高频功率放大器

第一章 高频功率放大器的基本概念

1.1 .概念

高频功率放大器是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般丙类工作，主要应用在无线电发射机中，用来队在波信号或高频已调波信号进行功率放大。

顾名思义,高频功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。 1.2.分类

根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大类。

1. 窄带型高频功率放大器

通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态。

2. 采用传输线变压器作负载。传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。 1.3 特点

1.采用谐振网络作负载。 2.一般工作在丙类或乙类状态。 3.工作频率和相对通频带相差很大。

4.技术指标要求输出功率大、效率高。 1.4. 技术指标

1.输出功率:PO 2.效率:η

3.功率增益:Ap

第二章 高频功率放大器的原理分析

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。根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、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＝180o，效率最高也只能达到50％，而丙类功放的θ＜90%，效率η可达到80％。由技术指标要求总效率η大于75%，显然不能只用一级宽带功放，利用丙类谐振功放和宽带高频功放组成两级功率放大器。

2.1.丙类谐振功放

2.1.1．丙类谐振功放的特点

1.与低频功放相比 a.工作频率和相对频带不同 b.负载性质不同 c.工作状态不同

2.与小信号谐振放大器比较 a.对放大信号的要求不同 b.谐振网络的作用不同

c.工作状态不同

图2.1 三种工作状态波形比较

2.1.2.丙类谐振功放的原理

1.电路原理

ui

图2.2 丙类谐振功放电路

丙类功放的基极偏置电压-VBE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号vi'为正弦波时，则集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2、C2的选频作用可输出基波谐振电压vc1、电流ic1。

2.工作原理

设输入ui为一余弦信号: ui= Uimcost （2.1） 则三极管的发射结电压：uBE=VBBui= VBBUimcost,因为管子只在小

半周期内导通，因而iB为脉冲电流。放大后的iC也为脉冲电流。根据傅氏级数展开得：

iC

=Ic0Ic1mcostIc2mcos2tIcnmcosnt （2.2）

考虑LC谐振回路对各次谐波的作用不同得：

uc= Ic1mRPcost

= Ucmcost （2.3）

uCE= VCCuc= VCCUcmcost 因而：（2.4）

图2.3 丙类谐振功率放大器主要相关波形

波形分析：

（a）三极管输入特性

（b）基极脉冲电流及谐波分量 （c）集电极脉冲电流及谐波分量 (d) LC谐振回路两端电压波形

(e) 晶体管集电极和发射极之间的瞬时电压波形 3.功率与效率

电源提供功率：PO VCCIC0 输出功率：Pc

11V2

cm2

Vc1mIc1m

2

Ic1mR0

2R 0

集电极功耗：PCPDCPO 效率：

POCP

1UcmIc1mDC

2VCCI1g1() c0

2

2.5）2.6）2.7）2.8）

（

（

（

（

其中：

UcmVCC

为集电极电压利用系数。

g1()

Ic1mIC0

为集电极电流利用系数（波形系数）。

2.1.3丙类谐振功放的性能分析 1. 动态线

——在以UBE作为参变量的三极管输出特性曲线上作出的交流负载线

图2.4 交流负载线

且有：uBEVBBUimcost，uCEVCCUcmcost。可见，动态线和VCC， VBB，Uim，Ucm相关。 2. 三种工作状态

图2.5 三种工作状态

改变UBE、UCE将使动态点移动，使谐振功放工作于不同的三种状态： 欠压状态：① 临界状态：②过压状态：③欠压状态

3. 负载特性

指VCC、VBB、Uim不变时，谐振负载RP变化对放大器性能的影响。

如图所示：

图 2.5 负载对放大器性能影响的曲线

观察集电极余弦脉冲变化，如图所示：

图2.6 Rp增大时的余弦脉冲波形

4. 调制特性

集电极调制特性：指VBB、Uim、 RP固定，VCC变化对放大器性能的影响。

特点：随着VCC增大，先后经历：过压→临界→欠压且θ不变。作为集电极调制时应工作于过压区

基极调制特性：指 VCC 、Uim、 RP固定， VBB 变化对放大器性能的影响。

特点：随着VBB 增大，先后经历：→临界→过压且 θ增大。作为基极调制时应工作于欠压区。

图2.7 调制特性

5. 放大特性

指VCC 、 VBB 、 RP固定， Uim变化对放大器性能的影响。特点：随着Uim的增大，先后经历：欠压→临界→过压且θ增大。欠压时用于放大，过 压时用于限幅。

图2.8 放大特性

2.1.4.丙类谐振功放电路

1.基极馈电电路

图 2.9 基极馈电电路

2.集电极馈电电路

图2.10 集电极馈电电路

3.滤波匹配网络（输入与输出）

图2.11 滤波匹配网络

2.2.宽带功放

如下图2-1所示，晶体管T组成的非谐振甲类功率放大器工作在线性放大状态。其中R1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。R2为交流负反馈电 阻，一般为几欧至几十欧，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

图2.12 宽带功放电路

2.2.1静态工作点的确定：

VeqIeq（RfRel）IcqRel

（2-1）

IcqBIbq

（2-2）

VbqVeq0.7 （2-3） VceqVccIcq（RfRel） （2-4）

2.2.2高频变压器：

上图2.12所示的高频变压器仍然是应用变压器的原理，依靠磁芯中的公共磁通将初级线圈的能量传输到次级线圈。由变压器原理可知，宽带功放集电极的功率：Pc=Ph/ηt （其中Ph为输出负载的实际功率，ηt为变压器的传输功率）。

第3章 电路参数确定及元件选择

3.1.电路的确定

此电路由丙类谐振功放以及宽带功放组成

图2.13功率放大器总电路

丙类功放的输出回路采用了变压器耦合方式。集电极谐振回路为部分接入，谐振频率为 0

1LC

或 f0

12

LC

谐振阻抗与变压器线圈匝数比为

(3.1)

(3.2)

（VccVCE（sat））

R0

2P0

2

(3.3)

3.2丙类功放计算

3.2.1确定工作状态

为获得较高的效率及最大输出功率，放大器的工作状态选为临界状态，取

70，由式（2-15）得谐振回路的最佳负载电阻

（VccVCE（sat））R0110

2P0

2

（3.4）

2P0R0

由式（3.4）得集电极基波电流振幅Ic1m为Ic1m

Ic1m

95mA （3.5）

Ico Icm由式（3.5）得Icm，

216m （3.6） a（70）1

70）54m IcoIcma（（3.7） 0

其中，a1(700)0.436 ，a0(700)0.253

由式（3.7）得电源供给的直流功率PD为 PDVccIco0.65W （3.8） 由式（3.8）得放大器的转换效率为 

P0PD

77% （3.9）

3.2.2谐振回路及耦合回路参数计算

由式（3.1）得输出变压器线圈匝数比为

N3N1



RLR0

0.67取N32，N13。

若取并联谐振回路的电容C=100pF，得回路的电感为 L≈10μH现采用Φ10mm×Φ6mm×5mm的铁氧体磁环来绕制输出耦合变压器，已知其参数为 μ=100H/m，A=10mm2，l=25mm。则计算初级线圈的总匝数N2。N2 ≈ 8。

3.2.3 基极偏置电路

加入Vbm后，VBBIcoRE 。取RE10，则VBB0.54V。 由VBE（on）=0.6V，得Vbm2.56V取高频旁路电容CE20.01uF。

3.3宽带功放电路参数计算

3.3.1电路参数计算

宽带功放的输出功率Ph应等于下级丙类功放的输出功率，其输出负载Ph等于丙类功放的输出阻抗Zi，即PhPi25mW，RhZi86。

设高频变压器的效率t0.8，则Pc

2PcIcm

Ph

t

31W 若IcqIcm7mA，则

Vcm

（VccVcmVces）

357，取标称值为360Ω。高频变8.9V，Re1

Icq

压器匝数比为3，取次极匝数为2则初级匝数为6。本宽带功放采用的是3DG6，设B=30，取功率增益Ap13dB，则Pi

PcAp

1055mW

。

3.3.2确定静态工作点

由上述计算结果得到静态（Vi0）时晶体管的射极电位则

VeqIcqRe12.5V

，Ibq

IcqB

0.23mA，VbqVeq0.73.2V。若取基极偏置

电路的电流I5Ibq，则R2

C10.02uf。

Vbq5Ibq

2.8K，取标称值为2KΩ。取Ce10.02uf，

第4章 电路仿真与调试

4.1电路仿真

用EWB软件仿真如图4-1所示：

图4.1电路仿真图

用示波器接入T2的发射极，调节Vi，使得Ic工作在欠压（图4-2），临界压（图4-3），过压（图4-4）三个状态图依次如下图所示：

图4.2欠压状态

图4.3 临界状态

图4.4 过压状态

用电压表和电流表测得一级宽带功放的静态工作点为Vbq=2.8V,Veq=2.2V，Icq=6mA。

其波形放大如图4-5所示：

图4-5功率放大器的波形放大图 4.2.电路调试

变压器安装后，应确保其输入、输出电压反相（示波器测量），否则会产生较大干扰。

4.2.1谐振状态的调整

理论上分析，丙类功放的集电极回路处于谐振状态时，回路电压VL为最大，集电极平均电流Ic0最小。但由于受放大器内部电容Cb'c的影响，两者并不同时出现。因此在实际应用中，一般以VL最大为谐振指示。

4.2.2寄生振荡的消除

寄生振荡是高频功率放大器调整过程中经常遇到的一种现象，根据振荡产生

的原因，常见寄生振荡有以下两种：

A.参量自激型寄生振荡

当放大器的输出电压足够大时，放大器的动态工作点可 能进入参量状态，这时晶体管的许多参数将随着工作状态而变化，将产生许多新的频率分量，其中某些频率分量会形成自激振荡。对输出波形影响较大的是1/2基波频率， 消除参量寄振荡的常用办法是在基极或发射极接入防振电阻（几欧至几十欧），或引入适当的高频电压负反馈，或 降低回路的有载QL值，或减小激励信号电平。

B. 反馈型寄生振荡

反馈型寄生振荡又分为低频寄生振荡与高频或超高频寄生振荡。低频寄生振荡的频率低于放大器的工作频率，高频寄生振荡的颇率高于放大器的工作频率。低频寄生振荡一般是由输入回路中的电容引起的。消除低频寄生振荡的办法是设法破坏它的正发馈支路，例如减少基极回路线圈的电感量或串入电阻RF，降低线圈的有效Q值。 高频寄生振荡一般是由电路的分布参数（分布电容、引线电感等）的影响所造成。消除高频寄生振荡的有效方法是尽量减少引线的长度、合理布局或基极回路接入仿振电阻 4.2.3.调试方法 （1）通电观察

把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。 （2）静态调试

交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为

交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。 （3）动态调试

调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。 4.2.4.调试中注意的事项

我们在调试时，为了保证效果，必须尽量减小测量误差，提高测量精度。

调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为此，需注意以下几点：

正确使用测量仪器的接地端。

1.测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为若测量仪器输

入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大误差。

2.测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

3.要正确选择测量点，用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误

差大小将不同。

4.调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观

察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

5.调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路

重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查。

第6章 设计体会

这次课程设计对我来说意义很大，作为一个学电子的学生讲，高频一名比较重要的科目，但是一个学期快过去了，我对那些基本专业知识还是一知半解，这次课程设计对我来说是一个很大的挑战！

这次课程设计我选的是高频功率放大器，为了把这次次课程设计做好，我一有时间便会在网上查找有关方面资料，研究书本上的电路，经过一段时间的努力，终于可以把这个电路看懂啦！

通过这次课程设计，我了解到了高频功率放大器在实际生活中是非常实用的，可用于作音响、喇叭等电子器件，尤其在娱乐场所应用广泛。

高频功率放大器的组成原理并不复杂，主要是由谐振功率放大器以及宽频功率放大器组成。通过了解其组成部件，我们不难了解其放大原理。

鸣 谢

这次课程设计给了我们一个独立设计的机会，通过把理论知识应用于实践，我们更好的掌握了这门课程，所以很感谢老师的指导与培育。

这次课程设计的完成，得到了身边朋友的帮助，因为他们的协助，我才能够完成这次设计，非常感谢！

最后再一次对指导我的老师以及帮助我的同学说声谢谢！

参考文献

【1】 谢嘉奎，电子线路 非线形部分（第四版），北京：高等教育出版社，1996.

【2】 郭维芹. 模拟电子线路实验. 同济大学出版社，1985.

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【6】 沈伟慈.高频电路.西安：西安电子科技大学出版社，2000.

【7】 宋树祥，周冬梅.北京：北京大学出版社,2007