的回路失谐后直流输入功率Po=Ico E 将随Ico的增加而增加，而输出功率Pc=Icm1 Ucm cosφ将主要因cosφ因子而下降，因此失谐后集电极功耗Po将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。 ⑤ 放大特性

放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变Ubm时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率的变化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的

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影响与基极调制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、ηC随Ubm的变化曲线如图8所示。

iCiCiCiCiC (a)0t0t0t0t0t Ubm增大Ucm , IUcmclm , IC0

Iclm IC0

(b)0欠压临界过压Ubm图8谐振功率放大器的放大特性

由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。

3.2 单元电路设计

在通信系统中, 高频谐振功率放大电路，是无线电发射机的重要组成部分,它的主要功用是实现对高频已调波信号的功率放大, 然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间,以实现用无线信道的方式完成信息的远距离传送。所以研究高频功率放大器的主要任务是怎样以高效率输出最大的高频功率。因此, 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态, 即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态，导通角900。虽然功率增益比甲类和乙类小，但效率η却比甲类和乙类高。一般可达到80%。 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, 故称为高频谐振功率放大器，显然,谐振功放属于窄带功放电路。

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3.2.1 宽带功率放大器设计

图9 宽带功放器

激励级T1为甲类线性功率放大器，采用固定偏压形式，静态工作点

ICQ7mA。其集电极负载为LC 选频谐振回路，谐振电容C取120Pf，电感L

取6uH、谐振频率为6MHz，集电极输出由变压器耦合输出到下一级。变压器TE1的参数为：10S型N2=18匝，N1=9匝。N3=6匝。R1 和Rw1 可调节甲类放大器的偏置电压，以获得较宽的动态范围；R3、Rw2、Ce为发射极偏置电路，R310Ω为交直流负反馈电阻。 Rw2为500Ω直流负反馈电阻可调，控制甲类功放的输出电平，以满足丙类功放对输入电平的要求.

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3.2.2 丙类功率放大器设计

图10 丙类功放器

功放级BG2采用丙类放大，使用3DG12C。导通角为70°，基极偏压采用发射极电流的直流分量IEO在发射极偏置电阻Re上产生所需要的VBB，其中直流反馈电阻Rw3为100Ω，可调节丙类放大器的功率增益。交直流反馈电阻为10Ω，集电极谐振回路电容为120P ，负载为50Ω，输出由变压器耦合输出，采用中间抽头，以利于阻抗匹配。采用10S型，它们的匝数分别为：N3＝6匝，N1＝9匝，N2＝18匝。

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3.3 总电路图

图11 总电路图

3.4 元器件参数计算

3.4.1确定功放的工作状态

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在600—900范围。现设=700。查表4-2-3得：集电极电流余弦脉冲直流Ico分解系数ao=0.25，集电极电流余弦脉冲基波Ic1m分解系数a1=0.44 ，因功率放大器集电极的等效电阻为：

2(VccVCES)2(121.5)Rq110

2Pc2(0.5)W集电极基波电流振幅为：

Ic1m2Pc/Rq95mA

集电极电流脉冲的最大振幅为：

IcmIC1m/a1()95mA/0.44216mA

集电极电流脉冲的直流分量为：

IcoIcmao()2160.2554mA

电源提供的直流功率为：PDVcc*Ico12V*54mA0.65w

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集电极的耗散功率为：P,cPDPc0.650.50.15w 集电极的效率为：Pc/PD0.5/0.6577% (满足设计要求) 已知：Ap13dB

则：输入功率：PiPo/ApPc/Ap25mV

基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10） IBmIcm基极基波电流的振幅为：IB1mIBma1(700)9.5mA 得基极输入的电压振幅为：VBm2Pi/IB1m5.3V

21.6mV3.4.2计算谐振回路与耦合线圈的参数

（1）谐振回路LC参数的计算

1若设C=100pf 则L10uH

42f2c1． 耦合线圈参数计算

丙类功率放大器输入输出耦合回路均采用高频耦合方式，其输入阻抗Zi为：

Zirb'b2586 o(1cos)a1()1cos(70)0.44输出变压器线圈匝数比为：

N3N12PcRLVC1m20.5510.68

121.5

取N3=2，N1=3，

现采用Φ10mm×Φ6mm×5mm的铁氧体磁环来绕制输出耦合变压器，已知其参数为μ=100H/m，A=10mm2，l=25mm。则由式。

2Acm2L42uH/mN2103uH 计算初级线圈的总匝数N2=8

Lcm式中，μ —— 磁导率； N —— 线圈匝数； A —— 磁芯截面积； l —— 平均磁路长度。

L = Al·N2 Al——电感系数（H/匝2）

需要指出的是，变压器的匝数的计算值只能是参考值，由于电路高频工作时分布参数的影响，与设计值相差较大。线圈匝数比为的计算仅作参考，实际使用时应适当调整。

高频变压器及高频电感的绕制时其变压器的磁芯

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应采用铁氧体，而不能用硅钢片铁芯。环形铁氧体结构如图4-2-13所示，尺寸为外径×内径×高，使用漆包线绕制。

3.4.3 基极偏置电路计算

VjVb 则有 ：VbViVbm1.1V VBm因 VBICORE 则有 ：REVB/Ico20

因 cos取高频旁路电容CE20.01pf

3.4.4 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。

4 仿真分析及结果

4.1 第一级放大仿真结果

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4.2 第二级放大仿真结果

4.3 仿真结果分析

输入高频信号 经第一级放大 （甲类） 经第二级放大 （丙类） 电压幅值 138mv 9.80v 17.93v 5 电路调试及测试结果

5.1 电路调试

将上述设计的元件参数，按图1所示电路进行安装。先安装第一级放大器，

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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，回出现贿赂失谐状态，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。为保证元器件安全工作，调谐时可以先将电源电压UCC降低到规定值的

11，待找到谐振点后，23再将UCC升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测的波形为不失真基波。

5.2 测试结果

(1) 使高功放处于最佳谐振状态。

（2）按表1所列格式，测试并记录相应的数据。 表1 Fo= 实测 实测计算 RL=75Ω Vb Ve Vce Vi Vo Io Ic P= Po Pc η 丙类放大 器 （3）依据测试数据，计算出本谐振功率放大器的主要性能指标。 其中：Vi：输入电压峰－峰值 Vo：输出电压峰－峰值

Io：发射极直流电压÷发射极电阻值

P=：电源给出直流功率（P= = Vcc*Io） Pc：为管子损耗功率（Pc＝IcVce） Po：输出功率

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6 元件清单 器件类别 主要参数 1、3DG1pCM700mw,ICM300mA,UCES0.6v,hfe30,ft150MHZ,A6dB晶2 体 管 3DA1 pCM1w,ICM750mA,UCES1.5v,hfe10,ft70MHZ,A13dB 2、电阻 各阻值电阻若干 3、电容 各值电容若干 4、高频磁镍锌铁氧体磁环（NX-100），Φ10mm×Φ6mm×5mm 环 5、漆包线 Φ0.31mm 6、电源 +UCC=12V

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7 心得体会

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8 参考文献

[1] 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 [2] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000

[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] 诸昌清. 电子线路试验.北京：高等教育出版社，1991

[6] 梁宗善. 新型集成电路的应用—电子技术基础课程的设计.武汉：华中理工大学出版社，

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9 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 专业、班级 张 润 性 别 男 电子信息工程 0705班 课程设计题目： 高频谐振功率放大器设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

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