摘 要 随着无线通信技术的快速发展，市场对射频电路的需求越来越大，对射频电路的性能要求也越来越高。高频功率放大器是位于无线发射级终端的重要组成部分。为了弥补无线传输过程中信号的衰减，发射机需要大功率输出。通信距离越远，输出功率越大。在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，需要使用高频功率放大器。 本课程设计的高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率和功率增益。由于高频功率放大器输出功率大，能耗大，工作效率更为重要。本课程设计的高频功率放大器电路由两极功率放大器组成。一级为A级功率放大器，二级为C级谐振功率放大器。需要分析功率放大器的原理，计算电路的参数和指标，在性能指标的基础上设计单元电路和整体电路，通过软件模拟调试电路，最后焊接测量。
关键字： 功率放大 、仿真、焊接
1.1.由两级高频功率放大器组成的框图
图1-1-1:两级高频功率放大器的组成框图 两级高频功率放大器的电路组成框图如上图所示，主要包括一级A级功率放大电路和二级C级功率放大电路。主要技术指标如下： 1、工作频率 两级功率放大器的工作频率为14.5MHz。 2、电源电压 可选择两级放大器的电源电压。一级为12V，二次电源电压可选5V至12V间任意整数。 3.电压放大倍数 一级A类功率放大器的电压放大倍数应设置为6-10倍，二级C类功率放大器的输出电压峰值应与二级晶体管的集电极连接Vcc相近。 4.丙类放大器导角θc 丙类放大器的导角θc一般设计为70°。此时，集电极电压利用系数和波形系数的值更合适，效率和输出功率更高。 5、效率 丙类放大电路的理想效率应大于70%，实际工作应大于50%。
1、原理分析 A类功率放大器是指当输入信号较小时，在整个信号周期中，晶体管在其放大区域工作，电流导角为180度，适用于小信号低频功率放大，静态工作点在负载线中点。无论信号电平如何变化，从电源中取出的电流始终保持不变，效率低下。当用作声频放大时，由于信号范围的不断变化，实际效率不能超过25%。可单管或推挽工作。 A类放大器的优点是无交叉失真和开关失真，谐波重量主要是偶谐波。电路简单，频率带宽，瞬时失真小。在任何设计的A类功率放大器电路中，负电流反馈与非线性失真和瞬时互调失真完全兼容，具有理想的放大效果。 由于功耗高、效率低、易加热、散热要求高，在大功率放大器中没有得到广泛应用。由于设备长期在大电流和高温下工作，容易造成可靠性和寿命问题，整机成本高。 A类功率放大器输出水平中的两个（或两组）晶体管始终处于导电状态，即无论是否有信号输入，它们都保持传导电流，使这两个电流等于交流电的峰值，然后在最大信号下流入负载。当没有信号时，两个晶体管流通等量电流，因此输出中心点没有不平衡电流或电压。A类功率放大器的工作模式是最好的线性，每个输出晶体管都放大了全波的信号，没有交叉失真，即使没有负反馈，其开环失真仍然很低。但这种设计有利有弊，A类功放大器最大的缺点是效率低，因为没有信号时仍有全电流流入，所有电能都转化为高热量。当信号电平增加时，一些功率可以进入负载，但许多功率仍然转化为热量。 2、电路设计 谐振频率F0=14.5MHz，根据 得出 在谐振回路中选择C=120pF，L=1uH。根据电路原理，电容C1起交通隔离作用，其值越小越好C三是旁路电容，电阻RB1、RB2、RE对静态工作点的设置有影响，可以RE用可变电阻代替，便于调节。 如下图所示，甲级功率放大器电路图。 图1-2-1:A类高频功率放大器电路设计原理图 图1-2-2:A类高频功率放大器模拟图 图1-2-3:A类高频功率放大器模拟结果图 从图中可以看出，输入为1v，一级晶体管发射极电阻4.5K输出电压8.8V，电压被放大4.4倍左右 。集电极输出根据三极管的放大特性： 知道电路中的电流被放大，因此电路可以放大功率。 1.3.分析丙类功率放大器的原理(需绘制设计电路图) 1、整体原理 C谐振功率放大器的输入端通常采用自给偏置电路提供偏置电压，可以在输入信号振幅变化时自动稳定输出。图4为C谐振功率放大器原理图，基极偏置电压为实现C工作VBB应设置在功率截止区。 输入电路：由于功率管处于截止状态，基极偏置电压VBB作为结外电场，无法克服结内电场，未达到晶体管门槛电压，导致输入电流脉冲严重失真，脉冲宽度小于90o。 输出回路:静态转移特性曲线(~VBE)集电极电流波形是一系列周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。 图1-3-1:丙类功率放大器电路原理图 本设计的丙类高频功率放大器主要由馈电电路、选频网络和匹配网络三部分组成，如图1-3-2谐振高频功率放大器原理图所示。它是无线发射机的重要组成部分。根据放大器电流导角的范围，可以类功率放大器的导角效率。丙类功率放大器通常用作末级功率放大器，以获得更大的输出功率和更高的效率。 图1-3-2；谐振高频功率放大器原理图 功率放大器根据激励信号放大电路对电流的控制，起到集电极电源直流的作用 功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下，转换的功率越高，输出的交流功率越大。功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出效率和高效率，通常。 2.馈电电路， 串馈电路是指直流电源、负载电路(匹配网络)和功率管的直流馈电电路。、低通滤波电路，A高频地电位不仅防止电源中的高频成分影响放大器的工作，而且防止高频信号流入直流电源。并馈电路是指并联连接直流电源、负载电路（匹配网络）和功率管的馈电电路 为高频扼流圈，为高频旁路电容，为高频输出耦合电容，避免高频信号流入直流电源。 基极馈电电路也分为串馈和串馈。自给偏置电路-串馈常用于基极偏置；负电源-U分压供应基极偏置电压-串馈；零偏压-串馈 图1-3-3；基极馈电路原理图 3、匹配网络： 匹配网络介于晶体管和负载之间，在C谐振功率放大器电路中起着非常重要的作用，具有阻抗转换、过滤高谐波和高频传输能量的作用。 4、仿真电路 图1-3-8:丙类功率放大器模拟图 5.模拟波形图和模拟分析(输入波形在示波器上，输出波形在下) 图1-3-9：丙类功率放大器仿真波形图 由上图可见，输出波形的标度是输入波形标度的4倍，根据图形可以看出输入与输出的振幅相差不多，由此可见，输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。
2.1、甲类功率放大电路的焊接和测试
图2-1-1:甲类焊接 图2-1-2:信号输入 图2-1-3:甲类放大输出 由上图可见输入130mV输出768mV，输出波形的标度是输入波形标度的5.56倍，根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多，由此可见，输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。 2.2、丙类功率放大电路的焊接和测试 图2-2-1:丙类焊接 丙类输入：
图2-2-2:丙类输入 丙类输出： 图2-2-3:丙类输出 由上图可见输入500mV输出1.3V，输出波形的标度是输入波形标度的3倍，根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多，输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。 2.3、整体功率放大电路的测试
图2-3-1:整体焊接 整体输入：
图2-3-2:两级输入 整体输出： 上图可见输出的波形发生较明显失真，当将丙类放大的电压变为12V时，有如下波形。 由上图可见输入电压为12V时输出波形失真变小，但还是存在失真问题，调整静态工作点后，有输出入下： 图2-3-5:两级输出3 由上图可见输入400mV输出1.25V，输出波形的标度是输入波形标度的3.125倍，根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多，输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。
3.1、仿真注意事项 功率放大器是高频电子线路课程设计的重要组成环节。设计要求应用multisim仿真软件对两级功率放大电路进行仿真、分析与验证，使学生加深对实际电路的理解。仿真时要注意以下事项： （1）仿真电路要最大程度的模拟实际电路； （2）仿真参数的设置一定要与实际电路相吻合； （3）仿真分析要给出分析条件以及具体结论。 3.2、各单元电路的仿真与分析 3.2.1甲类功率放大电路的仿真与分析 1、仿真电路 图3-2-1-1：甲类高频功率放大器仿真图 2、仿真参数设置 ①与基极连接的电阻为两个10Ω的电阻，与发射极连接的电阻大小为51Ω，与发射极连接的滑动变阻器大小为10kΩ。 ②与基极连接的电容为一个47nF的电容，与集电极相连为一个120pF的电容与发射极相连的电容为10nF。 ③与集电极连接的电感为一个1μH的电感 ④发射极的1μH的电感和120pF的电容组成选频网络。 ⑤VCC设置为12V。
3、仿真波形图与仿真分析 （1）甲类功率放大电路的输入与输出波形时域图 图3-2-1-2：甲类高频功率放大器仿真结果图 （2）仿真分析 由上图可见，输出波形的标度是输入波形标度的8倍，根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多，由此可见，输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。 改变基极输入正弦信号的频率 ,当取f=1/(2π/RC)≈14.5MHz(L1、C3回路谐振频率)时,集电极获得最大的电压增益,这时再改变滑动变阻器R2的大小可获得更大的电压增益。测试可得,R1、R4取10kΩ、R2取4.5KΩ时获得最大电压增益，可见输入幅值为VPP=2V左右的正弦波，甲类功率放大器输出值为VPP=8V左右的正弦波，放大倍数约为4倍。 3.2.2丙类功率放大器的仿真与分析 1、仿真电路 图3-2-2-1：丙类高频功率放大器仿真图
2、仿真参数设置 ①与基极连接的电阻为51Ω，与发射极连接的电阻为51Ω，与发射极连接的滑动变阻器为1kΩ。 ②与基极连接的电容为两个10nF的电容，与集电极相连为两个10nF的电容和一个60nF的电容。 ③与基极连接的电感为100μH，与集电极连接的电感为一个2μH的电感和一个470μH的电容。 ④发射极的2μH的电感和60pF的电容组成选频网络。 ⑤VCC设置为5V。
3、仿真波形图与仿真分析 （1）丙类功率放大电路的输入与输出波形时域图 图3-2-2-2：丙类高频功率放大器仿真结果图 （2）仿真分析 输入VPP=2V输出VPP=9.907V放大4.55倍 由上图可见，输出波形的标度是输入波形标度的4倍，根据图形可以看出输入与输出的波形相差不多，由此可见，输出相较于输入明显扩大了一定倍数且没有失真。 改变基极输入正弦信号的频率 ,当取f=1/(2π/RC)≈14.5MHz(L2、C3回路谐振频率)时,再改变滑动变阻器R1的大小可获得更大的电压增益。测试可得,当射极取R1=0kΩ、R3取51Ω时获得最大电压增益，可见输入幅值为VPP=2V左右的正弦波，丙类功率放大器输出值为VPP=9.907V，放大4.55倍左右的正弦波 3.2.3、两级高频功率放大器的级联仿真 1、级联仿真电路 图3-2-3-1：两级高频功率放大器仿真结果图 2、仿真波形图与仿真分析 图3-2-3-2：级联高频功率放大器仿真图 上图中，左为甲类输出（下）、输入波形图，中间为丙类输出（下）、输入波形图、右为两级类输出（下）、输入波形图 。均有放大且不失真，波形
3、功率及效率计算 （1）输出功率 高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。由于负载RL与丙类功率放大器的谐振回路之间实现了阻抗匹配，则集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频放大器的输出功率，即： 第四部分 课程设计体会及建议 4.1、体会 1、设计 在高频课上，老师只是讲解了高频功率放大器的相关性质、相关参数的计算，以及相关公式的应用，但并没有讲具体怎么设计一个高频功率放大器。所以此次的课程设计仍有些挑战，例如元器件的选型，根据谐振频率计算电容电感值。好在经过翻阅上个学期的模拟电子技术的课本后以及重新巩固这个学期高频频电子线路所学的知识后，我大致有了初步的构想。 2、仿真 在仿真调节过程中、对电路通过MULTISIM软件进行分析，比如静态工作点分析，交流分析等等都会对电路产生影响。仿真设计的基本步骤为：首先根据原理和设计需要创建仿真电路原理图，然后根据实际情况设计好电路图参数，最后设定仿真分析方法，打开仿真开关，借助仿真仪器对所设计的电路进行仿真，即可得到仿真结果。 软件仿真平台的使用在整个设计过程中很重要，通过软件仿真可以更好的预测电路的工作状态，验证思路。在理论教学课堂上，教师很难透彻地讲解其中要点，学生也只能凭借想象来理解。实践操作上，由于时间和成本，我们很难有动手的机会。因此仿真平台的使用尤其重要。 3、焊接 通过这次两级功率放大器设计的过程，觉得理论和实践却是存在很大差别。在查资料的过程中，不仅对理论知识有了很大提高，还学到很多课堂所没学到的东西。在以后的学习中我会经常巩固高频电子线路及模电所学过的知识并加以应用，让这次课程设计为我提供更大的帮助。 4.2、建议 在这次课程设计中，我发现有很多相关的专业知识不太理解，希望以后的课程设计能让同学们多交流，和他人探讨自己的想法。并且希望以后的课设也越来越能和现实接轨，让课程设计与我们的日常生活相互结合。
参考文献
董诗白；《模拟电子技术基础》；高等教育出版社；2015. 杨华 孙艳 尹光明 等；《电路与电子技术实验教程》；东北大学出版社2014． 邱关源 罗先觉；《电路》（第五版）；高等教育出版社；2006. 王卫东；《高频电子线路》（第三版）；电子工业出版社；2004. 谢家奎；《电子线路–非线性部分》（第四版）；高等教育出版社；2010. 王浩东；《Multisim基础与应用》（第六版）；中国水利水电出版社；2014. 高吉祥；《电子技术基础实验与课程设计》；电子工业出版社；2002. 谢自美；《电子线路设计》；华中科技大学出版社；2000.
指导记录 12月26、 讲授电路基本原理、课程设计基本要求。26号是第一节高频课设开始的时间，这次的任务主是设计两个高频功率放大器。在高频课上，老师只是讲解了高频功率放大器的相关性质、相关参数的计算，以及相关公式的应用，但并没有讲具体怎么设计一个高频功率放大器。所以此次的课程设计仍有些挑战，例如元器件的选型，根据谐振频率计算电容电感值。经过翻阅上个学期的模拟电子技术的课本后以及重新巩固这个学期高频频电子线路所学的知识后，有了初步的构想。 12月27、 讲解实验室安全注意事项实验过程中的注意事项。在老师给定的频率及相关参数、以及所发元器件的要求下，开始进行放大电路的设计，在仿真调节到甲类放大倍数为5倍左右时，准备焊接甲类放大电路。感觉设计一个功率放大器并不简单，但是在设计成功后也能感受到成功带来的喜悦。今天还按照仿真成功的电路图进行电路板的焊接，完成了一级甲类功率放大器的电路板焊接；这是我对专业知识认知的进一步体现。 12月28、 指导仿真软件使用方法解决电路仿真问题。软件仿真平台的使用在整个设计过程中很重要，通过软件仿真可以更好的预测电路的工作状态，验证思路。在理论教学课堂上，教师很难透彻地讲解其中要点，学生也只能凭借想象来理解。实践操作上，由于时间和成本，我们很难有动手的机会。因此仿真平台的使用尤其重要。 12月29、 验收第一极放大电路实物，指导丙类仿真问题解决。今天对丙类放大电路进行设计，通过这次两级功率放大器设计的过程，觉得理论和实践却是存在很大差别。在查资料的过程中，不仅对理论知识有了很大提高，还学到很多课堂所没学到的东西。 12月30、 测试焊接第一级电路实物的输出波形，解决电路焊接问题。第一级甲类放大电路在验收时因为没有与输入信号源共地造成误差，输出放大倍数过低，在老师的指导下将高频试验箱的地接在板子上输出正常了。此过程中学会直流电源的使用，此外在示波器调节输出波形时，老师也给了指导，尽量不按示波器的自动挡。 12月30、 指导两级级联仿真，完成参数计算，指导焊接丙类功率放大电路。两级级联电路时，输出波形可能会失真，需要调节滑动变阻器进行调节。保证最终输出波形不失真且要放大。 01月04、 指导仿真电路波形测量，参数计算。学会仿真参数计算，计算功率放大倍数和交直流功率计算。 01月05、 检查设计书初稿提高修改意见。提出设计书设计要求，要求有实物图片、波形对比。要求设计书格式、字体。整体格式一致，图片要有标号，电路图不能用仿真图代替，公式存在模糊不清的问题，要重新编写公式。