高频功率放大器的设计及仿真

综合课程设计高频功率放大器的设计及仿真专业名称电子信息工程班级学号5081112同学姓名姜昊层指导老师邱芸设计时间

2022.

06.20〜

2022.

07.01课程设计任务书专业电子信息工程学号5081112同学姓名（签名）设计题目高频功率放大器的设计及仿真

一、设计试验条件Multisim软件

二、设计任务及要求.设计一高频功率放大器，要求的技术指标为输出功率Po2125mW工作中心频率fo=6MHzn65%；.已知电源供电为12V负载电阻RL=51Q晶体管用2N2219其主要参数Pcm=lWIcm=750mAVcES=l.5VfT=70MHzhfeN10功率增益Ap213dB（20倍）

三、设计报告的内容.设计题目与设计任务（设计任务书）.前言（绪论）（设计的目的、意义等）.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）.结束语（设计的收获、体会等）.参考资料

四、设计时间与支配

1、设计时间2周

2、设计时间支配测一级甲类放大电路输出波形，3通道测二级甲类放大电路输出波形，4通道测丙类功放的最终输出波形当可变电容C3调到70%C6调到45%时，输出波形较为稳定，放大效果较好此时可发觉LED发光，表示功率放大器正常工作即电压合适图6-1仿真测试电路

6.3仿真波形输入信号仿真波形输入波形信号如图6-2所示，由仿真示波器可以看到输入信号是一个频率为

5.85MHz峰峰值为

99.8mv的正弦波信号图6-2输入信号

6.

3.2一级甲类放大波形经过第一级甲类放大器后输出波形如图6-3所示，其峰峰值增大到527mv将输入信号电压放大了图6-3一级放大后波形两级甲类放大波形经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为L61v如图6-4所示图6-4两级放大后波形

6.

3.4最终输出波形信号最终经过丙类放大器放大，峰峰值变为

11.4V提高其功率与效率，仿真波形如图6-5所示图6-5丙类放大器输出波.结果分析由于高频放大器由甲类，丙类混合组成试验需要将仿真测试电路主机调试直到消失稳定，抱负的正弦波为止在调试过程中发觉略微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学争论可能有以下两方面缘由一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析；另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证由仿真结果及观看波形可知，所设计的高频功率放大器基本满意了设计任务要求经过第一其次级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论学问的正确性和设计方法的可行性.心得体会课程设计是培育同学综合运用所学学问发觉、提出、分析和解决实际问题熬炼实践力量的重要环节是对同学实际工作力量的详细训练和考察过程通过这次的高频功放课设，深入了对电子电路理论学问的理解，学会使用Multisim软件进行仿真与调试，提高了自己的试验动手力量，对今后的学习和工作都有很大的关心回顾起此次高频课程设计，我感慨颇多的确，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两星期的日子里，我们遇到过很多麻烦如调试电路时发觉波形不稳，放大倍数不够高等问题但我们都通过争论解决了我们从中学到了很多东西，不仅巩固了以前所学过的学问，而且学到了很多在书本上所没有的学问通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论学问是远远不够的，只有把所学的理论学问与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手力量和独立思索的力量同时在设计的过程中，也发觉了自己很多不足之处，对以前所学过的学问理解得不够深刻，把握得不够坚固这次设计的试验参数计算比较简单，不仅要参考肯定资料，还要自己对各参数的意义有肯定的理解若计算参数不对，将会直接影响到试验的结果.参考文献

[1]曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析（第四版）[M].西安西安电子科技高校出版社，

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[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京高等教育出版社，

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[3]张肃文.高频电子线路（第三版）[M].北京高等教育出版社，

2022.

[4]谢沅清.模拟电子线路（II）[M].成都:成都电子科大出版社，

1994.附录元件清单表

1.元件清单熟识试验设施、收集资料2天设计图纸、试验、计算、程序编写调试4天编写课程设计报告3天答辩1天L设计题目与设计任务（设计任务书）设计题目高频功率放大器的设计及仿真设计任务要求设计一个技术指标为输出功率Po2125mW工作中心频率fo=6MHzn65%的高频功率放大器通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以依据电流的导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态甲类放大器电流的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的导通角则小于180度乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的高频功率放大器大多工作于丙类但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采纳调谐回路作为负载的谐振功率放大由于调谐回路具有滤波力量，回路电流与电压仍旧极近于正弦波形，失真很小可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大综上，确定此高频电路由两个模块组成第一模块是两级甲类放大器；其次模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，它作为功放输出级，最好能工作在临界状态此时，输出沟通功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态第1章绪论设计题目高频功率放大器的设计及仿真设计任务要求设计一个技术指标为输出功率Po2125mW工作中心频率fo=6MHzn65%的高频功率放大器第2章系统原理高频功率放大器学问简介在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求放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，必需采纳高频功率放大器高频功率放大器是无线电放射设施的重要组成部分在无线电信号放射过程中，放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放射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等很多电子设施中都得到了广泛的应用高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，打算了他们之间有着本质的区分低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽例如，自20至20000Hz凹凸频率之比达1000倍因此它们都是采纳无调谐负载，如电阻、变压器等高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz始终到几百、几千甚至几万MHz）但相对频带很窄例如，调幅广播电台（535—1605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz如中心频率取为1000kHz则相对频宽只相当于中心频率的百分之一中心频率越高，则相对频宽越小因此，高频功率放大器一般都采纳选频网络作为负载回路由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特别状况可工作于乙类）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，它将电源供应的直流能量转换成为高频沟通输出电路工作原理采用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作为放射机的中间级，以供应较大的激励功率在高频电路中，采用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放依据放大器电流导通角ao-7i的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放电流导通角越小放大器的效率越高如丙类功放的R小于90°丙类功放通常作为放射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率谐振功率放大器的特点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放射结供应负偏压，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晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为沟通能量的过程中起开关掌握作用，谐振回路LC是晶体管的负载功率放大器各分压与电流的关系如图3-1所示图3-1功率放大器各分压与电流关系由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为很多余弦波或正弦波的叠加可以将电流分解，如公式l.DoicQ—IcO+Ic\m+Ic2tnCos2C0t•••+IcnmCOSYLCDt+]]Lolc1mL2nl…1cHm分别为集电极电流的直流重量、基波重量以及各高次谐波重量的振幅图3-2Ict各次谐波的波形示意图在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流重量和基波重量等前面几项采用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出各直流重量及各次谐波重量下面仅列出前面几项的表达式，如公式

1.

2131.

41.5oIcO=icmax历―]=}max670®\7V\-CosO7ZlO\Ic\m=lcmaxL9~Sin9Cs9\=max0C\l乃\-CosOJicmaxSinlO-CosO-ISinOCosO.m--lcmaxOLI07131—Co%icmaxSin30-CosO-3Sin6Cos6Lc2m=兀121—Cos只要知道电流脉冲的最大值和导通角即可计算出直流重量、基波重量及各次谐波重量各次谐波重量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小因此，在谐振放大器中只需争论直流功率及基波功率功率放大器的负载特性假如VCC、VBB、VB3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp打算此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性电压、电流随负载变化波形如图3-3所示图3-3电压、电流随负载变化波形放大器的输入电压是肯定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中1-2-3不同的负载，放大器的工作状态是不同的所得的k波形、输出沟通电压幅值、功率、效率也是不一样的临界状态时负载线和Vbemax正好相交于临界线的拐点放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大欠压状态时B点以右的区域在欠压区至临界点的范围内，依据Vc=RpIcl，放大器的沟通输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采纳但晶体管基极调幅，需采纳这种工作状态过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，放射机的中间级、集电极调幅级常采纳这种状态依据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图3-4所示图3-4谐振功率放大器的负载特性曲线.高频放大器相关参数简洁计算甲类谐振放大器参数计算依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性，可采纳共射晶体管单调谐回路谐振放大器1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Icq一般

0.8—2mA之间选取为宜设计电路中取Ic=

1.5mA；Re=lKQ可得重要参数Vbq=Veq+Vbeq=L5V+

0.7V=

2.2VVceq=Vcc-Veq=12V-

1.5V=

10.5VRb2=VBQ/10IBQ=

2.2V/

0.3mA=

7.3KQ2谐振回路参数计算回路总电容Cz=1/[27if2L]=l

50.35pf回路电容C=Cz-pi2*Coe=

150.35pf-l2*7pf=

143.04pf3确定其它电容参数耦合电容Cl、C2的值，可在lOOOpf—O.Oluf之间选择，一般用瓷片电容旁路电容Ce、C

3、C4的取值一般为

0.01—luf丙类功放参数计算确定功放的工作状态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，而过压状态严峻失真，谐波重量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态丙类功放=60-90°这里为便利计算，设队=70可得集电极电流余弦脉冲直流Ico系数ao7O0=

0.25集电极电流余弦脉冲基波Icmi系数ai70°=

0.44o设功放的输出功率为

0.5W1集电极参数计算集电极电流脉冲的直流重量Ico=Icmax*ao=216*

0.25=54mA电源供应的直流功率Pd=VccIco=12V*54mA=

0.65w集电极的耗散功率Pc=Pd-Po=

0.65w-

0.5w=

0.15w集电极的效率t]=Po/Pd=

0.5/

0.65=77%2基极参数计算基极基波电流的振幅lBim=lBm*ai70°=

9.5mA基极输入的电压振幅VBm=2Pi/lBlm=

5.3V3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纳n型LC低通滤波器，滤波电感可按阅历取50—lOOuH滤波电感一般取O.Oluf.高频功率放大器电路设计甲类谐振放大器依据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图5-1所示通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中LI、L

2、C

3、C

4、R5构成选频回路，通过调整可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R减小回路品质因数从而加宽通频带图5-1一级甲类放大电路设计为了提高增益，本次电路采纳了两级甲类放大，其级联的单元电路如图5-2所示选频回路参数选择全都采纳级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的图5-2两级甲类放大电路设计丙类高功放由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论学问设计的单元电路如图3-2-3所示图5-3丙类功放原理图总体电路图设计设计的总体电路图如图5-4所示图5-4高频功率放大器设计总图

6.电路仿真所用软件Multisim简介随着计算机技术飞速进展，很多电路设计都可以通过计算机帮助分析和仿真技术来完成计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻了工作量其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测供应参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数Multisim软件是一个特地用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境Multisim的特点1直观的图形界面整个操作界面就像一个电子试验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的掌握面板和操作方式都与实物相像，测量数据、波形和特性曲线犹如在真实仪器上看到的一样2丰富的元器件库Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务3丰富的测试仪器除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、规律分析仪和规律转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪尤其与EWB不同的是，全部仪器均可多台同时调用4完备的分析手段除了EWB供应的直流工作点分析、沟通分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点——零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏状况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满意一般电子电路的分析设计要求网络分析仪和频谱分析仪5强大的仿真力量Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频RF电路的仿真功能仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的缘由，仿真结果可随时储存和打印本次课程设计电路就是采用Multisim软件进行绘图并仿真的仿真测试电路仿真测试电路如图6-1所示，其中示波器1通道测输入信号源波形，2通道组件名称型号及参数数量三极管Q2N22193电感500nH

3.9uHluH7变容二极管DIODEVERACTOR2固定电阻Resistor102201Ik22k

16.8k210k315k120k122k1电容Capacitor

1.5nf2lOOnf2470nf2发光二极管LED1直流电源DCPower+12V1。