第一篇：高頻功率放大器_課程設(shè)計報告

河南理工大學(xué)課程設(shè)計報告書

高頻電子線路課程設(shè)計報告

設(shè)計題目：高頻功率放大器設(shè)計

專業(yè)班級 電信09-3 學(xué) 號 310908030305 學(xué)生姓名 董一含 指導(dǎo)教師 高 娜 教師評分

2012年6月13日

河南理工大學(xué)課程設(shè)計報告書

摘 要

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件，用于發(fā)射機地末端。本課程設(shè)計的高頻功率放大器電路由兩極功率放大器組成，第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。分別對甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計，通過給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計的工作狀態(tài)和計算出電路中各器件參數(shù)，從而設(shè)計出完整高頻功率放大器電路，再利用電子設(shè)計軟件multisim對電路仿真。

關(guān)鍵詞：甲類功率放大器、丙類功率放大器、multisim仿真。

河南理工大學(xué)課程設(shè)計報告書

目 錄 設(shè)計要求.............................................................................................................................1 1.1 已知條件....................................................................................................................1 1.2 主要技術(shù)參數(shù)............................................................................................................1 1.3 具體要求....................................................................................................................1 2 原理分析.............................................................................................................................2 3 電路設(shè)計.............................................................................................................................3 3.1 電路概要設(shè)計............................................................................................................3 3.2 丙類功率放大器設(shè)計................................................................................................3

3.2.1 放大器的工作狀態(tài)............................................................................................3 3.2.2 諧振回路及耦合回路的參數(shù)............................................................................4 3.2.3 基極偏置電路參數(shù)計算....................................................................................5 3.3 甲類功率放大器設(shè)計................................................................................................5

3.3.1 電流性能參數(shù)....................................................................................................5 3.3.2 靜態(tài)工作點........................................................................................................6 高頻功率放大器完整電路圖.............................................................................................7 5 電路仿真.............................................................................................................................8 6 設(shè)計心得...........................................................................................................................10

參考文獻(xiàn)..........................................................................................................................11 設(shè)計要求

1.1 已知條件

+VCC=+12V,晶體管3DG130的主要參數(shù)為PCM=700mW，ICM=300mA，VCES≤0.6V，hfe≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB。晶體管3DA1的主要參數(shù)為PCM=1W，ICM=750mA，VCES≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

輸出功率P0≥500mW，工作中心頻率f0≈5MHz，效率η＞50%，負(fù)載RL=50Ω。

1.3 具體要求

分析高頻功率放大器原理，通過給定的技術(shù)指標(biāo)要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設(shè)計的工作狀態(tài)和計算出電路中各器件參數(shù)，利用電子設(shè)計工具軟件multisim對電路進(jìn)行仿真測試，分析電路的特性。原理分析

高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi) 的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃 分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器 通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大 器或諧振功率放大器。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)射機中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角θ的范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ=180，效率η最高也只能達(dá)到50%，而丙類功放的θ< 90o，效率η可達(dá)到80%，甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。圖1為丙類諧振功率放大器。

圖 1 丙類諧振功率放大器 電路設(shè)計

3.1 電路概要設(shè)計

本課程設(shè)計的高頻功率放大器由兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1 組成甲類功率放大器，晶體管VT2 組成丙類諧振功率放大器。從輸出功率P0≥500mW來看，末級功放可以采用甲類或乙類或丙類功率放大器，但要求總效率η＞50%，顯然不能只用一級甲類功放，但可以只用一級丙類功放。本課程設(shè)計采用的電路甲類功放選用晶體管3DG130,丙類功放選用3DA1。首先設(shè)計丙類功率放大器，再設(shè)計甲類功率放大器。

3.2 丙類功率放大器設(shè)計

3.2.1 放大器的工作狀態(tài)

為獲得較高的效率η及最大輸出功率P0。放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)，取，得諧振回路的最佳負(fù)載電阻Re為

為，集電極基波電流振幅，集電極電流脈沖的最大值Icm及）其直流分量Ic0，即 Icm= Ic1m / α1（=216mA，Ic0= Icm ·α0（）=54mA。

電源供給的直流功率PD為： PD=VCCIc0=0.65W。集電極的耗散功率PC'為： PC'=PD-P0=0.15W。放大器的轉(zhuǎn)換效率η為：η=P0/PD=77%。

若設(shè)本級功率增益AP=13dB（20倍），輸入功率Pi為Pi=P0/AP=25mW，基極余弦脈沖電流的最大值為Ibm（設(shè)晶體管3DA1的直流β=10）Ibm=Icm/β=21.6mA，基極基波電流的振幅Ib1m 為Ib1m=Ib1mα1(為。)=9.5mA，輸入電壓的振幅Vbm3.2.2 諧振回路及耦合回路的參數(shù)

在諧振功率放大器中，為滿足結(jié)它的輸出功率和效率的要求，并有較高的功率增益，除正選擇放大器的工作狀態(tài)外，還必須正確設(shè)計輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在諧振功率放大器中的連接情況如圖2所示。無論是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它們都具有傳輸有用信號的作用，故又稱為耦合電路。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在求它具有濾波和阻抗變換功能，即濾除各次分量，使負(fù)載上只有基波電壓；將外接負(fù)載RL 變換成諧振功放所要求的負(fù)載電阻R，以保證放大器輸出所需的功率。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)也稱濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，要求它把放大器的輸入阻抗變換為前級信號源所需的負(fù)載阻抗，使電路能從前級信號源獲得盡可能大的激勵功率。

圖 2丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)

丙類功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸入阻抗|Zi|可計算，輸出變壓器線圈匝數(shù)比為，取N3=2,N1=3。若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容C=100pF，得回路電感為若采用的。的NXO-100鐵氧體磁環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，可以計算變壓器一次線圈的總匝數(shù)N2，即由可得N2≈8。需要指出的是，變壓器的匝數(shù)N1、N2、N3的計算值只能作為參考值，由于電路高頻工作時分布參數(shù)的影響，與設(shè)計值可能相差較大。為調(diào)整方便，通常采用磁心位置可調(diào)節(jié)的高頻變壓器。

3.2.3

基極偏置電路參數(shù)計算

基極直流偏置電壓VB為

射極電阻RE2為 RE2=|VB|/ICO=20Ω。

取高頻旁路電容CE2=0.01μF。

3.3 甲類功率放大器設(shè)計

3.3.1 電流性能參數(shù)

由丙類功率放大器的計算結(jié)果可得甲類功率放大器的輸出功率PO'應(yīng)等于丙類功放的輸入功率Pi，輸出負(fù)載Re'應(yīng)等于丙類功放的輸入阻抗|Zi|，即PO'=Pi=25mW,Re'=|Zi|=86Ω。集電極的輸出功率P0為(若取變壓器效率ηT=0.8)P0=PO'/ηT≈31mW。

若取放大器的靜態(tài)電流ICQ=Icm=7mA，得集電極電壓的振幅Vcm及最佳負(fù)載電阻Re分別為 Vcm=2P0/Icm=8.9V，因射極直流負(fù)反饋電阻RE1為

。，取標(biāo)稱值360Ω，得輸出變壓器匝數(shù)比為 匝數(shù)N1=6。，若取二次側(cè)匝數(shù)N2=2，則一次側(cè) 本級功放采用3DG12晶體管，設(shè)β=30，若取功率增益AP=13dB（20倍），則輸入功率Pi為 Pi=P0/AP=1.55mW，得放大器的輸入阻抗Ri為

Ri≈rb'b+βR3=25Ω+30×R3 若取交流負(fù)反饋電阻R3=10Ω則Ri=335Ω，得本級輸入電壓的振幅Vim為。

3.3.2 靜態(tài)工作點

由上述計算結(jié)果得到靜態(tài)時(Vi=0)晶體管的射極電位VEQ為VEQ=ICQRE1=2.5V，則VBQ=VEQ+0.7V=3.2V，IBQ=ICQ/β=0.23mA，若取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則R2=VBQ/5IBQ=2.8kΩ，取標(biāo)稱值3kΩ。

在實驗時可以調(diào)整時取R1=5.1kΩ+10kΩ電位器。取高頻旁路電容CE1=0.022μF，輸入耦合電容C1=0.02μF。

高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π形C1=0.002μFLC低通濾波器，L10,L20可按經(jīng)驗取50~100μH，C10，C11，C20，C21按經(jīng)驗取0.01μF。L10,L20可以采用色碼電感，也可以用環(huán)形磁心繞制。高頻功率放大器完整電路圖

將上述設(shè)計計算的元件參數(shù)按照圖所示電路進(jìn)行安裝，然后再逐級進(jìn)行調(diào)整。最好是安裝一級調(diào)整一級，然后兩級進(jìn)行級聯(lián)。所示可先安裝第一級甲類功率放大器，并測量調(diào)整靜態(tài)工作點使其基本滿足設(shè)計要求，如測得VBQ=2.8V,VEQ=2.2V，則ICQ=6mA。再安裝第二級丙類功率放大器。測得晶體管3DA1的靜態(tài)時基極偏置VBE=0。

圖所示3為完整的高頻功率放大器電路圖。第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。

圖 3完整的高頻功率放大器電路圖 電路仿真

利用電子設(shè)計軟件multisim對電路仿真，根據(jù)圖3高頻功率放大器電路圖在軟件multisim中繪制出仿真電路圖，如圖4所示。

圖 4高頻功率放大器仿真電路圖

對電路進(jìn)行仿真測試高頻放大器的放大效果，在輸入端輸入1KHZ的正弦波信號，由仿真電路圖在仿真示波器選擇B通道觀察輸入的1KHZ的正弦波信號，如圖5所示，輸入電壓Vi=326mV。

圖 5 1KHZ的正弦波信號

再觀察仿真示波器A通道的波形，即經(jīng)高頻功率放大器放大的信號波形，如圖6所示，由仿真示波器可得輸出電壓Vo=2.282V。放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV =7, 20LgA=20Lg7=16.9dB,故由Multism仿真測得設(shè)計的高頻功率放大器的電壓放大增益Av=16.9dB。

圖 6高頻功率放大器放大后的信號 設(shè)計心得

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的主要組件,經(jīng)過一周的對高頻功率放大器電路的設(shè)計使我對高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。此次的高頻課設(shè)，不僅讓我加深了對電子電路理論知識的理解，還加強和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設(shè)計出的電路經(jīng)過Multisim軟件仿真達(dá)到預(yù)期的放大效果，不僅讓小組所有成員共同獲得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism軟件的使用。種種在此次學(xué)習(xí)到的知識或是能力必將有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來的工作，這也是此次課程設(shè)計的目的所在。

參考文獻(xiàn)

[1]張肅文.高頻電子線路（第四版）[M].北京：高等教育出版社,2004 [2]張肅文.高頻電子線路（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2009 [3]曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析（第四版），西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2006 [4]楊霓清.高頻電子線路實驗及綜合設(shè)計[M］．機械工業(yè)出版社,2009 [5]鈴木憲次(日).高頻電路設(shè)計與制作[M］．科學(xué)出版社,2005

第二篇：低頻功率放大器課程設(shè)計報告

《電路與模擬電子技術(shù)》

課程設(shè)計報告

低頻功率放大器

一、摘要

低頻功率放大器的主要應(yīng)用是對音頻信號進(jìn)行功率放大，本文介紹了具有弱信號放大能力的低頻功率放大器的基本原理、內(nèi)容、技術(shù)路線。整個電路主要分為穩(wěn)壓電源、前置放大器、功率放大器、波形變換電路共4 部分。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大器、功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是實現(xiàn)電壓的放大。功率放大器實現(xiàn)電流、電壓的放大。波形變換電路是將正弦信號變換成規(guī)定要求的方波信號。設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡潔、實用，充分利用到了集成功放的優(yōu)良性能。實驗結(jié)果表明該功率放大器在帶寬、失真度、效率等方面具有較好的指標(biāo)、較高的實用性,為功率放大器的設(shè)計提供了廣闊的思路。

二、關(guān)鍵字

前置放大級電路

功率放大

穩(wěn)壓電源電路

波轉(zhuǎn)換電路

三、總體設(shè)計方案論證及選擇

根據(jù)課設(shè)要求, 我們所設(shè)計的低頻功率放大器應(yīng)由以下幾個部分組成：穩(wěn)壓電路、前置放大、功率放大以及波形變換電路。下面對每個單元電路分別進(jìn)行論證：

前置放大級：

設(shè)計要求前置放大輸入交流接到地時，RL=8?的電阻負(fù)載上的交流噪聲功率低于10mw因此要選用低噪音運放。本裝置選用的優(yōu)質(zhì)低噪音運放NE5532AI。設(shè)計要求輸入電壓幅度為5~700mV時，輸出都能以Po≥10W滿功率不失真輸出，信號需放大幾千倍，有考慮到運放的放大倍數(shù)與通頻帶的關(guān)系，故采用兩級放大，增益調(diào)節(jié)可用電位器手動調(diào)節(jié)，也可用自動增益控制，但考慮到題目中的“使用”倆字（例如輸入信號不是正弦信號，而是大動態(tài)音樂信號），本裝置采用手動增益調(diào)節(jié)。

功率放大級：

根據(jù)設(shè)計題目要求，在供原則的功率放大可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成的功放，如果電路選擇好，參數(shù)恰當(dāng)，元件性能優(yōu)越，且制作和調(diào)試的號，則性能很可能高過較好的集成功效。許多優(yōu)質(zhì)功放是分立功放。但其中有一個元件出現(xiàn)問題或是搭配不當(dāng)，則性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過載，過流，過熱等損壞還得加復(fù)雜的保護(hù)電路。

現(xiàn)在市場上也有很多性能優(yōu)越的集成功放芯片，如TDA2040A,LM1875，TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外圍電路簡單，保護(hù)功能較完善，易制作易調(diào)試等特點，雖不及頂級功放的性能，但滿足并超過本設(shè)計的要求問題的。

綜上所述，考慮時間緊，在滿足要求的前提下，選擇易調(diào)試的集成功放。

我們熟悉的集成功放有TDA2040A，LM1875，TDA1514等，其中TDA2040A功率量不大，TDA1514外圍電路較復(fù)雜，且易自激。這兩種功放的低頻率特征都欠佳，LM1875外圍電路簡單，電路熟悉，低頻特性好，保護(hù)功能齊全。它的不足之處是高頻特性較差（BW<=70KHz），但對于本設(shè)計要求的50Hz~10KHz已足夠，因此選用LM1875作功放。

波形變換電路：

直接采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行變換與整形。而施密特電路可用高精度、高速運算電路搭接而成，也可采用專用施密特觸發(fā)器構(gòu)成，還可以選用NE5532P電路構(gòu)成。

通過比較，本課程設(shè)計中施密特電路采用高精度、高速運算放大器LF357構(gòu)成。

自制穩(wěn)壓電源：

本系統(tǒng)設(shè)計采用三端集成穩(wěn)壓電源電路，選用LM7815、LM7915三端集成穩(wěn)壓器。

四、設(shè)計方案的原理框圖

圖1 總體設(shè)計

放大通道正弦信號外供正弦信號源弱信號前置放大級變換電路正、負(fù)極性對稱方波 自制直流穩(wěn)壓電源功率放大級RL=8Ω~220V50Hz

五、總體電路圖、接線圖及說明 XFG101C210uF2V318 V 683XDA1THDU2A1C458U3B710uF9R5850%050kΩKey=AXSC1Ext Trig+_A+_B+_10NE5532AI746R21MΩ0R415kΩR31kΩ4C347uF0R61MΩ14110R71kΩ12C547uF004NE5532AIR822kΩR9V4-18 V 1350%050kΩKey=A150

圖2 前置放大電路

說明：前置放大由兩級NE5532典型應(yīng)用電路組成，各級均采用固定增益輸出衰減組成。要求當(dāng)各級輸出不衰減，輸入Vp=5mV時，輸出Va.pp>=2.53V。

0V218 V 5XFG1514C5220uFU10C3100nFD11N400797+XSC1Ext Trig+_A_+B_8C710uF3R1100kΩ023LM1875T2R320kΩ6V1-18 V 0C2220uF0C4100nF0R21kΩ4D21N4007R48Ω10C6210uF0C147uF0

圖3 功率放大電路

說明：功率放大器選擇用集成功放LM1875，采用典型電路，此電路中R3，R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，C1為直流反饋電容，R1為輸入接地電阻，防止輸入電路時引入感應(yīng)噪聲，C7為信號耦合電容，D1，D2為保護(hù)二極管，R4和C6組成退偶電路，防止功放產(chǎn)生高頻自激，C5，C2，C3，C4是電源退耦電容。

六、主要元器件選擇

1）穩(wěn)壓電路中選用LM7815、LM7915三端集成穩(wěn)壓器

2）因為LF357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應(yīng)快等特點，所以在正弦波一方波轉(zhuǎn)換電路中采用集成運放LF357

3）在前置放大級電路中采用集成雙運放NE5532,在功率放大級中采用運放LM1875。

七、電路參數(shù)計算

前置放大計算

對于第一級放大，要求在信號最強時，輸出不失真，即Vp=700mV時，輸出Vom<11V(低于電源電壓1V)。所以

A1=Vom/Vp=11/0.7 =15.7 取A1=15.當(dāng)輸入信號最小，即Vpp=10mV，而輸出不衰減時

V01.pp=A1*Vi.pp=15*10=150mA 第二級放大要求輸出V02.pp>2.53V,考慮到元件誤差的影響，取V02.pp=3V，而輸入信號最小為150mV，則第二級放大倍數(shù)是

A2 = V02.pp/ V01.pp=20 功率放大計算：

LM1875開環(huán)增益為26dB，即放大倍數(shù) A=20

因為要求輸出到8Ω電阻負(fù)載上的功率P0>10 W。而 Vom=2Rl*P。=12.65V 加上功率管管壓降2V，則

V=Vom=12.65+2=14.65V 取電源電壓為15V

Icm=2P。*Rl=1.518A PV =2V * Icm/? =15.1W

八、Multisim仿真結(jié)果

前置放大

直流穩(wěn)壓

功率放大

波形轉(zhuǎn)換

九、收獲與體會

通過此次課程設(shè)計鍛煉，我不僅深深體會到理論知識與實踐結(jié)合的不易，還深入了解并學(xué)會了一種簡單實用、成本低的低頻功率放大器的電路設(shè)計方法。課設(shè)過程中為了讓自己的設(shè)計更加完善，更加符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，一次次翻閱熱處理方面的書籍是十分必要的，同時也是必不可少的。通過這次課程設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，了解到理論知識與實踐相結(jié)合的重要意義。

十、參考文獻(xiàn)

[1] 胡翔駿 電路分析(第二版)北京：高等教育出版社 2007 [2] 華成英、童詩白 模擬電子學(xué)基礎(chǔ)（第四版）北京：高等教育出版社 2006 [3] 黃智偉 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2006 [4] 夏路易、石宗義 電路原理圖與電路板設(shè)計教程 北京希望電子出版社 2002 [5] 谷麗華、辛?xí)詫?、么旭東 實用低頻功率放大器的設(shè)計 沈陽化工學(xué)院學(xué)報 [6] 高玉良 電路與模擬電子技術(shù) 北京高等教育出版社

十一、附件

XSC3V120 Vrms 60 Hz 0° A+_BExt Trig+_+_D91N5402U1LM7815CTC7330nF5C810uFD11N5402D31N5402D21N5402D4C11N5402100nF03R1C31kΩ2.2mFC22.2mF0IC=35VIC=35VXSC1Ext Trig+D51N5402D71N54028D6+_A_B+_91N5402D8C41N5402100nFR21kΩC5D1001N5402C6132.2mFIC=35VU2LM7915CT002.2mFIC=35VXSC2Ext Trig+_11C1010uFC9330nF00A+_+B_0 圖2

直流穩(wěn)壓電路

說明：直流穩(wěn)壓電源部分為整個功放電路提供能量，根據(jù)設(shè)計的前置放大級電路和功率放大級電路的要求，僅需要穩(wěn)壓電源輸出的一種直流電壓即+15V。因三端穩(wěn)壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍元器件少、性能優(yōu)良、調(diào)試方便等顯著優(yōu)點，故本設(shè)計中采用三端穩(wěn)壓電路。兩組獨立的20V交流，經(jīng)過橋堆整流，大電容濾波，再加0.1uF小電容濾掉電源中的高頻分量?？紤]到制作過程中電源空載時的電容放電可在輸出電容并上1K大功率電阻。另外還要給7815，7915來獲得+15V、萬一輸入端短路，大電容放電會使穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞，加兩個二極管可使反相電流流向輸入端起保護(hù)作用。

V260V140XSC11R410kΩ2D21N4728A5R510kΩR6831Ext Trig+3C1818 V U1A330nF1824NE5532PV370C2-18 V 330nFU2A+_AB_+_R310kΩ700mVrms 1000 Hz 0° 30924NE5532P1kΩD1Key=A1N4728A050% 圖5 波形變換電路（NE5532P）

說明：將1KHZ的正弦波變?yōu)橥l率的對稱方波。因LF357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應(yīng)快等特點，所以本課程設(shè)計中施密特電路采用高精度、高速運算放大器LF357構(gòu)成，而NE5532運放做隔離用。

第三篇：高效音頻功率放大器-模電課程設(shè)計

高效音頻功率放大器

一、設(shè)計任務(wù)與要求

1、設(shè)計任務(wù)

設(shè)計并制作一個高效率音頻功率放大器。功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8Ω電阻。

2、設(shè)計要求

（1）3 dB通頻帶為300～3400Hz，輸出正弦信號無明顯失真。（2）最大不失真輸出功率≥1W。

（3）輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。

（4）低頻噪聲電壓(20kHz以下)≤10mV，在電壓放大倍數(shù)為

10、輸入端對地交流短路時測量。

（5）在輸出功率500mW時測量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)≥50％。

3、設(shè)計說明

（1）采用開關(guān)方式實現(xiàn)低頻功率放大(即D類放大)是提高效率的主要途徑之一，D類放大原理框圖如下圖所示。本設(shè)計中如果采用D類放大方式，不允許使用D類功率放大集成電路。

圖1 D類放大原理框圖

（2）效率計算中的放大器總功耗是指功率放大器部分的總電流乘以供電電壓(+5 v)，制作時要注意便于效率測試。、（3）在整個測試過程中，要求輸出波形無明顯失真。

二、方案論證與比較

根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，對本系統(tǒng)的電路的設(shè)計方案分別進(jìn)行論證與比較。

1、高效率功率放大器

⑴ 高效率功放類型的選擇

方案一：采用A類、B類、AB類功率放大器。這三類功放的效率均達(dá)不到題目的要求。方案二：采用D類功率放大器。D類功率放大器是用音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關(guān)狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100％，實際電路也可達(dá)到80％～95％，所以我們決定采用D類功率放大器。

圖2 脈寬調(diào)制器電路

① 脈寬調(diào)制器(PWM)

方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現(xiàn)。

方案二：采用圖2所示方式來實現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。② 高速開關(guān)電路 a.輸出方式

方案一：選用推挽單端輸出方式(電路如圖3所示)。電路輸出載波峰-峰值不可能超過5V電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。

圖3 高速開關(guān)電路 方案二：選用H橋型輸出方式(電路如圖4所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰-峰值可達(dá)10V，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，故選用此輸出電路形式。

圖4 高速開關(guān)電路

b.開關(guān)管的選擇。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。

方案一：選用晶體三極管、IGBT管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動電流，并存在儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點是導(dǎo)通壓降太大。

方案二：選用VMMOSFET管。VMOSFET管具有較小的驅(qū)動電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。③ 濾波器的選擇

方案一：采用兩個相同的二階Butterworth低通濾波器。缺點是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。

方案二：采用兩個相同的四階Butterworth低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減。

三、主要電路工作原理分析與計算

1、D類放大器的工作原理

一般的脈寬調(diào)制D類功放的原理方框圖如圖 5 所示。圖 6 為工作波形示意，其中(a)為 輸入信號；(b)為鋸齒波與輸入信號進(jìn)行比較的波形；(c)為調(diào)制器輸出的脈沖(調(diào)寬脈沖)；(d)為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖；(e)為低通濾波后的放大信號。

圖5 D類放大器的工作原理

圖6 D類放大器的工作波形示意圖

2、D類功放各部分電路分析與計算(1)脈寬調(diào)制器

①三角波產(chǎn)生電路。該電路我們采用滿幅運放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來實現(xiàn)(電路如圖7所示)。TLC4502不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對功放在低電壓下正常工作的要求。載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實現(xiàn)，選擇150 kHz的載波，使用四階Bultterworth LC濾波器，輸出端對載頻的衰減大于60dB，能滿足題目的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。

電路參數(shù)的計算：在5V單電源供電下，我們將運放5腳和比較器3腳的電位用R調(diào)整為2.5 V，8同時設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為1 V(V＝2V)。若選定R為100 kΩ，并忽略比較器高電

p-p

10平時R上的壓降，則R的求解過程如下：

119

取R9為39 kΩ。

圖7 三角波產(chǎn)生電路

選定工作頻率為f=150 kHz，并設(shè)定R+R=20kΩ，則電容C的計算過程如下:

763對電容的恒流充電或放電電流為

則電容兩端最大電壓值為

其中T為半周期，T=T/2=1/2。Vf的最大值為2V，則

1c取C=220 pF，R=10kΩ，R采用20 kΩ可調(diào)電位器。使振蕩頻率在150 kHz左右有較大47

6的調(diào)整范圍。

圖8 比較器電路

②比較器。選用LM311精密、高速比較器，電路如圖8所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個電阻均取10 kΩ。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音頻信號的Vp-p不能大于2V，否則會使功放產(chǎn)生失真。

⑵ 前置放大器電路

如圖9所示。設(shè)置前置放大器，可使整個功放的增益從1～20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1W時，其8Ω上的電壓V=8V，此時送

p-p給比較器音頻信號的V值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4（實際上，功放的最大不失真p-p功率要略大于1W，其電壓增益要略大于4）。因此必須對輸入的音頻信號進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于5。

前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻R≥10kΩ的要求。同時，采用滿幅運放可在降低電源

i電壓時仍能正常放大，取V=V/2=2.5V，要求輸入電阻R大于10kΩ，故取R=R=51kΩ，+

cc

i

12則R=51/2=25.5kΩ，反饋電阻采用電位器R，取R=20kΩ，反相端電阻R取2.4kΩ，則前

i

43置放大器的最大增益Av為

圖 9 前置放大器電路

調(diào)整R使其

4考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值V<2.5V，取V

om的音頻最大幅度V<(V/A)=2/8=250mV。超過此幅度則輸出會產(chǎn)生削波失真。

imom

v⑶ 驅(qū)動電路 如圖10所示。器并聯(lián)運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅(qū)4.220 1 1 34 + = + = RR Av增益約為 8，則整個功放的電壓增益從 0～32 可調(diào)。om=2.0V，則要求輸入 將 PWM 信號整形變換成互補對稱的輸出驅(qū)動信號，用 CD40106 施密特 觸發(fā)動的輸出管，保證了快速驅(qū)動。驅(qū)動電路晶體三極管選用2SC8050和2SA8550對管。

⑷ H橋互補對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，IRFD120和IRFD9120 VMOS對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖11所示?；パaPWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q和Q或Q和Q，分別經(jīng)兩個4階Butterworth

67濾波器濾波后推動喇叭工作。

圖 10 驅(qū)動電路

圖 11 H 橋互補對稱輸出及低通濾波電路

⑸ 低通濾波器

本電路采用4階Butterworth低通濾波器（如圖11)。對濾波器的要求是上限 頻率≥20 kHz，在 通頻帶內(nèi)特性基本平坦。采用了電子工作臺(EWB)軟件進(jìn)行仿真，從而得到了一組較佳的參數(shù)：L1=22μH，L2＝47μH，C1=l.68μH，C2=1μH。19.95 kHz處下降2.464 dB，可保證20 kHz的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線基本平坦；100 kHz、150 kHz處分別下降48 dB、62 dB，完全達(dá)到要求。

四、系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

1、測試使用的儀器

2、測試數(shù)據(jù)

（1）最大不失真輸出功率測試數(shù)據(jù)如下表所示：

⑵ 通頻帶的測量測試數(shù)據(jù)如下表所示

由表看出通頻帶BW0.7≈fH≈20 kHz，滿足發(fā)揮部分的指標(biāo)要求。⑶ 效率的測量測試數(shù)據(jù)如下表所示：

⑷ 測量輸出功率200mW時的最低電源電壓測量結(jié)果：Vcc=4.12 V。

3、測量結(jié)果分析

①功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一定差別，其原因有以下幾個方面： a．功放部分電路存在的靜態(tài)損耗，包括PWM調(diào)制器、音頻前置放大電路、輸出驅(qū)動電路及 橋輸出電路。這些電路在靜態(tài)時均具有一定的功率損耗，實測結(jié)果其 5V 電源的靜態(tài)總電流約為30 mA，即靜態(tài)功耗 P 損耗=5× =1 mW。那么這部分的損耗對總的效率影響很大，特別對小功率輸出時影響更大，這是影響效率提高的一個很重要的方面。

b．功放輸出電路的損耗，這部分的損耗對效率和最大不失真輸出功率均有影響。此外，H橋的互補激勵脈沖達(dá)不到理想同步，也會產(chǎn)生功率損耗。

五、進(jìn)一步改進(jìn)的措施

1、盡量設(shè)法減小靜態(tài)功耗

①盡量減小運放和比較器的靜態(tài)功耗。實測兩個比較器(LM311)的靜態(tài)電流約為 15 mA，這部分損耗就占了靜態(tài)損耗的一半功率。這是由于在選擇器件時幾個方面不能完全兼顧所 致。若選擇同時滿足幾方面要求的器件，這部分的功耗是完全可以大幅度降低的。②我們選用的 VMOSFET 管的導(dǎo)通電阻還不是很小，若能換成導(dǎo)通電阻更小的 VM0SFET 管，則整個功放的效率和最大不失真輸出功率還可進(jìn)一步提高。③低通濾波器電感的直流內(nèi)阻需進(jìn)一步減小。

六、結(jié)束語 對于本系統(tǒng)設(shè)計，有些指標(biāo)還有待于進(jìn)一步提高。例如，在功放效率、最 功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們

擇來進(jìn)一步完善。大不失真輸出 通過對電路的改進(jìn)和對元器件的最佳選

第四篇：高頻功率放大器實訓(xùn)報告

《高頻電子線路》實訓(xùn)報告

題目：高頻諧振功率放大器的性能研究

設(shè)計過程：

1．高頻功率放大器簡介

高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000

Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺（535－1605

kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10

kHz，如中心頻率取為1000

kHz，則相對頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。

2.高頻功率放大器的分類

高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。

諧振功率放大器的特點：

①放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。

②輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。

③基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。

④輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。

3.功率放大器的三種工作狀態(tài)

高頻功率放大器的效率是一個突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等，提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態(tài)，但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)很大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；采用推挽電路時可以工作在乙類狀態(tài)；高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類狀態(tài)，通過諧振回路的選頻作用，可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。

工作狀態(tài)

半導(dǎo)通角

理想效率

負(fù)

載

應(yīng)

用

甲類

qc=180°

50%

電阻

低頻

乙類

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低頻，高頻

甲乙類

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低頻

丙類

qc＜90°

h＞78.5%

選頻回路

高頻

丁類

開關(guān)狀態(tài)

90%~100%

選頻回路

高頻

表1-1

不同工作狀態(tài)時放大器的特點

4.放大器電路分析

（1）諧振功放基本電路組成如圖1-2所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作。我們知道，在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB

使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于NPN型管來說，只有在激勵信號為正值的一段時間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。

晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振回路中LC是晶體管的負(fù)載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。

圖1-2

高頻功率放大器基本電路

圖1-2

諧振功率放大器各級電壓和電流波形

（2）集電極電流余弦脈沖分解

當(dāng)晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。

晶體管的內(nèi)部特性為：

ic

=

gc

(eb–VBZ)

它的外部電路關(guān)系式：

eb

=

–VBB

+

Vbmcoswt

ec

=

VCC

–Vcmcoswt

當(dāng)wt=0時，ic

=

ic

max

因此，ic

max

=

gcVbm(1–cos

qc)

若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)，得

ic

=Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+…+Icmncosnwt+…

由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得

其中

5.諧振功率放大器的動態(tài)特性

（1）諧振功放的三種工作狀態(tài)

在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：

①欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流在臨界線的右方

②過壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)

③臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。

i

c

i

c

I

m

0

180

°

＜

°

w

t

B

A

C

D

負(fù)載增大

V

CC

Q

V

c

1.欠壓狀態(tài)

2.臨界狀態(tài)

3.過壓狀態(tài)

R

p

V

c

V

c

圖1-3

電壓、電流隨負(fù)載變化波形

（2）諧振功率放大器的外部特性

如果VCC、VBB、Vb

這幾個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻R

決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。

①欠壓狀態(tài)：B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R*

Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。

②臨界狀態(tài)：負(fù)載線和Eb

max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損

耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個狀態(tài)。

③過壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。

R

Recr

IC1m

VC1m

IC0

欠壓

過壓

圖1-4

諧振放大器的負(fù)載特性

集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應(yīng)于VCEmin的動態(tài)點必定在VBE＝VBEmax的那條特性曲線上移動；當(dāng)VCC由大減小時，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。

VC1m

Ic1m

Ic0

過壓

臨界

欠壓

過壓

臨界

欠壓

VCC

VCC

h

P1

P0

圖1-5

諧振放大器的集電極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-7所示。當(dāng)Vbm一定，VBB自負(fù)值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應(yīng)的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。

放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。

VC1M

IC1M

IC0

h

P0

P1

欠壓

臨界

過壓

欠壓

臨界

過壓

Vbm

Vbm

圖1-6

諧振放大器的放大特性

6.電路的設(shè)計

（1）丙類功率放大器的設(shè)計

因為要求獲得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為

=551.25Ω

集電極基波電流振幅

≈0.019A

集電極電流最大值為

=0.019/0.436=43.578mA

其直流分量為

=*=43.578*0.253=11.025mA

電源供給的直流功率為

PD=Ucc*Ico=132.3mW

集電極損耗功率為

P=

PD

–

PC

=32.3mW

轉(zhuǎn)換效率為

η=

PC

/

PD

=100/132.3=75.6%

當(dāng)本級增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流β=10時，有：

輸入功率為

P1=P0/AP=5mW

基極余弦電流最大值為

IBM

=

ICM

/β

≈

4.36Ma

基極基波電流振幅

=4.360.436=1.9mA

所以輸出電壓的振幅為

UBM

=2

P1/

IB1M≈5.3V

（2）諧振回路和耦合回路參數(shù)計算

丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25Ω,則輸入阻抗

≈87.1Ω

則輸出變壓器線圈匝數(shù)比為

≈6.4

在這里，我們假設(shè)取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則

≈7.036μH

采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁環(huán)來繞制輸出變壓器，因為有

其中

μ=100H/m,A=,=25mm,L

=7.036μH

所以計算得N2=7

仿真結(jié)果：

（1）

multisim仿真高頻諧振功率放大電路原理圖

圖1-7高頻諧振功率放大器仿真電路圖

（2）

仿真示波器測得輸入與輸出信號電壓波形

用高頻信號源提供2MHz的輸入信號，幅度在1V左右，觀測到放大后的不失真的輸入信號。當(dāng)輸出信號幅度最大，失真最小時，認(rèn)為功放已經(jīng)調(diào)諧了。

圖1-8調(diào)諧波

第五篇：高頻功率放大器實驗

實驗報告

課程名稱：

高頻電子線路實驗

指導(dǎo)老師：

韓杰、龔淑君

成績：__________________ 實驗名稱：

高頻功率放大器

實驗類型：

驗證型實驗

同組學(xué)生姓名：

_

一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?/p>

二、實驗內(nèi)容和原理（必填）

三、主要儀器設(shè)備（必填）

四、操作方法和實驗步驟

五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理

六、實驗結(jié)果與分析（必填）

七、討論、心得

一、實驗?zāi)康?/p>

1、了解高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)——輸出功率、中心頻率、末級集電極效率、穩(wěn)定增益或輸入功率、線性動態(tài)范圍等基本概念，掌握實現(xiàn)這些指標(biāo)的功率放大器基本設(shè)計方法，包括輸入、輸出阻抗匹配電路設(shè)計，回路及濾波器參數(shù)設(shè)計，功率管的安全保護(hù)，偏置方式及放大器防自激考慮等。

2、掌握高頻功率放大器選頻回路、濾波器的調(diào)諧，工作狀態(tài)（通角）的調(diào)整，輸入、輸出阻抗匹配調(diào)整，功率、效率、增益及線性動態(tài)范圍等主要技術(shù)指標(biāo)的測試方法和技能。

二、實驗原理

高頻功率放大器實驗電路原理圖如下圖圖1所示。電路中電阻、電容元件基本上都采用貼片封裝形式。放大電路分為三級，均為共射工作，中心頻率約為10MHz。

圖1 高頻功率放大器

第一極（前置級）管子T1采用9018或9013，工作于甲類，集電極回路調(diào)諧于中心頻率。第二級（驅(qū)動級）管子T2采用3DG130C，其工作狀態(tài)為丙類工作，通角可調(diào)。通角在45°~60°時效率最高。調(diào)整RW1時，用示波器在測試點P2可看到集電極電流脈沖波形寬度的變化，并可估測通角的大小。第二級集電極回路也調(diào)諧于中心頻率。第三級（輸出級）管子T3也采用3DG130C，工作于丙類，通角調(diào)在60°~70°左右。輸出端接有T形帶通濾波器和π型阻抗變換器，具有較好的基波選擇性、高次諧波抑制和阻抗匹配性能。改變短路器開關(guān)K1~K4可觀看濾波器的失諧狀態(tài)，為保證T3管子安全，調(diào)整時應(yīng)適當(dāng)降低電源電壓或減小激勵幅度。改變K5、K6可影響T3與51Ω負(fù)載的匹配狀態(tài)。匹配時，51Ω負(fù)載上得到最大不失真功率為200mW左右，二次諧波抑制優(yōu)于20dB，三級總增益不小于20dB，末級集電極到負(fù)載上的凈效率可達(dá)30%左右，考慮濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，集電極效率可達(dá)40%以上。開關(guān)K8只有在接通后才能使功放達(dá)到預(yù)定效率，但實驗時，為了使R16對末級管子T3起到限流保護(hù)作用，K8不要接通，而R16上的電壓降也不必扣除，這只使功放總效率略有降低。電源開關(guān)K7用于防止穩(wěn)壓電源開機或關(guān)機時電壓上沖導(dǎo)致末級功放管損壞。

三、主要儀器設(shè)備

10MHz高頻功率放大器實驗板、BT3C（或NW1252）掃頻儀、高頻信號發(fā)生器（QF1056B或EE1461）、示波器、超高頻毫伏表（DA22）、直流穩(wěn)壓電源（電壓5~15V連續(xù)可調(diào)，電流1A）、500型萬用表（或數(shù)字萬用表

四、實驗內(nèi)容和步驟

主要測試指標(biāo)：功率、效率、線性動態(tài)范圍 實驗準(zhǔn)備與儀器設(shè)置

1、實驗板：

? 開關(guān)K7用于防止穩(wěn)壓電源開機或關(guān)機時電壓上沖導(dǎo)致末級功放管損壞，所以穩(wěn)壓電源開機或關(guān)機前，開關(guān)K7必須置于關(guān)閉（向下）；

? 短路開關(guān)置于K1、K3、K6、K9、K10，否則濾波器失諧，影響T3與51Ω負(fù)載的匹配狀態(tài)，從而影響實驗結(jié)果。

2、電源：

? 為保證T3管子安全，電源電壓最高不超過+15V，實驗時設(shè)置為+14.5V~+15V。

實驗內(nèi)容與步驟

4）用信號源及示波器測功放輸出功率及功率增益

（1）適當(dāng)改變信號幅度（200~300mV左右），使51Ω負(fù)載上得到額定功率200mW。

（2）在測試點P2觀察電流脈沖，寬度應(yīng)為周期的1/3左右。

（3）從輸入輸出信號幅度求得功放的（轉(zhuǎn)換）功率增益。

（4）比較濾波器輸入輸出幅度，估計濾波器插入衰減。

5）用雙蹤示波器觀察電流電壓波形

（1）比較功放末級發(fā)射極電流脈沖波形和負(fù)載上基波電壓波形的相位。（2）比較功放第二級發(fā)射極電流脈沖波形與集電極電壓基波波形的相位，并分別畫出波形。

6）高頻功放效率（主要是末級）的調(diào)試與測量

（1）用示波器觀看第二級發(fā)射極電阻電流脈沖寬度。

（2）用示波器在第三級功放發(fā)射極電阻上觀看其電流脈沖波形。

8）功放線性觀察

(1)調(diào)幅波通過功率放大器

將中心頻率為10MHz、調(diào)制度為60%的調(diào)幅信號電壓加到功放輸入端，適當(dāng)調(diào)整輸入信號幅度（200mV），使51Ω負(fù)載上輸出調(diào)幅波峰值功率不超過功放額定功率200mW，用雙蹤

示波器比較輸入、輸出調(diào)幅波的波形并加以說明。

(2)調(diào)頻波通過功率放大器

將中心頻率為10MHz的調(diào)頻波（頻偏60KHz）輸入功放，調(diào)節(jié)信號幅度使負(fù)載上調(diào)頻信號功率不超過功放額定功率，比較輸入、輸出調(diào)頻波的波形并加以說明。

五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理

1、用信號源及示波器測功放輸出功率及功率增益

（1）適當(dāng)改變信號幅度（200~300mV左右），使51Ω負(fù)載上得到額定功率200mW。

本次實驗采用的電路板，當(dāng)輸入信號幅度為350mv時，51Ω負(fù)載上可以達(dá)到200mW的額定功率，此時負(fù)載兩端輸出電壓峰峰值為9.02V。

當(dāng)輸入信號幅度為350mW時，負(fù)載兩端波形如下所示：

由圖可知此時波形峰峰值為9.02V，與理論計算的9.03V十分接近，所以實驗數(shù)據(jù)可靠。

（2）測試點P2的電流脈沖： 已測：頻率為10MHz，周期為T=100ns，電流脈沖寬度為43ns，約為周期的1/3。

（3）功放的（轉(zhuǎn)換）功率增益：

∵VPP-in=300mV*2=0.6V

Vpp-out=9.03V

又輸入輸出阻抗匹配

2Vpp9.032?out∴功率增益：A?10?lg2?10?lg?23.55dB2Vpp?in0.6

上述結(jié)果滿足實驗原理中三級總增益不小于20dB的結(jié)論。

（4）比較濾波器輸入輸出幅度，估計濾波器插入衰減。

濾波器輸入：信號峰峰值= 2.01V

濾波器之后的輸出峰峰值=1.27V 插入損耗為：20*lg（1.27/2.01）=-3.99db

2、用雙蹤示波器觀察電流電壓波形。

（1）功放末級發(fā)射極電流脈沖波形的相位與負(fù)載上基波電壓波形的相位比較：

由上圖可知，兩者之間的相位差約為180度。

（2）功放第二級發(fā)射極電流脈沖波形與集電極電壓基波波形的相位比較：

根據(jù)波形比較可知，兩者之間的波形相位相差180度。

3、高頻功放頻率（主要是末級）的調(diào)試與測量

（1）第二級發(fā)射極電阻電流脈沖寬度：

第二級發(fā)射極電流脈沖寬度約為42ns

（2）第三級功放發(fā)射極電阻上觀察電流脈沖波形：

4、功放線性觀察：

（1）輸入、輸出調(diào)幅波的波形：

如圖可以看出，輸出調(diào)幅波與輸入調(diào)幅波相比較，可知輸入調(diào)幅波通過高頻功放之后波形產(chǎn)生了很大的失真。

（2）輸入、輸出調(diào)頻波的波形：

如圖所示，通過高頻功率放大器之后調(diào)頻波的輸入輸出波形并沒有太大的差別（均為正弦波），只是輸出波形稍微有些失真，但是并不明顯。

六、實驗結(jié)果與分析

1、用信號源及示波器測功放輸出功率及功率增益

實驗中，通過調(diào)節(jié)變阻器的值調(diào)節(jié)電路，最終當(dāng)輸入信號幅度取到300mV時，51Ω負(fù)載上得到的功率為200mW。由于實驗中T2管子工作狀態(tài)為丙類，即為C類高頻功放，導(dǎo)通角約為60度，因此在發(fā)射極P2測試點測得的電流脈沖為周期T的1/3左右（60°/180°=1/3）。比較濾波器的輸入輸出波形可以看出，功率增益為23.55dB，滿足三級功放的功率增益不小于20dB，插入的濾波器可以將C類放大器引起的非線性失真補償，這是因為T形帶通濾波器和π型阻抗變換器具有較好的基波選擇性、高次諧波抑制和阻抗匹配性能，但同時付出了增加插入損耗的代價。實驗中測得濾波器的插入損耗為

dB。

2、用雙蹤示波器觀察電流電壓波形

比較功放第2級發(fā)射極P2電流脈沖波形與集電極P3電壓基波波形的相位，發(fā)現(xiàn)相位差約為180度，這與三極管的反相特性吻合；當(dāng)比較功放末級發(fā)射極P4電流脈沖波形與負(fù)載上基波電壓波形的相位，發(fā)現(xiàn)相差也為180度。

3、高頻功放頻率的調(diào)試與測量

通過觀察高頻功放末級發(fā)射極上電流脈沖波形，發(fā)現(xiàn)仍然存在失真，脈沖寬度約為一周期的0.4，但是信號的幅度與第二級發(fā)射極電流脈沖來講已經(jīng)被放大了。

4、功放線性觀察

試驗中分別觀察了調(diào)幅波通過高頻功放與調(diào)頻波通過高頻功放之后的失真，發(fā)現(xiàn)調(diào)幅失真度比調(diào)頻的失真度要大很多，這是因為實驗中T2T3均為C類放大器，是屬于非線性放大器，不適合放大為非恒定包絡(luò)的已調(diào)信號。對于普通調(diào)幅波信號，C類放大器對幅度不同的輸入信號的導(dǎo)通角不同，輸出電流基波分量的幅度與導(dǎo)通角成非線性關(guān)系，使得輸出電壓幅度的包絡(luò)與輸入電壓包絡(luò)不成正比，從而產(chǎn)生較大失真，而調(diào)頻信號適合使用C類高頻功放，因此輸入輸出波形沒有太大差別。

八、思考題

1、簡述放大器分類以及各類放大器的區(qū)別與應(yīng)用？

答：功率放大器根據(jù)輸出功率與效率不同，分為A、B、C、D、E等幾類。

按照信號一周期內(nèi)晶體管的導(dǎo)通情況，即按導(dǎo)通角的大小，功率放大器可分為A、B、C三類。在信號一周期內(nèi)管子均導(dǎo)通，導(dǎo)通角為180°，稱為A類放大器，理想效率為50%，負(fù)載為電阻。一周期內(nèi)只有一半導(dǎo)通的稱為B類放大器，導(dǎo)通角為90°，理想效率為78.5%，電路一般采用兩個管子輪流導(dǎo)通的推挽形式。AB類放大器介于A、B類兩者之間，導(dǎo)通角為90°~180°，理想效率為50%~78.5%，電路同樣采用推挽形式。而導(dǎo)通時間小于一半周期的成為C類放大器，即導(dǎo)通角小于90°，理想效率大于78.5%。

如果按照晶體管的等效電路分，則A、B、C屬于一大類，它們的晶體管都等效為一個受控電流源。而D、E屬于另一類功放，它們的晶體管被等效為受輸入信號控制的開關(guān)，導(dǎo)通角都近似為90°，都屬于高效率的非線性功率放大器。

對于音頻功率放大器，目前使用最多的是AB 類功放，這類功放優(yōu)點是音質(zhì)較好，缺點是它的平均效率不高，大約40%左右，在大音量時整機溫升較高。因此許多電子工作者設(shè)計了其他種類的音頻功率放大器，如G類功放。G類功率放大器設(shè)計基本思想是，當(dāng)功放輸出幅度較小時功放末級供電采用低電壓，當(dāng)輸出幅度升高時功放末級供電采用較高一些電壓，如輸出幅度繼續(xù)升高時，功放末級供電再用更高一些電壓，這樣就減小了信號小幅度下的管耗，大大提高了整機效率。采用數(shù)字切換電源方式的G類功放的功率管功耗很低，帶來的好處是整機發(fā)熱大大降低，提高了電路的可靠性，減小了電源的功率和功率管散熱片的大小，而音質(zhì)又與AB 類功放差不多，是很值得推廣的一種音頻功率放大器。

2、當(dāng)高頻功放負(fù)載電阻發(fā)生短路或開路時，功放管會發(fā)生什么危險？

答：當(dāng)負(fù)載短路時會使功放管燒毀，當(dāng)負(fù)載開路時會使功放管擊穿。

3、當(dāng)高頻功放集電極回路或濾波器電路嚴(yán)重失諧時，功放管可能出現(xiàn)什么危險，為什么？

答：功放管可能因集電極電流過大而燒毀，也可能因集電極脈沖電壓過大而擊穿。具體情況與激勵幅度、信號頻率、回路或濾波器阻抗、Q值、失諧量、阻抗變換比、電源電壓等因素有關(guān)。

4、當(dāng)高頻功放激勵幅度過大或過小時，會產(chǎn)生什么不良后果？

答：若高頻功放管激勵幅度過小時，則輸出功率太小，觀察不明顯，容易與噪聲混淆。若輸入信號激勵過大時則可能會產(chǎn)生波形的失真、模糊等現(xiàn)象，即出現(xiàn)寄生調(diào)制，間歇振蕩或高頻自激等，從而可能使得功放管燒毀或擊穿。

5、調(diào)節(jié)RW1減小功放第二級導(dǎo)通角時，功放總幅頻特性會發(fā)生什么變化，為什么？導(dǎo)通角改變對功放管安全性有什么影響？

答：當(dāng)調(diào)節(jié)RW1減小功放第二級導(dǎo)通角時，可能使功放總特性輸出幅度升高，而帶寬變窄，并在中心頻率的1/

2、1/

3、1/4……處產(chǎn)生增益。因為導(dǎo)通角減小時，管子阻抗升高，從而使得賄賂的損耗減小，Q值升高，進(jìn)而使得功放級等效阻抗升高，電壓增益升高，線性動態(tài)范圍減小，因而出現(xiàn)嚴(yán)重非線性失真，即在中心頻率1/

2、1/3……處出現(xiàn)明顯的高次諧波輸出。這會使得末級功放容易被擊穿，并可能在帶外產(chǎn)生嚴(yán)重的雜波輻射，對其他射頻信號產(chǎn)生干擾。

6、高頻功放電源電壓應(yīng)如何選定？若外接負(fù)載固定為50Ω，為得到最大輸出功率，甲類、乙類高頻功放的輸出阻抗匹配應(yīng)如何考慮？

答：高頻功放電源電壓一般小于BVCEO/2（30/2V=15V），并盡可能采用通用標(biāo)準(zhǔn)直流電壓，即功放調(diào)諧后，電源電壓最高不超過15V。為了提高功率，功放末級管子T3采用3DG130C，工作于丙類，通角在60°~70°左右，此時集電極匹配負(fù)載阻抗約為（2.5~3）BVCEO/ICM，再將50Ω負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換成這個值即可。末級功放甲類、乙類工作時，上述阻抗括號內(nèi)數(shù)字為1和2。

8、如何提高高頻功放的穩(wěn)定功率增益？

答：根據(jù)公式

功放管穩(wěn)定功率增益與管子的工作點及穩(wěn)定系數(shù)大小有關(guān)，當(dāng)滿足絕對穩(wěn)定條件： |K|>

1、|S11|<

1、|S22|<1時，只要輸入輸出端滿足阻抗共軛匹配，即可達(dá)到最大穩(wěn)定功率增益。然而大多數(shù)管子不滿足絕對穩(wěn)定條件，因而通常只在輸入端實行共軛匹配，而輸出端失配，失配負(fù)載阻抗可能有兩個值，也可能有一個值或者沒有值。如有兩個值，則可根據(jù)其他指標(biāo)作出選擇；如只有一個值，則沒有選擇余地；如沒有穩(wěn)定失配阻抗值，則應(yīng)改變工作點，電源電壓或跟換管子。穩(wěn)定失配負(fù)載電阻為：

式子中Vsat為管子高頻飽和壓降（比直流飽和壓降大很多，測試方法為：輸入額定功率，監(jiān)視輸出電壓或功率，逐漸降低VCC至電壓或功率開始下跌時，記下VCC值，并測出輸出電壓幅值Vom，則Vsat=、VCC-Vom。

9、高頻功放的實際功率增益如何測量？

答：高頻功放的實際功率增益測量,主要是不匹配輸入阻抗實部Rin的測量。方法有開路(高阻為近似開路)法,等效 阻抗置換法及電流取樣法等。

1）開路法最簡單信號源內(nèi)阻Rs通常為50Ω已知，加上額定激勵幅度Uin（注意輸入回路調(diào)諧），再斷開后測信號源開路電勢E，則Rin=UinRs/（E-Uin），Pin=Uin/Rin，實際功率增益Kp=Pout/Pin。

2）等效阻抗置換法稍麻煩，既要保證管子輸入端回路

調(diào)諧，又要調(diào)整等效電阻大小，使電阻上電壓與管子額定輸入電壓幅度相等。

3）電流取樣法需要在輸入端調(diào)諧后串接一個小電阻R，測出電阻兩端電壓差Vin-Vin，求出電流Iin=（Vin-Vin）/R，則Pin=VinIin，實際功率增益Kp=Pout/Pin=PoutR/Uin（Vin-Vin）。

10、怎樣防止高頻功放自激？

答：預(yù)防功放自激措施如下所示。

1）選擇合適的管子參數(shù)（功率PcM、電流IcM、頻率fT、耐壓BVce0等； 2）選擇合適的工作狀態(tài)（電源電壓、導(dǎo)通角（60~70o））； 3）正確選擇電路形式；

4）正確設(shè)計電路參數(shù)，特別是回路阻抗、帶寬及扼流圈電感量等，并根據(jù)絕對穩(wěn)定條件，充分留有穩(wěn)定性余量；

5）準(zhǔn)確測出管子S參數(shù)，并適當(dāng)修正設(shè)計參數(shù)；

6）正確設(shè)計結(jié)構(gòu)布局，充分縮短電路走線和元件引線（特別是管子發(fā)射極引線）長度，減少元件之間的分布電容，級間雙電容寬帶去耦、級間及總體屏蔽，采用大面積地線及就近接地；

7）準(zhǔn)確調(diào)諧頻率和調(diào)整信號激勵幅度；

8）微帶功放要采用較薄、高 εr的氧化鈹陶瓷基板，采用加散熱器、風(fēng)冷等穩(wěn)定措施，進(jìn)行低頻濾波，采用低頻短路負(fù)載等。

11、用3DG130C管設(shè)計一個5MHz高頻功放，負(fù)載為50Ω，輸出功率200mW，功率增益大于20dB，二次諧波抑制優(yōu)于20dB，末級放大器到負(fù)載凈效率大于35%，電源電壓為12~15V。

答：電路的設(shè)計與本次實驗及其類似，但是幾個元器件的工作參數(shù)發(fā)生了變換，具體參數(shù)如下： 1.第一級

1）管子：9013（fT 300MHz，PcM 700mW，BVce0實測 ≥30V）2）工作狀態(tài)：甲類 2.第二級

1）管子：3DG130C（fT≥300MHz，IcM≥300mA，PcM≥700mW，BVce0≥30V，實測≥30V）

2）工作狀態(tài)：丙類-乙類-甲乙類-甲類連續(xù)可調(diào)。3.第三級

1）管子： 3DG130C（參數(shù)同第二級）2）工作狀態(tài)：

丙類通角：60~70°

集電極負(fù)載：300Ω

最大輸出功率：約300mW

集電極效率：約35% 3）濾波器 ：

最平型帶通T型3級（視諧波抑制指標(biāo)而定）

中心頻率：

5MHz

相對帶寬（2Δf/f。）：約0.05~0.1

終端阻抗:

200~300Ω

插入損耗:

約3~5dB 4)π型導(dǎo)納變換器:

特征阻抗:

約50Ω