功率放大器的毕业设计本科.doc

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1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要 在当今社会中，无论是广播通信还是其它无线通信，发射机在发射信号时都要有一定的功率。当传送信号的距离越远，所需发送功率就要越大。高频功率放大器能满足这些要求，使其成功的发送大功率。发射机是由高频功率放大器重要组成的,高频功率放大器也是通信系统必不可少的环节。本论文介绍了高频功率放大器的基本原理和特性,并利用电子设计工具软件Multisim10.0对功率放大器电路从方案选择、单元电路设计、元器件参数选取等方面进行具体设计分析,同时对电路进行仿真测试,通过仿真结果分析电路特性,使电路得到进一步完善。仿真结果表明,该电路设计方案正确,能达到预期设计要求,性能良好

2、。关键字：高频功率放大器、仿真、软件Multisim10.0AbstractIn todays society, Both broadcast communication or other wireless communication, The transmitter transmits the signal must have a certain power. When the transmitted signal distance farther, the required transmission power will be more. High frequency power ampl

3、ifier can meet these requirements, the successful sending power. The transmitter is composed of a high frequency power amplifier is important, high frequency power amplifier is the essential communication system. This paper introduces the basic principle and characteristics of high frequency power a

4、mplifier, and the specific design analysis of the power amplifier circuit from the scheme selection, design, unit circuit components parameters selection using electronic design software Multisim10.0, and the circuit simulation test, the circuit characteristics through analyzing the simulation resul

5、ts, the circuit has been further improved. The simulation results show that, the circuit design scheme is correct, can meet the expected design requirements, with good performance.Keywords: Multisim10.0 high frequency power amplifier, simulation, software目 录引 言1第一章 高频功率放大器21.1 高频功率放大器知识简介21.2.高频放大器的

6、分类3第二章 电路工作原理及电路选择52.1 电路工作原理52.2电路的选择52.3元件参数选取6第三章 电路仿真83.1 所用软件Multisim简介83.2 Multisim的特点83.3仿真测试电路9结论15谢 辞16引 言在通信电路中，高频功率放大器作为发送设备的重要组成部分，能够弥补信号在无线传输过程中的衰耗。由于通信距离越远对输出功率的要求越大，为了获得足够大的高频输出功率，就要采用高频功率放大器。针对高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。近年来,针对功率放大器设计的各种研究不断涌现,对功率放大器的性能进行优化的算法不断出现。Multisim是美

7、国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，我们可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，我们能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而

8、能够比较具有模拟数据的实现建模测量。高频功率放大器有关理论知识作介绍，在性能指标分析基础上进行单元电路设计最后设计出整体电路图，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，增强对功率放大器的整体认识。第一章 高频功率放大器高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。1.1高频功率放大器知识简介在通信电路中，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

9、用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。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，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很

10、宽。例如，自20至20000Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（5351605kHz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用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（某些特殊情况可工作于乙类）。

11、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，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。1.2.高频放大器的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窄带高频功率放大器的特点是以具有选频电路作为输出回路，根据这个特点又将其称为调谐功率放大器或谐

12、振功率放大器。2.宽带型高频功率放大器 宽带高频功率放大器与窄带高频功率放大器不同的是其输出电路是传输线变压器或其他宽带匹配电路，故而又称为非调谐功率放大器。无论是窄带型高频功率放大器还是宽带型高频功率放大器，它们都是一种将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出得能量转换器件。它们都具有这样的特点：采用谐振网络作负载；一般工作在丙类或乙类状态；工作频率和相对通频带相差很大；技术指标要求输出功率大、效率高。13高频功率放大器的主要技术指标 高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一

13、些指标，兼顾其他一些指标。 在高频功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载上只有基波电压；将外接负载RL变换成谐振功放所要求的负载电阻R，以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。根据高频功率放大器的工作是否进入饱和区，

14、可将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种。若晶体管在任何时刻都工作在放大状态，称为放大器工作在欠压状态（欠压区）；若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，称放大器工作在过压状态。若刚刚进入饱和区的边缘，称放大器工作在临界状态。第二章 电路工作原理及电路选择2.1 电路工作原理利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，一般作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用

15、在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。在高频电路中，利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角c（0）的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角c越小放大器的效率越高。如丙类功放的c小于90，丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。2.2电路的选择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

16、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，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲类（导通角=360度）、乙类（导通角=180度）、甲乙类（导通角=180度360度）。甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于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三种工作状态中最高者。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，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。

17、由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。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，因而只能用于采用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能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，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；第二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，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。

18、2.3元件参数选取a)功率放大器管:选用Philips公司的NPN型高压晶体管(2N2219)作为放大管。b)直流电源:根据设计要求放大器的电源电压初始值均取+12V。c)甲类功率放大器的调谐回路由L1和C2组成,根据谐振频率公式:f=1/2LC及工作中心频率为14.5MHz,取参数为L1=500nH,C2=1uF,丙类功率放大器的调谐回路由L3、C6、C7组成,为使甲类功率放大器集电极的输出信号能在丙类功率放大器产生谐振,两功率放大器调谐回路的谐振频率应一致,因此,取L3=500nH,C7=51pF。C6(最大值350pF)用来微调调谐回路的谐振频率,保证丙类功率放大器的输入信号产生谐振。d

19、)甲类放大器参数选取甲类功率放大器的静态偏置由R1、R4、R2和R3组成。R1、R2一般在同一数量级,取R1=2k,R2最大值为15k,通过调节R2改变三极管基极Q点电压,即改变放大器增益,R2取值越大时Q点电压越大。取R4=10,R3最大值为6.8k,通过调节R3改变输出信号增益,R3不宜过大,否则会影响增益。此外,C5为射极旁路电容,有效地控制了由于射极电阻R3、R4而引起电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路电容取值一般较小,这里取C5=470pF。e)丙类功率放大器参数选取丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压由L2、R5、C4组成的电路产生,L2起到传送直流、隔离交流的作用,使得R

20、5两端为直流电压。取L2=1uH,R5=1k,C4=51pF。Q2射极电阻由R7、R8组成,取R7=22k,R7最大值为22k,通过调节R7改变丙类功率放大器增益,R7取值不宜过大,否则会降低增益。L4、C8、C9组成滤波回路,减小集电极输出信号的失真。C8、C10一般取等值,这里取C8=C9=1.5nF,L4=1H。f)外接负载分别取51,150,680。3个电阻的取值差异较大是为了后面仿真测试丙类功率放大器的特性做准备。g)C1、C2以及C9、C10、C11均为隔直电容,其作用是传送交流,隔离直流。在高频电路中隔直电容取值一般较小,这里取C1=100nF,C3=1uF,C9=C11=100

21、nF,C10=1.5nF。综上所得电路设计总图为2-1所示：图2-1 电路设计总图第三章 电路仿真3.1所用软件Multisim简介随着计算机技术飞速发展，许多电路设计都可以通过计算机辅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，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。Multisim软件是一个专门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

22、集成化设计环境。3.2 Multisim的特点（1）直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，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，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同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

23、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、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，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，所有仪器均可多台同时调用。（4）完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、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、最坏情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，基本上能满足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）强大的仿真能力：Multisim既

24、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、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。本次毕业论文设计电路就是利用Multisim软件进行绘图并仿真的。33仿真测试电路 仿真测试电路如图3-1所示，其中示波器1通道测输入信号源波形，2通道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。 3-1仿真测试电路在电路中使可变电容C3调到50%，C6调到50%时，所得电路仿真结果失真，其波形如图所示经过多次试验变换数值进行仿真测试得到最佳设计仿真测试电路图，如图3-2所示：

25、3-2 最佳仿真测试电路当可变电容C3调到70%，C6调到45%时，输出波形较为稳定，放大效果较好。此时可发现LED发光，表示功率放大器正常工作，即电压合适。结果分析：由于高频放大器由两级甲类放大器和一级丙类放大器混合组成。实验需要将仿真测试电路主机调试，直到出现稳定，理想的正弦波为止。在仿真测试的调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经百度可能有以下两方面原因：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，当改变其中某一个数值时，会影响仿真结果，如下：关于同时改变选频、滤波回路L、C等参数值是

26、否会对仿真结果有影响，这个问题需要进一步进行测试验证。由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。经过第一第二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，由此更加确信理论知识的正确性和设计方法的可行性。结论毕业论文的要求相较于课程设计是更培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次的高频功率放大器的毕业论文设计，加深了对电子电路理论知识的理解，学会使用Multisim软件进行仿真与调试，提高了自己的实验动手能力，对今后的学习和工作都有很大的帮助。回顾起此次高频功率

27、放大器毕业论文设计，我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两个月的日子里，我们遇到过很多麻烦。如：调试电路时发现波形不稳，放大倍数不够高等问题。但我们都通过讨论解决了。我们从中学到了很多东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有的知识。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，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中，也发现了自己许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次设计的实验参数计算比较复杂，不仅要参考一定资料，还要自己对各参数的意义有一定的理解。若计算参数不对，将会直接影响到实验的结果。谢 辞在毕业设计完成之际，我忠心地感谢在设计之中给予我帮助的张晓燕老师，在这三个月中，张老师给予我最大的鼓励和很多的耐心的指导，张老师勤奋严谨的治学作风、渊博的专业知识和孜孜不倦的教学精神对我产生了很大的影响，并使我终生受益。在毕业设计的完成过程中，系里的各位老师对我帮助很大。在此深表谢意！其他的同学也给予我许多关心和帮助，真诚地感谢他们。18