高频功率放大器课程设计报告-

《高频功率放大器》

课程设计报告

专业： 通信工程

年级： 10级

学号： 100307001

姓名： 陈春燕

指导教师： 吴志伟

日期： 2012年12月24日

功率放大器

一、设计目的

1、了解功率放大器的状态、功能及特点

2、学习如何设计高频功率放大器

3、进一步掌握波形参数的测试方法

二 基本要求

（1）衰减器指标：衰减量40±2dB，特性阻抗50?，频带与放大器相适应。

（2）放大器指标：

a) 谐振频率：f₀=15MHz；允许偏差±100kHz；

b) 增益：不小于60dB；

c) ?3dB带宽：2Δf_0.7=300kHz；带内波动不大于2dB；

d) 输入电阻：R_in=50?；

e) 失真：负载电阻为200?，输出电压1V时，波形无明显失真。

（3）放大器使用3.6V稳压电源供电（电源自备）。最大不允许超360mW，尽可能减小功耗。

三、设计原理

为了弥补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。高频功率放大器的工作频率高，但相对带宽窄，因此高频功率放大器常采用选频网络作为负载回路。由于这一特点，高频功率放大器工作于丙类状态。

丙类功放一般工作在发射机的末级，以获得较大的输出功率。丙类谐振放大器的原理图如图1-1所示。

图1-1 谐振放大器的基本工作电路

四单元电路的分析

1、系统组成

系统包括3.6V电源、衰减器、多级运放放大模块。将220V的电压经过自制的电源降成3.6V为系统供电，信号经衰减器衰减掉40dB,以使频带与放大器想适应；再经过高感选频网络得到谐振频率为15MHZ，增益不小于60dB，并保证在-3dB带宽时，2∫_0.7=300KHZ

的信号；再经过运放得到最终满足要求的信号。

2 衰减器设计

电阻网络构成固定衰减器。

优点：电路简单，线性度好，高精密电阻器材易于购买，价格便宜衰减倍数没有太多限制。基于此可构建Tee型、Pi型或桥接Tee型结构的衰减网络。由于在题目要求中的特性阻抗为固定的50Ω，而且在后级的放大器中使用匹配的50Ω输入阻抗的放大器，阻抗固定则可以使用无源的π型对称网络电阻衰减网络进行衰减40dB，该网络衰减器具有输入输出特性阻抗一致，且不随衰减等级而变化的特点。电压的衰减倍数设为

和特性阻抗Z_C设为50Ω，则其可由以下公式计算出R1，R2，R3的电阻值（其中R2和R3阻值相同）：

图

仿真效果如图1-2

图1-2衰减器仿真效果

五电源模块

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供3.6V电压确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单采用2N39042N3904实现可变直流电压源。故不作详述。

Ø 电路第一级：输入级

输入级是连接振荡电路和中间级的放大电路，是整个功放电路中的第一级。它的作用是把来自函数信号发生器输入的0.8mW功率放大到中间级所需的200mW。

输入级电路如图1-3：

Ø 电路第二级和第三级

图1-4

总体电路

图1-5

六、主要仪器及器件

示波器一台

实验万能电路板一个

直流稳压电源一台

晶体管2N3904 三片

定值电阻50欧姆一个，

电容150PF1个，可调60pF11个，1nF1个，10nF1个，100nF2个，100p个，82pF1个，10pF1个，500pF1个。

电感2.4μH1个、4.2μH1个、47μH1个，56μH1个，100nH1个，150nH1个，430nF3个，1.5μH1个，10μH1个，

散热片2片

电烙铁一支

焊锡一段

排针若干

导线若干

万用表一个

七、实验内容

测试三级功率放大器的输出功率、输出电压、稳压直流电源提供的电流、电压以及计算出电路的效率

八、实验步骤

1、按图接好电路，并进行焊接

2、对电路进行最后一次检查，主要是各器件型号与位置应正确，正负电源线不应错误。

3、制作完成后，进行调试。

4、把直流稳压电源接入电路（+12V），示波器接电路输出，观察输出波形及输出频率，把输出波形调到最大不失真，记录此时波形的幅度及频率。

九、实验测试波形，实验功率和效率

1.实验波形图

无

2、数据记录

3.实验数据处理和分析

十、实验失败原因分析

1、电源滤波这一块没有做好，导致最终波形变成自激波

2、Multisim仿真在高频阶段似乎已经不是很实用

3，焊接电路不牢可能引起实验的失败。

4、实验电路元件的选择可能引起实验结果的最后失败。

5、阻抗匹配的没做好也可能会造成实验的失败。

6、实验的调制没做好也可能会对实验造成失败。

十一、过程中遇到的困难和注意事项

首先，选择器材方面，需要选择Q值高的电感和三极管。刚开始，我们选择了普通的中周，经过测试，它能达到的6.5M的频率，因为我们需要的这种中轴体积小，重量轻，所以其中的铜线也必须非常的细，如果不小心，很容易把铜线搞断，想要再重新连接会非常困难。后来我们改变了中轴中的电容，缩小中轴的电容，以达到选频的频率的提高。但是，只是频率提高是没用的。我们发现中轴的品质因数Q值很小，效果很不理想。所以只能改变器材。我们偶然间发现一种高频磁芯，于是我们经过测试，发现效果很好，而且Q值很理想，而又遇到的困难是，我们的这种资源非常稀少。我们只拥有一块，所以，我们在接下来的几级放大选择高精度运放来实现放大。结合多方面考虑，我们选择了2N3904集成双运放。我们一开始选择把高精度运放组成反向放大器，每级电压值放大10倍，但是发现10倍的电路达不到15M就已经衰减很大了。于是，我们把运放的放大倍数减小了5倍，结果可以达成15M的指标。但是，集成运放放大倍数太小，对三级管放大倍数就提高了。于是，我们重新焊了一次，把集成电路改成正向放大，而且参照芯片的pdf文档对反馈电阻进行调整，改变了电压值，结果意外的发现效果明显比以前反向放大时效果要好很多，而且并未产生自激现象。

十二、 实验的心得体会

经过一周的课程设计，我对高频实验有了更深一层的理解，尽管最终的结果失败了，但是我并不因此而灰心，而是更加对其失败产生更浓烈的兴趣，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。此次的高频课设，不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设计出的电路经过Multisim软件仿真达到预期的放大效果。

这次的高频功率放大器设计让我学到了很多东西，虽然最后成了自激振荡，但是学到了宝贵的经验也是不错的。从第一天，我就开始投入设计过程。功率放大器的第一级（输入级），匹配网络跟需要用到的元件准备就绪后，就开始焊接电路板，焊接的过程还要注意电路的排版。就是这样一步一步，一级一级，慢慢焊接出来。

但中间不免有遇到一些困难，比如焊接完电路的调试和调节、输出的电压值和电源的电流值是否符合实验规定的要求、焊接元件值与理论值的偏差应如何的调节等。

这次实验虽然投入的时间跟精力很多，最后焊出的板还是出了问题，但是目的不在于有没有成功，而在于我在设计的过程中学到了什么，学会了什么，我觉得只要把该做的事尽心去做，一定可以做好，不管结果而在于过程。不管对待任何事情，都要认真去完成，而不是抱着应付的心理去做事。

第二篇：高频功率放大器课程设计报告

高频电子线路课程设计报告

设计题目：高频功率放大器设计

专业班级电信09-3

学号 310908030305

学生姓名董一含

指导教师高娜

教师评分

20##年6月13日

摘要

高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件，用于发射机地末端。

本课程设计的高频功率放大器电路由两极功率放大器组成，第一级为甲类功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器。分别对甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计，通过给定的技术指标要求确定甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计的工作状态和计算出电路中各器件参数，从而设计出完整高频功率放大器电路，再利用电子设计软件multisim对电路仿真。

关键词：甲类功率放大器、丙类功率放大器、multisim仿真。

目录

1 设计要求... 1

1.1 已知条件... 1

1.2 主要技术参数... 1

1.3 具体要求... 1

2 原理分析... 2

3 电路设计... 3

3.1 电路概要设计... 3

3.2 丙类功率放大器设计... 3

3.2.1 放大器的工作状态... 3

3.2.2 谐振回路及耦合回路的参数... 4

3.2.3 基极偏置电路参数计算... 5

3.3 甲类功率放大器设计... 5

3.3.1 电流性能参数... 5

3.3.2 静态工作点... 5

4 高频功率放大器完整电路图... 7

5 电路仿真... 8

6 设计心得... 10

参考文献 11

1 设计要求

1.1 已知条件

+VCC=+12V,晶体管3DG130的主要参数为PCM=700mW，ICM=300mA，VCES≤0.6V，hfe≥30，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， VCES≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。

1.2 主要技术参数

输出功率P0≥500mW，工作中心频率f0≈5MHz，效率η＞50%，负载RL=50Ω。

1.3 具体要求

分析高频功率放大器原理，通过给定的技术指标要求确定甲类功率放大器和丙类谐振功率放大器设计的工作状态和计算出电路中各器件参数，利用电子设计工具软件multisim对电路进行仿真测试，分析电路的特性。

2 原理分析

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。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。

利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ< 90º，效率η可达到80%，甲类功率放大器适合作为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放以获得较大的输出功率和较高的效率。图1为丙类谐振功率放大器。

图 1 丙类谐振功率放大器

3 电路设计

3.1 电路概要设计

本课程设计的高频功率放大器由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路，其中VT1 组成甲类功率放大器，晶体管VT2 组成丙类谐振功率放大器。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。本课程设计采用的电路甲类功放选用晶体管3DG130,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。

3.2 丙类功率放大器设计

3.2.1 放大器的工作状态

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，集电极基波电流振幅为，集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ic0，即 Icm= Ic1m / α1（）=216mA， Ic0= Icm ·α0（）=54mA。

电源供给的直流功率PD为： PD=VCCIc0=0.65W。

集电极的耗散功率PC'为： PC'=PD-P0=0.15W。

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，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，基极基波电流的振幅Ib1m 为Ib1m=Ib1mα1()=9.5mA，输入电压的振幅Vbm为。

3.2.2 谐振回路及耦合回路的参数

在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络，输入和输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图2所示。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载上只有基波电压；将外接负载RL 变换成谐振功放所要求的负载电阻R，以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。

图 2丙类谐振功率放大器的匹配网络

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，　　，输出变压器线圈匝数比为，，取N3=2,N1=3。若取集电极并联谐振回路的电容C=100pF，得回路电感为。

若采用的的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，即由可得N₂≈8。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。

3.2.3 基极偏置电路参数计算

　基极直流偏置电压VB为。
　　射极电阻RE2为 RE2=|VB|/ICO=20Ω。
　　取高频旁路电容CE2=0.01μF。

3.3 甲类功率放大器设计

3.3.1 电流性能参数

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|=86Ω。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360Ω，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=25Ω+30×R3

若取交流负反馈电阻R3=10Ω则Ri=335Ω，得本级输入电压的振幅Vim为。

3.3.2 静态工作点

由上述计算结果得到静态时(Vi=0)晶体管的射极电位VEQ为VEQ=ICQRE1=2.5V，则VBQ=VEQ+0.7V=3.2V，IBQ=ICQ/β=0.23mA，若取基极偏置电路的电流I1=5IBQ，则R2=VBQ/5IBQ=2.8kΩ，取标称值3kΩ。在实验时可以调整时取R1=5.1kΩ+10kΩ电位器。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=0.002μFLC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。

4 高频功率放大器完整电路图

将上述设计计算的元件参数按照图所示电路进行安装，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VBQ=2.8V,VEQ=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VBE=0。

图所示3为完整的高频功率放大器电路图。第一级为甲类功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器。

图 3完整的高频功率放大器电路图

5 电路仿真

利用电子设计软件multisim对电路仿真，根据图3高频功率放大器电路图在软件multisim中绘制出仿真电路图，如图4所示。

图 4高频功率放大器仿真电路图

对电路进行仿真测试高频放大器的放大效果，在输入端输入1KHZ的正弦波信号，由仿真电路图在仿真示波器选择B通道观察输入的1KHZ的正弦波信号，如图5所示，输入电压Vi=326mV。

图 5 1KHZ的正弦波信号

再观察仿真示波器A通道的波形，即经高频功率放大器放大的信号波形，如图6所示，由仿真示波器可得输出电压Vo=2.282V。放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV =7, 20LgA=20Lg7=16.9dB,故由Multism仿真测得设计的高频功率放大器的电压放大增益Av=16.9dB。

图 6高频功率放大器放大后的信号

6 设计心得

高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件,经过一周的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。此次的高频课设，不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设计出的电路经过Multisim软件仿真达到预期的放大效果，不仅让小组所有成员共同获得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism软件的使用。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。

参考文献

[1]张肃文.高频电子线路（第四版）[M].北京：高等教育出版社,2004

[2]张肃文.高频电子线路（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2009

[3]曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析（第四版），西安：西安电子科技大学出版社,2006

[4]杨霓清.高频电子线路实验及综合设计[M］．机械工业出版社,2009

[5]铃木宪次(日).高频电路设计与制作[M］．科学出版社,2005

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