谐振功率放大电路的设计.doc

毕业设计（论文）任务书 2010 年 1 月 10 日至 2010 年 4 月 25 日题 目： 谐振功率放大电路的设计 姓 名： 学 号： 系 部： 物理系 专 业： 电子信息科学与技术年 级： 二00六 指导教师： （签名）系主任（或教研室主任）： （签章）谐振功率放大电路的设计XX大学 XXX摘要： 本论文利用所学的高频电子线路知识，设计一个高频功率放大器。通过对电路的设计，来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。高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，就要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。功率放大电路的主要性能指标 ：输出功率、效率和非线性失真，而通常在实际应用中为了节省能量所以效率显得尤为重要，因此丙类工作状态为我们所采用，而在工作中为了滤除丙类工作中产生的众多高次谐波分量，因而采用LC谐振回路作为选频网络，也因此也称为丙类谐振功率放大电路由于丙类谐振功率放大电路方便实用而且容易实现，所以本篇论文主要展示其工作原理、状态及效果。关键词：谐振、功率、丙类谐振功率、放大电路的设计目录（一）设计原理5（二）谐振功率放大电路的工作原理7（三）选定器件11（四）安装调试12（五）结束语12（六）致谢13（七）参考文献13引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随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，功率放大电路的应用也变得越来越广泛，作为电子器件中最重要的的功率放大元件，功率放大器也是高频电子线路中需要我们学习的一门主要课程。因此，这门课程也要求我们熟悉谐振功率放大器的工作方法及工作状态，懂得谐振功率放大器的工作原理并且能设计和测试简单的谐振功率放大电路。因为功率放大器在实际应用中重要而广泛，所以谐振功率放大器的性能以及效率就显得尤为重要。在放大器中根据晶体管的工作状态的不同，或晶体管集电极导通角的范围的差异，放大器又可以分为甲、乙、丙、丁等不同的种类。晶体管中电流的导通角越小，放大器的工作效率也就越高。所以谐振功率放大器一般都工作在丙类状态，主要应用于无线发射机中，用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大。正文（一）设计原理 在设计谐振功率放大电路时，首先要根据放大器的工作频率和输出功率等要求选择适合的功率管。然后，在依据回路传输效率和元件的数值以及整个电路的可实现性等要求选择适合的滤波匹配网络。本论文根据放大器的各项工作指标，作如下设计：1、 谐振功率放大电路的结构：功率管、直流馈电电路和滤波匹配网络三部分构成。2、 功率管：放大器中功率管的选择可以分为：甲类、乙类、丙类、丁类和甲乙类等几种，在实际应用中考虑到功率管的效率、稳定性以及节能的需要我们通常选择丙类工作状态下的功率管。3、 直流馈电网络：直流馈电网络可以分为串馈、并馈两类。（1）其中串馈网络指的是：直流电源、滤波匹配网络和功率管在电路上串接的连接方式。其中Lc为高频扼流圈，它与Cc构成电源滤波电路，Lc的感抗很大接近断路，Cc的容抗很小，接近短路。这样就能避免信号电流通过直流而产生级间反馈，造成的不稳定情况。（2）并馈电路网络指：直流电源Vcc、滤波匹配网络和功率管在电路上并接的一种连接方式。其中Lc为高频扼流圈，上面Cc为直流电容起阻隔作用下面为电源滤波电容，这两个电容很小接近短路，Lc感抗很大接近断路。采用这种馈电方式，虽然在连接上是并联，但是匹配网络两端的电压vc直接加载了Lc上，所以加在集电极上的电压vce=Vcc=vc,与串馈网路相同。4、滤波匹配网络对于交流通路而言，滤波网络应介于功率管T与外接负载R之间。主要用来滤除电路中不需要的高次谐波分量。（二）谐振功率放大电路的工作原理（ a ）、（ b ）、分别为发送设备的中间放大级和末级放大器，（ c ）为相应的原理电路。由图知，输入信号（又称为激励信号）经变压器耦合到晶体管的基极和发射极， 是直流电源电压， 是基极偏置电源电压， 为旁路电容， 为电源滤波电容， L 、 C 组成并联谐振回路，作为集电极负载回路（或匹配网络），该回路又称为槽路，负载回路既可以实现选频滤波的功能，又实现阻抗匹配。放大后的信号通过变压器耦合到负载 上（图（ a ）或通过天线（图（ b ）向空间辐射。图（ c ）中的 为 L 、 C 回路的电阻。放大器的工作状态决定于偏置电压 的大小，当 时，电路可工作在甲类状态，当 时为乙类状态，当 时为丙类状态，作为高频功率放大器，电路工作在丙类状态，流过晶体管的电流 为余弦脉冲，集电极效率 高。 设 ， 所以，加到晶体管的基射极间的电压为则 为余弦脉冲 当基极（发射结）导通时， 晶体管由截止进入放大区。经放大后，所得 也为余弦脉冲 (b) 所示，同样可分解为： 当 回路谐振于 时，在 回路两端得到 的最大输出，即： ， 为回路的谐振等效总电阻 于是知： （ R 外接负载等效值） 由此得到放大器的功率与效率： 结论：当 一定时， 增大可以提高输出功率 ； 当器件确定时， 一定，增大激励电压 ，也可以提高输出功率 ； 若增大 （或者减小 ），可以提高集电极效率 ； 所以，增加激励电压 或降低静态工作点 ，是提高输出功率 和集电极效率 的重要途径。 当 回路谐振于 时，在 回路两端得到频率为 的余弦输出，即： 对 n 次谐波信号，回路呈现的阻抗 为 回路两端的电压为： 式中， 为集电极电流 的 n 次谐波电流幅值。 由式可知，当并联回路的品质因数 为无穷大时，回路两端的谐波输出为零，集电极电压为不失真的余弦波。实际上， 不可能为无穷大，一般为 50 左右，在 的条件下，二次谐波阻抗与基波阻抗之比为 三次谐波阻抗与基波阻抗之比为 由以上分析知，二次谐波阻抗与基波阻抗之比为 1.3 % ，三次谐波阻抗与基波阻抗之比为 0.75 % 。很明显，谐波次数越高，阻抗越小，同时各次谐波电流幅值也随着谐波次数的增加而减小。由于两者的相对减小，并联谐振回路两端的各次谐波电压将减小的更快。从而使回路两端的输出电压基本上是不失真的余弦信号。结论：丙类谐振功率放大器，流过晶体管的各极电流均为余弦脉冲，但利用谐振回路的选频作用，其输出电压仍能反映输入电压的变化规律，即输出信号基本上是不失真的余弦信号，可以实现线性放大的功能。（三）选定器件根据工作频率，输出功率、功率增益，电源电压、价格等要求以及实际安装条件来选择器件。本论文主要设计一个谐振功率放大器，用于调频发射机输入输出负载都为50,输入信号频率为80MHz，输出信号频率为160MHz，要求输入功率为4mW,输出负载的功率Pl700mW,二次谐波抑制度小于-30dB,放大器总效率大于50%，电源电压15V。由于要滤除二次谐波，所以功率放大电路的匹配网络要采用多级组合网络。现在取=0.7，则其输出功率P1=P/=0.7W/0.7=1W因为输入功率Pi为4mw放大器的增益为Ap=10*lg(P0/Pi)=10*lg(1/0.004)=24dB通常单级丙类工作时功率放大器的功率增益小于12dB，效率大于0.6，所以本论文采用此设计：第一级为二倍频器，工作在乙类，用于提升输入信号频率（80MHz-160MHz）。第二级和第三极为末前级和末级高频功放，工作在丙类状态。滤波匹配网络的设计：将末级功放的输出滤波网络分割开来，其结果如下：网络一：取Ql=3,设Rl=150,则求的Xc14=-33,C14=30pF；Xc13=-50,C13=20pF;Xl10=68,L10=0.07H. 网络二: 取Ql=2,C10=10pF,设R2=35,则求的Xc11=-70,C11=14pF；Xc12=-83,C12=12pF;Xl9=113,L9=0.13H;Xl8=-Xc10=99,L8=0.1H. 网络三:取Ql=3,功率管的大信号输出阻抗为R输出=98和C0=20pF的并接阻抗，求得：Xc7,8=-20.7，（C7+C8）=48 pF，Xc9=-40.6，C9=24.4 pF；Xl7=77.55,L7=0.08H。（四）安装调试 调试是放大器设计安装的重要环节，在调试各级滤波网络是，既要使网络谐振在工作频率上，又要使网络达到匹配要求，而这两种调试又是相互影响的，因此，必须经过反复调试，直到使两者同时达到谐振和匹配为止。调试：调试阶段主要调试滤波网络部分，即输入滤波网络和输出滤波网络。但是在调试时由于级间的耦合作用，所以在调试任一级滤波匹配网络时都会影响其它网络，因此在调试时要反复调节，反复微调才能完成调试工作。用电流表来指示T3管中集电极电流中的平均分量Ic0.在第一级倍频回路谐振在160MHz、加到末前级的输入功率达到最大的前提下，先反复调试末级滤波匹配网络使其达到谐振和匹配，这时加到末级的输入功率最大，此时功率管T3的功率也由小到大，此时在调试输出滤波匹配网络，当其达到谐振时由于网络加在T3上的阻抗也在逐渐变大，这时直流电流表测的数值也由大变小，这就表示网络已经处于谐振状态，这时功率最大。进一步调节输出滤波网络，发现输出功率进一步增大，直到最大，而且满足设计要求时，表明输出网络达到谐振匹配。（五）结束语 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。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。 本论文主要通过三级滤波网络与功率管的匹配来达到设计要求。通过本次动手设计，我不仅增长了知识，而且动手能力也更强了。（六）致谢在本次论文设计过程中，张老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这四年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！ 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。（七）参考文献主要参考文献：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。哈尔滨工程大学出版社，20003、谢自美电子线路设计。武汉华中科技大学出版社，20024、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，20025、诸昌清 电子线路试验。北京高等教育出版社，19916、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，19987、谢嘉奎、宣月清、冯军电子线路。高等教育出版社，2007