高频谐振功率放大器

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：

指导教师： 工作单位：

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V_cc ＝＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，

3、工作频率f₀＝6MHz

4、负载电阻R_L ＝ 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

摘要……………………………………………………………………………………………………………………1

1. 高频功率放大器简介………………………………………………………………………………1

1.1 高频功率放大器的特点………………………………………………………………………………1

1.2 高频功率放大器的三种工作状态……………………………………………………………2

1.3 谐振功率放大器特性………………………………………………………………………………3

2. 高频谐振功率放大器的参数…………………………………………………………………4

2.1丙类功率放大器的设计………………………………………………………………………………4

2.1.1放大器工作状态的确定……………………………………………………………………………4

2.1.2谐振回路和耦合回路参数计算……………………………………………………………………6

2.2甲类功率放大器的设计…………………………………………………………………………………6

2.2.1电路性能参数计算……………………………………………………………………………………6

2.2.2静态工作点计算………………………………………………………………………………………7

3.电路原理图……………………………………………………………………………………………………8

4.实物图展示………………………………………………………………………………………………8

5. 课程设计心得体会…………………………………………………………………………………9

参考文献…………………………………………………………………………………………………………10

本科生课程设计成绩评定表…………………………………………………………………………11

摘要

本文根据《高频电子线路》课中所学到的内容，设计了一种小型通信系统。放大电路可以说是模拟信号处理电路的基本单元，尤其对高频接收机与发射机而言。高频功率放大器（简称高频功放）主要用于放大高频信号或高频已调波（即窄带）信号。由于采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗匹配等问题，因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。就放大过程而言，电路中的功率管是在截止、放大至饱和等区域中工作的，表现出了明显的非线性特性。
关键词：高频谐振功率放大器谐振回路耦合回路工作状态

1. 高频谐振功率放大器简介

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。

1.1 高频功率放大器的特点

①放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

②输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

③基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

④输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

1.2 高频功率放大器的三种工作状态

放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，图1-1为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。表1-2为甲、乙、丙三种工作状态的特点。提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。

甲类乙类丙类

图1-2 放大器的三种工作状态

1.3 谐振功率放大器特性

1.负载特性：负载特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不变时，随R变化的特性，如下图所示：

2.基极调制特性：基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，随VBB变化的特性，如下图所示：

3.集电极调制特性：集电极调制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不变时，随VCC变化的特性，如下图所示：

4.放大特性：放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不变时，随Ubm变化的特性，如下图所示：

2. 高频谐振功率放大器的参数

2.1丙类功率放大器的设计

2.1.1放大器工作状态的确定

由效率>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70°,所以谐振回路的最佳电阻为

=551.25Ω

集电极基波电流振幅

≈0.019A

集电极电流最大值为

=0.019/0.436=43.578mA

其直流分量为

=*=43.578*0.253=11.025mA

电源供给的直流功率为

P_D=Ucc*Ico=132.3mW

集电极损耗功率为

P= P_D – P_C =32.3mW

转换效率为

η= P_C / P_D =100/132.3=75.6%

当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，有：

输入功率为

P1=P0/AP=5mW

基极余弦电流最大值为

I_BM = I_CM /β ≈ 4.36Ma

基极基波电流振幅

=4.360.436=1.9mA

所以输出电压的振幅为

U_BM =2 P₁/ I_B1M≈5.3V

2.1.2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,

则输入阻抗

≈87.1Ω

则输出变压器线圈匝数比为

≈0.37

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

≈7.036μH

采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有

其中 μ=100H/m , A=, =25mm, L =7.036μH

所以计算得N=7

2.2甲类功率放大器的设计

2.2.1电路性能参数计算

甲类功率放大器输出功率等于丙类功率放大器的输入功率，即：

P_H = P₁ =5mW

输出负载等于丙类功放输入阻抗，即

R_H ==87.1Ω

设甲类功率放大器为电路的激励级电路，变压器效率取0.8，则集电极输出功率

P_C =≈6.25mW

若取放大器的静态电流I_CC = I_CM=5mA，则集电极电压振幅

U_CM =2 P_C / I_CM =2.5V

最佳负载电阻为

=0.5kΩ

则射极直流负反馈电阻

≈1780Ω (≈I_CM)

则输出变压器线圈匝数比

≈2

本级功放采用3DG12晶体管，取β=30 =13dB即20倍放大倍数

则输入功率

P_i = P₀ /=0.3125mW

放大器输入阻抗

R_i= R_bb+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

≈0.46V

2.2.2静态工作点计算

综上可知U_i=0时，晶体管射极电位

U_EQ= I_CQ×R_E1 = 8.9V

U_BQ =9.5V

I_BQ = I_CQ /β=0.17mA

若基极偏置电流I₁ =5 I_BQ，则

R₂ = U_BQ /5 I_BQ≈11.2kΩ

所以，有

≈2.95Kω

3.高频谐振功率放大器的原理图

4.实物图展示

5.课程设计心得

本次的高频课程设计题目为高频谐振功率放大电路设计，以四人为一小组展开包括设计总体方案、绘制原理图、软件仿真焊接、调试等工作，不仅培养了我们团队协作的能力，同时也可以学到很多东西。

在这次的实验中，我们首先要查找大量的资料，来制定一个设计方案，讨论可行性。然后，画出原理草图，清楚大概所需的元件，把电路分解为两部分，用所学的理论知识计算各元件的规格。接下来用仿真软件multisim绘制原理图仿真，再调整参数。然后就是焊接工作，元件相对较少，焊接进行的比较顺利。后面就是调试了，在这一环节中出现了一些问题，但是经过小组成员的讨论，发现了问题所在，并最终修改调试成功。

我觉得每次的课程设计都是一次很好的学习机会，因为我们在课堂上掌握的理论知识要完成课程设计是不够的。必须要我们自己动手去查找大量的资料，这培养了我们自学的能力，而且也巩固的课堂上所学的知识。

还有在这次的课程设计中，我知道了与队友的合作也是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都努力出主意才能将作品做的更加完美。出问题大家一起齐心探讨，人都力量大，最后总能解决。而团队合作也是当今社会所提倡的。课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。我总结出，在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。

另外，课程设计还锻炼了动手操作能力，以及熟练运用各种软件的能力。

总的来说，虽然课程设计时间比较短，但是收获却是多方面的，我很享受每次课程设计的过程，以及最终实现目的的结果！

6.参考文献

[1] 刘泉《通信电子线路》武汉理工大学出版社，20##年1月

[2] 赵淑范《电子技术实验与课程设计》清华大学出版社，20##年8月

[3] 高建新《电子技术实验与实训》机械工业出版社，20##年8月

[4] 高吉祥《电子技术基础实验与课程设计》电子工业出版社，20##年5月

[5] 张新喜《Multisim10电路仿真及应用》机械工业出版社出版，20##年2月

指导教师签字：

年月日

第二篇：太原理工大学高频实验一高频小信号调谐放大器

校徽 (5) - 复制.jpg

本科高频电子线路实验报告

课程名称：高频电子线路

实验名称：高频电子线路实验一至实验四

实验地点：北区学院楼四楼实验室

实验一高频小信号调谐放大器

一、实验目的

小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。在本实验中，通过对谐振回路的调试，对放大器处于谐振时各项技术指标的测试（电压放大倍数，通频带，矩形系数），进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理。学会小信号调谐放大器的设计方法。

二、实验原理

1. 原理

图1-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻R_B1，R_B2及R_E决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

图1-1 小信号调谐放大器

放大器在高频情况下的等效电路如图1-2所示，晶体管的4个y参数y_ie，y_oe，y_fe及y_re分别为

输入导纳（1-1）

输出导纳（1-2）

正向传输导纳（1-3）

反向传输导纳（1-4）

图1-2 放大器的高频等效回路

式中，g_m——晶体管的跨导，与发射极电流的关系为

（1-5）

g_b’_e——发射结电导，与晶体管的电流放大系数β及I_E有关，

其关系为（1-6）

r_b’_b——基极体电阻，一般为几十欧姆；

C_b’_c——集电极电容，一般为几皮法；

C_b’_e——发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。

由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流I_E，电流放大系数β有关外，还与工作频率ω有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。如在f₀=30MHz，I_E=2mA，U_CE=8V条件下测得3DG6C的y参数为：

如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计计算一般采用工程估算的方法。

图1-2中所示的等效电路中，p₁为晶体管的集电极接入系数，即

（1-7）

式中，N₂为电感L线圈的总匝数。

P₂为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即

（1-8）

式中，N₃为副边（次级）的总匝数。

g_L为调谐放大器输出负载的电导，g_L=1/R_L。通常小信号调谐放大器的下一级仍为晶体管调谐放大器，则g_L将是下一级晶体管的输入导纳g_ie2。

由图1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为

（1-9）

式中，G为LC回路本身的损耗电导。谐振时L和C的并联回路呈纯阻，其阻值等于1/G，并联谐振电抗为无限大，则jwC与1/（jwL）的影响可以忽略。

2．调谐放大器的性能指标及测量方法

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大倍数，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数来表示）等。

放大器各项性能指标及测量方法如下：

（1）谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，对于图1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），的表达式为

（1-10）

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

为调谐回路的总电容，的表达式为

（1-11）

式中， Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容。

谐振频率的测量方法是：

用扫频仪作为测量仪器，用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点。

（2）电压放大倍数

放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数称为调谐放大器的电压放大倍数。的表达式为

（1-12）

式中，为谐振回路谐振时的总电导。因为LC并联回路在谐振点时的L和C的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是本身也是一个复数，所以谐振时输出电压u₀与输入电压u_i相位差为（180^o+ Φfe）。

A_V0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1中R_L两端的电压u₀及输入信号u_i的大小，则电压放大倍数A_V0由下式计算：

或 dB (1-13)

（3）通频带

由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数A_V下降到谐振电压放大倍数A_V0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带B_W，其表达式为

(1-14)

式中，Q_L为谐振回路的有载品质因数。

分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带B_W的关系为

(1-15)

上式说明，当晶体管选定即y_fe确定，且回路总电容C_Σ为定值时，谐振电压放大倍数A_V0与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。

通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率及电压放大倍数然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压u_S不变），并测出对应的电压放大倍数。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图3所示。

由式（1-14）可得

(1-16)

图3 谐振曲线

通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用y_fe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C_Σ。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。

（4）选择性——矩形系数

调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图（3）所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1 A_V0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 A_V0时对应的频率偏移之比，即

（1-17）

上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数Kv0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。

3．实验参考电路

图1-4 单级调谐放大器

（1）主要技术指标：谐振频率f_o=10.7MHz，谐振电压放大倍数A_V0≥10-15 dB，通频带B_W=1 MHz，矩形系数K_r0.1＜10。因f_T比工作频率f_o大（5—10）倍，所以选用3DG12C，选β=50，工作电压为12V，查手册得r_b_ˊb=70, C_b_ˊC=3PF，当I_E=1.5mA时C_b_ˊe为25PF，取L≈1.8μH，变压器初级N₂=23匝，次级为10匝。

P₂=0.43, P₁=0

（2）确定电路为单级调谐放大器，如上图1-4。

（3）确定电路参数。

a）设置静态工作点

由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流I_CQ一般选取0.8—2mA为宜，现取=1.5mA，=2.25V，=9.75V。

则则=1.5KΩ

取流过的电流为基极电流的7倍，则有：

取18 KΩ

则

则取=5.1K WA1选用50K的可调电阻以便调整静态工作点。

b）计算谐振回路参数

由式（1-6）得

由式（1-5）得

由式（1-1）~（1-4）得4个y参数

由于

则有 =1.373ms

因则有

c）计算回路总电容，由（1-10）得

由（1-11）得

则有=119pF，取标称值120pF

d）确定耦合电容及高频滤波电容

高频电路中的耦合电容及滤波电容一般选取体积较小的瓷片电容，现取耦合电容=0.01μF，旁路电容=0.1μF，滤波电容=0.1μF

三、实验内容与步骤

先调静态工作点，然后再调谐振回路。

1．按照所附电路原理图G6，按下开关KA1，接通12V电源，此时LEDA1点亮。

2．调整晶体管的静态工作点：

在不加输入信号（即u_i=0），将测试点TTA1接地，用万用表直流电压档（20V档）测量三极管QA1射极的电压（即测P6与G两焊点之间的电压，见图0－2所示），调整可调电阻WA1，使u_EQ=2.25V（即使I_E=1.5mA），根据电路计算此时的u_BQ，u_CEQ，u_EQ及I_EQ值。

3．调谐放大器的谐振回路使它谐振在10.7MHz

方法是用BT-3频率特性测试仪的扫频电压输出端和检波探头，分别接电路的信号输入端TTA1及测试端TTA2，通过调节y轴，放大器的“增益”旋钮和“输出衰减”旋钮于合适位置，调节中心频率刻度盘，使荧光屏上显示出放大器的“幅频谐振特性曲线”，根据频标指示用绝缘起子慢慢旋动变压器的磁芯，使中心频率f₀=10.7MHz所对应的幅值最大。

如果没有频率特性测试仪，也可用示波器来观察调谐过程，方法是：在TTA1处由高频信号源提供频率为10.7MHz的载波（参考高频信号源的使用），大小为Vp-p-=20~100mV的信号，用示波器探头在TTA2处测试（在示波器上看到的是正弦波），调节变压器磁芯使示波器波形最大（即调好后，磁芯不论往上或往下旋转，波形幅度都减小）。

4．测量电压增益

在有BT-3频率特性测试仪的情况下用频率特性测试仪测测量方法如下：

在测量前，先要对测试仪的y轴放大器进行校正，即零分贝校正，调节“输出衰减”和“y轴增益“旋钮，使屏幕上显示的方框占有一定的高度，记下此时的高度和此时“输出衰减”的读数N₁dB，然后接入被测放大器，在保持y轴增益不变的前提下，改变扫频信号的“输出衰减”旋钮，使谐振曲线清晰可见。记下此时的“输出衰减”的值N₂dB，则电压增益为