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1、前言在通信电路中，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。高频功率放大器的主要功能是放大高
2、频信号，并且以高效输出大功率为目的。它主要应用于各种无线电发射机中。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经过多级功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。高频功放的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦以下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。 高频信号的功率放大的实质是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功放产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。应当指出，尽管高频功放和低频功放的共同特点都要求输出功率
3、大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。低频功放的工作频率低，但相对频带很宽。工作频率一般在20-20000Hz，高频端与低频端之差达1000倍。所以，低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻，变压器等非调谐负载。而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫到几百兆赫，甚至几万兆赫，但相对频带一般很窄。例如调幅广播电台的频带宽度为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1%。中心频率越高，则相对频宽越小。因此高频功放一般都采用选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。由于这一特点，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
4、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（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一样，其负载采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中。为了进一步提高高频功放的效率，近年来又出现了D类，E类和S类等开关型高频功率放大器。1高频LC谐振功率放大器原理图1 谐振功率放大器的基本电路1.1原理电路图1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。除电源和偏置电路外，它是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的
5、特征频率。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流，控制了较大的集电极电流，流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在C类状态下工作，为了保证在C类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。线路特点：(1)谐振回路LC是晶体管的负载(2)电路工作在丙类工作状态；基极负偏压（或零偏压）关系式：(1)外部电路关系式：
6、 (2)晶体管的内部特性 (3)（半）导通角 根据晶体管的转移特性曲线可得： 故得1.2功放的特性曲线图2 谐振功率放大器的转移特性曲线 必须强调指出：集电极电流虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率 ，使之一部分转变为交流信号功率输出去，另一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。根据能量守衡定理： 直流功率：输出交流功率： -回路两端的基频电压 -基频电流 -回路的负载阻抗 图解分析法的步骤： 1.测出晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线，并将这两组曲线折线化处理
7、； 2.作出不同工作状态下的动态特性曲线； 3.根据激励电压b的大小在特性曲线上画出对应输出电压Uc和电流脉冲ic的波形； 4.分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、效率等指标的。晶体管的特性曲线及其特性方程由图可见，在放大区，有转移特性方程：所以，集电极电流随激励而正向变化。 由图可见，在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。因此有临界线方程： 在截止区，有方程：图3 晶体管的输入和输出特性曲线 谐振功率放大器的动态特性曲线（负载线）高频放大器的工作状态是由负载阻抗、激励电压、供电电压等4个参量决定的。如果, 3
8、个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的 的关系曲线就叫做动态特性。图4 谐振功率放大器的动态特性曲线2高频LC谐振功率放大器电路设计2.1高频功放技术指标本次课设使用的晶体管类型为2N2222A，其主要参数为：电流增益带宽积(ft) 最小250MHZ ，放大倍数 100-300，集电极电流。高频功率放大器的主要技术指标：交流电压放大倍数： 输出交流电压峰-峰值：中心频率：15MHz 通频带宽：2.2电路原理图 根据高频功放技术指标确
9、定后的原理电路如图5所示：图5原理电路3高频LC谐振功率放大器电路的仿真与分析3.1EWB软件简介随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。电子工作平台Electron
10、ics Workbench (EWB)(现称为MultiSim) 软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5）EWB还是一个优秀的电
11、子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。（6）用EWB进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会像实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。（7）不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件, 还提供了各种丰富的调试测量工具：各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。（8）EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我
12、们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。 这次课程设计，我们将了解EWB软件的初步知识和基本操作方法。3.2软件界面介绍3.2.1EWB主窗口图6 主窗口3.2.2元件库图7 元件库图8 基本器件库3.2.3基本器件库图9 信号源库3.2.4信号源库图10 指示器件库3.2.5指示器件库图11 仪器库3.2.6仪器库3.2.7二极管库图12 二极管库3.2.8 电压表和电流表从指示器件库中，选定电压表或电流表，用鼠标拖拽到电路工作区中，通过旋转操作可以改变其引出线的方向。双击电压表或电流表可以在弹出对话框中设置工作参数。电压表和电流表可以多次选用。3.2.9 数字多用表数字多用表的量程
13、可以自动调整,其图标和面板如图13所示：图13数字多用表图标和面板其电压、电流档的内阻，电阻档的电流和分贝档的标准电压值都可以任意设置。从打开的面板上选Setting 按钮可以设置其参数.3.2.10示波器示波器为双踪模拟式，其图标和面板如图14所示：图14 示波器图标和面板其中：Expand - 面板扩展按钮；Time base - 时基控制；Trigger - 触发控制；包括：Edge - 上（下）跳沿触发Level - 触发电平触发信号选择按钮：Auto（自动触发按钮）；A、B（A、B通道触发按钮）；Ext（外触发按钮）X（Y）position - X（Y）轴偏置；Y/T、B/A、A/B
14、 - 显示方式选择按钮（幅度/时间、B通道/A通道、A通道/B通道）；AC、0、DC - Y轴输入方式按钮（AC、0、DC）。 3.2.11信号发生器信号发生器可以产生正弦、三角波和方波信号，可调节方波和三角波的占空比。其图标和面板如图15所示：图15信号发生器图标和面板3.2.12波特图仪 波特图仪类似于实验室的扫频仪，可以用来测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性。波特图仪的图标和面板如图16所示：图16波特图仪图标和面板波特图仪类似于实验室的扫频仪，可以用来测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性。波特图仪的图标和面板如下图所示。波特图仪有IN和OUT两对端口，分别接电路的输入端和
15、输出端。每对端口从左到右分别为+V端和-V端，其中IN端口的+V端和-V端分别接电路输入端的正端和负端，OUT端口的+V端和-V端分别接电路输出端的正端和负端。此外在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号源，但对其信号频率的设定并无特殊要求，频率测量的范围由波特图仪的参数设置决定。 其中：Magnitude（Phase）- 幅频（相频）特性选择按钮；Vertical（Horizontal）Log/Lin - 垂直（水平）坐标类型选择按钮（对数/线性）；F（I）- 坐标终点（起点）。3.3EWB软件对高频LC功放的仿真3.3.1电路仿真图17 电路仿真图3.3.2输入输出仿真图1
16、8 输入仿真图图19 LC谐振功放的输出波形图分析由此图可以观察出：，高频谐振功率放大器的放大倍数大于25满足设计要求；输出交流电压峰-峰值：满足输出交流电压峰-峰值：该指标。 图20 输出信号幅频特性由图可得中心频率为图中，虽然有点误差但基本符合设计指标的要求。通频带宽为115MHZ，满足设计指标。3.4高频功率放大器的负载特性 负载特性是只在其他条件不变（为一定），只变化放大器的负载电阻RL而引起的放大器的电流、输出电压、功率、效率的变化特性。只改变负载阻值的大小，其输出波形仿真图如下图所示：图21 负载为时的输出波形图22 负载为时的输出波形图23 负载为时的输出波形图24 负载为时的输
17、出波形图25 负载为时的输出波形图26 负载为时的输出波形当负载电阻小于最佳输入阻抗(约为)时，放大器工作在欠压状态，增大电阻，输出电压增大，输出电流也增大，故输出功率增大。当负载电阻等于最佳输入阻抗时，放大器正好工作在临界状态，此时，输出电压和电流基本达到最大，故输出功率最大，效率也比较高。当负载电阻大于最佳输入阻抗时，放大器工作在过压状态，继续增大电阻，输出电压基本不变，而输出电流变小，所以输出功率减小。综上，当负载电阻是最佳输入阻抗时，输出功率最大，当负载电阻大于或小于最佳输入阻抗时，输出功率都将减小。其中高频功率放大器的负载特性曲线如图27所示：图27 负载特性曲线3.5高频功率放大器
18、的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅时, 放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。改变输入信号的幅度后输出信号的波形图如下图所示：图28 幅度为0.1V时的输出波形图29 幅度为0.2V时的输出波形图30 幅度为0.3V时的输出波形图31 幅度为0.4V时的输出波形改变激励信号振幅时, 放大器的工作状态是由欠压经临界到过压状态，放大器工作在临界状态时输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。高频功率放大器的振幅特性曲线如图32所示：图32 高频功率放大器的振幅特性3.6高频功率放大器的集电极调制特性 高频功放的集电极调制特性是指只改变集电极电压时, 放大器电流、电压、功率及
19、效率的变化特性。改变集电极电压后输出信号的波形图如下图所示：图33 时输出波形图34 时输出波形图35 时输出波形集电极电压由小变大过程中高频功放工作状态由过压经临界到欠压状态，在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随的减小而下降，故输出功率也随之下降。高频功放的集电极调制特性曲线由图36所示： 图36 高频功率放大器的集电极调制特性总结这次课程设计主要是对高频电路中放大器这部分知识的应用。通过设计高频放大器，进一步将理论转化成实践，并在实践中检验理论。本次课程设计，是设计一个高频LC谐振功率放大器。通过分析中心频率从而确定选频网络，进
20、而确定电路中的个参数，设计出高频LC谐振放大器的电路图。在设计完电路之后，再用EWB去仿真设计完的电路，改变电路中的参数去观察高频功放的负载特性、振幅调制特性、集电极电压调制特性 。在设计本电路时，在一些地方的设计是非常优秀的，本电路有很多优点：(1)采用发射极下所接电阻Re作为馈电网络，从而提高了谐振放大器的稳定性。(2)改变电路中选频网络中的R，可以改变通频带宽和放大倍数。同时，此电路也从在着一些缺点：(1)没用电容电感抽头作为谐振回路的元件，不利于回路的阻抗匹配。(2)采用发射极下所接电阻Re作为馈电网络，不适合频率过高的谐振放大器。不知不觉中，一周的课程设计实习已经接近尾声了。通过这次
21、课设我学到了很多东西。以前学的知识仅仅局限于课本。自己做完成次课设的过程中将课本中的知识真正的转化成自己的。在课设期间，我每天都在接触新的东西，每天都会有新的问题等待我去探讨去解决，每天都有新收获。在课设过程中，遇到了自己解决不了的困难大家就围起来一起研究，一起探讨，一起学习，有时候甚至会引发一连串的争论，这时候最有意思了，因为只有在别人提出了不同观点而感觉自己的观点没有说服力的时候，你才会去质疑自己所学的知识，才会想办法证明自己是对的，这个过程中你才能改正旧的知识，学到新的知识。最后，必须得感谢我们的指导老师张银蒲和申彦春老师，老师的认真指导使我们少走许多弯路，让我们学习了许多课本上学不到的东西，为我们这次课程设计提供了很大的帮助。参考文献1 曾兴文，刘乃安，陈健.高频电子线路M.北京：高等教育出版社，20072 清华大学通信教研组.高频电路M.北京：人民邮电出版社，19793 张肃文等.高频电子线路M(第四版).北京：高等教育出版社，20044 路而红等.虚拟电子实验室M.北京：人民邮电出版社，20065 华成英，童诗白.模拟电子技术M(第四版).北京：高等教育出版社，20066 武秀玲，沈伟慈.高频电子线路M.西安：西安电子科技大学出版社，1995