高频功率放大器设计及应用论文

关键词：高频功率放大器应用、功率放大器原理、高频功率放大器仿真设计

高频功率放大器是无线电发射机末端的重要部件 ,是评价通信系统性能的重要参数。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。利用 Multisi m软件工具进行高频功率放大电路的设计 ,通过仿真结果对电路的特性进行分析 , 并逐步完善电路。

Design and application of high-frequency power amplifier

                  CHEN DAO-NENG

(Department of Physics, Qiongzhou University, Sanya, Hainan 572022,China)

Abstract: High-frequency power amplifier is an important part of the transmitter, which is an essential part of communication system. Introduced the high-frequency power amplifier applications and basic principle and the use of electronic design tools Multisi m2001 power amplifier circuit of C from the program selection, cell design, component selection and other aspects of the specific parameters of design analysis, simulation testing the circuit at the same time , the simulation results of circuit characteristics, the circuit has been further improved.

Key words: High-frequency power amplifier applications， Principle Power Amplifie，Simulation and Design of High Frequency Power Amplifie

1．高频功率放大器应用

功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。 以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。而用于家庭的hi－fi音乐欣赏，av系统放音，以及卡拉ok娱乐的功放，通常我们称为家用功放。随着行动电话、WLAN(Wireless Local Area Network)、蓝芽(Bluetooth)的普及化，高频电子设备已经成为生活中的必需品，而电子设备使用的频率也从过去的1GHz逐渐朝5GHz甚至更高频方向发展。由于FET等主动电子组件与电容、电感等被动电子组件性能的提升，使得高频电路的特性获得大幅的改善。以往GHz的电路大多是由micro strip line等分布定数电路所构成，最近因为电子组件芯片化，因此高频电路以集中定数电路居多，不过即使高频电路已经进入集中定数电路时代，然而设计者却还未意识到配线长度、组件形状等分布定数性对高频电路的影响。此外电子组件芯片化之后若单靠是集中定数设计电路，势必会遭遇到设计上的极限，因此必需借助计算机仿真技术，针对pattern与组件的形状、配置(layout)等物理性尺寸进行精密的分析、设计，有鉴于此本文将探讨有关高频电路设计。

2．功率放大器原理

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。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。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，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，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 180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。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。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。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100％，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。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宽。例如，自20至 20000 Hz，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（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，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）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。

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，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。

.  3．高频功率放大器仿真设计

.3.1　 对功率放大器的要求

功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出 ,以提高发射信号能量 ,便于接收机接收的电路 ,因而要求输出功率大 ,效率高 ,同时 ,输出中的谐波分量应该尽量小 ,以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同 ,功率放大器分为甲类、 乙类、 丙类等 ,电路由馈电电路、 输入匹配、 输出匹配及级间耦合 4部分组成。对电路设计要求如下:工作频率为 14 . 5 MHz,要求带宽为 1 . 5MHz,输出功率为不小于 20W。

3.2　 电路结构设计

　 设计分析为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定 ,电路由甲类、 丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号 ,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图 1所示。根据设计要求和晶体管实际参数,采用 Phili p s公司的 NPN型高压晶体管 2N5551作为放大管 ,三极管Q1、 电感 L1、 电容 C2组成甲类功率放大器 ,工作在线性放大状态。三极管 Q2和由电感 L3、 电容 C7、 C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。R1、 R2、 R3、 R4组成第 1级静态偏置电阻 ,调节R2、 R3可改变放大器的增益。L1、 C2组成一级调谐回路 ,L2、 R5、 C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电 , R7为射级反馈电阻 ,调整 R7可改变丙类功率放大器的增益。C6、 C7、 L3组成末级调谐回路 , C6用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、 C9和 L4组成滤波回路 ,起到改善波形的作用。R9和 C10、 R11和 C11以及 R8和 C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。当基极输入的正弦信号频率取值在 L1、 C2谐振频率附近时 ,集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容 ,有效地控制了可能由于射级电阻R3、 R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管 Q2的be间负偏压时 , Q2才导通工作。 当L3、 C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时 ,丙类功率放大器工作于谐振状态 ,集电极将获得最大的电压增益 ,达到功率放大的目的。

3 . 3　 元件参数选取

a) 功率放大器管:选用 Phili p s公司的 NPN型高压晶体管 (2N5551)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 = 12π LC及工作中心频率为 14 . 5 MHz,取参数为 L1 = 1 . 0μH,C2 = 120 pF,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 = 1 . 0μH, C7 = 120 pF。C6(最大值取 30 pF)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) 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 = 10 k Ω, R2最大值为 50 k Ω,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 = 51Ω, R3最大值为 1 k Ω,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 = 10 nF

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 R5两端为直流电压。 取L2 = 1 0 0μH ,R5 = 51Ω, C4 = 10 nF。Q2射极电阻由 R6、 R7组成 ,取 R6 = 51 Ω, R7 最大值为 1 k Ω,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、 C9一般取等值 ,这里取 C8 = C9 = 10 nF,L4 = 470μH。

f) 外接负载分别取 51Ω, 150Ω, 680Ω。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、 C3以及 C10、 C11、 C12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 = 51 pF, C3 = 10 nF, C10 =C11。=C12 =10nF。

3.4　 仿真测试及结果分析

a)　 甲类功率放大器的调谐测试

改变基极输入正弦信号的频率 ,当取 f = 1 / ( 2 π/RC)≈14 . 5MHz (L1、 C2回路谐振频率 )时 ,集电极获得最大的电压增益 ,这时再改变静态偏置电阻 R3、R4的大小可获得更大的电压增益[ 2 ]。测试可得 , R2取 2 . 5 k Ω、 R3 取 50Ω时获得最大电压增益约为 30倍。

b)　 丙类功率放大器工作状态的测试分析

调整丙类功率放大器电源电压为 12 V,不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断开 ,从基极处输入2V ( P2 P)、 14 . 5 MHz的高频信号 ,用万用表测量三极管 Q2 be间的电压 ,测得该电压为负偏压 ,改变输入电压振幅 ,该偏压随之改变。此时 ,接在集电极处的示波器上可看到放大输出信号 ,如图 2所示。下面的波形(信道 B)为基极输入信号 ,上面的波形 (信道 A)为集电极输出信号 ,电压增益约为 12倍。若使基极激励信号 ,Ub = 0。则测得负偏压也为 0,由此可看出丙类功率放大器工作状态的特点。

c)　 测试调谐特性

调整参数使电路正常工作 ,保持功率放大器管的输入信号为 2 V ( P2 P)左右 ,不接负载电阻 ,改变输入信号从 8MHz～20MHz，,输出电压值如表 1所示。

基极输入正弦信号频率取 f = 1 / ( 2π RC )≈14 . 5MHz(C6、 C7、 L3回路谐振频率 )时集电极获得最大的电压增益 ,约为 12 . 5倍 ,这就说明了丙类功率放大器的调谐特性。

4.小结

利用电子设计工具软件 Multisi m2001设计了高频功率放大器 ,并对所设计的功率放大器性能进行了仿真实验 ,仿真结果表明所设计的放大器满足设计要求 ,性能良好。

参 　 考 　 文 　 献

[ 1 ]张肃文 , 陆兆熊. 高频电子线路 [M ]. 北京:高等教育出版社 , 1992 .

[ 2 ] 陈松 , 金鸿. 电子设计自动化技术 Multisi m2001 & Protel99 se[M ]. 南京:东南大学出版社 , 2001 .

[ 3 ]路勇. 电子电路实验及仿真 [M ]. 2版. 北京:清华大学出版社 , 2004 . 庄海军 (19742 ) ,男 ,讲师 ,工程师 ,主要研究方向为电子技术及其应用。

[4 ]曾兴雯,《高频电路原理与分析》（第三版）编 西安电子科技大学出版社 2001