第一篇：數字幅頻均衡功率放大器設計報告

2009全國大學生電子設計競賽 題目F：

《數字幅頻均衡功率放大器》

參賽學生： 指導教師： 學 校： 院 系： 2009年9月5日

摘要：

本系統采用DSP作為主控制器，通過前置放大、濾波，經AD轉換，對信號進行采樣，把連續信號離散化，然后通過離散傅氏變換（DFT）運算，在時域和頻域對音頻信號各個頻率分量以及功率等指標進行分析和處理，最后通過低頻功放將信號放大，并通過計算機輔助設計軟件MATLAB將處理后的參數送入DSP,同時將信息在液晶屏上顯示出來。

關鍵詞：DSP、FFT、數字均衡、低頻功放、MATLAB 引言

隨著數字信號處理(DSP)技術的發展，DSP技術已廣泛應用于各個領域。借助于現代數字電子及數字信號處理技術，古老的音響技術也煥發出新的活力。本次大賽中我們選擇了F題，圍繞這一課題我們進行方案選擇與論證、系統的軟硬件設計與調試，基本實現了課目的各項指標也要求。并在此基礎上，撰寫了本報告的。

整個系統分為前置放大、信號濾波、數字均衡及功率放大幾個部分，以下分別介紹。前置放大器的設計

2.1 前置放大的硬件設計和帶阻網絡

2.1.1 前置放大的硬件設計

可控增益寬帶放大器由芯片AD603構成。AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍線性連續可調的可控增益放大器，AD603的帶寬為90MHz時，其增益高達30dB.本課題中，我們選擇兩片AD603，構成如圖.1所示的自動增益控制放大器。C1310VAD603輸入電阻100歐C1710VR10R15R1310VC19J4U5U6128C113578R0103Q157R910VR74C141210VR114R011C18AGC時間常數電容CavQ21266J29C20R8C013+C12C15C16+12R12R16R14J35J512R17R18R1910V可編程放大器電路P14312

圖.1可編程放大電路

2.1.2 帶阻網絡設計

本題中要求，所制作的帶阻網絡對前置放大電路所輸出的信號v1進行濾波，根據題目要求，本次制作的帶阻網絡電路圖如圖.2所示。

圖.2帶阻網絡

根據題目中所給的阻帶網絡結構，我們采用Multisim進行了輔助分析與設計，其幅頻特性的分析結果如圖.4所示。

圖.3波特圖

根據圖.3可知，在以10kHz時輸出信號v2電壓幅度為基準，達到了最大衰減?10dB的要求。數字均衡方法比較與選擇

在音響系統中，均衡器可以分別調節音頻信號的各頻率成分增益，從而可以補償揚聲器和聲場的缺陷。均衡器可分為三類：圖示均衡器，參量均衡器和房間均衡器。傳統的均衡器僅將音頻信號按高頻、中頻、低頻三段頻率進行調節。采用數字信號處理技術可以實現對音頻信號的更精細的調節，這類均衡器稱為數字均衡器。數字均衡器可以作成圖示EQ、參量EQ或者兩者兼有的EQ，不僅性能指標優異，操作方便，而且還可同時儲存多種用途的頻響均衡特性，以供不同節目要求選用。數字均衡可以做到10段參量均衡和29段圖示均衡，結合其它功能，如噪聲門功能等。

在本次設計中，我們給出了一個有參量EQ或者兩者兼有的EQ。其設計過程如下：

3.1 數字均衡器實現方案選擇

方案一：采用ARM（嵌入式系統）實現數字均衡

基于精簡指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的數字信號處理能力，可以用來實現簡單的數字均衡器，但當均衡器的功能及性能要求較高時，ARM就不能勝任了。

方案二：采用基于DSP的數字信號處理系統

數字信號處理器具有強大的數字信號處理功能，能夠勝任較為復雜的音頻信號的各種處理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事務管理。往往要結合其它處理器，實現友好的人機界面。

方案三：大規模可編程器件

利用大規模可編程器件實現的算法是以邏輯運算完成的最大優越性在于“高速”，實現算法的系統延時非常小，但價格較高。

綜合以上各種因素，并考慮到我們的知識與能力，我們選擇DSP實現音頻信號的數字均衡，并以DSP實現簡單的人機界面。

3.2 數字均衡算法選擇

3.2.1 軟件理論實現方案有三種，如下： 方案一：帶通濾波器

根據數字均衡基本原理，我們可以采用一組中心頻率和帶寬符合一定要求、增益可調的帶通濾波器（band-pass filter）實現均衡，并采用MATLAB等計算機輔助分析與設計工具，選擇設計理想的濾波器，生成濾波函數的時域沖激響應系數，最后在DSP中以時域卷積的形式實現濾波與均衡。

方案二：傅立葉變換

傅立葉變換是將信號從時域變換到頻域的一種變換形式，是信號處理領域中的一種重要的分析工具。離散傅立葉變換（DFT）是連續傅立葉變換在離散系統中的表現形式。在信號的頻譜分析、系統分析、設計和實現中都會用到DFT的計算。快速傅立葉變換（FFT）算法，這是一種快速計算的DFT，可以明顯降低運算量，大大地提高了DFT的運算速度。

序列x(n)的DFT表達式為：

N/2?1X(k)??x(r)W1r?02rkN?WkNN/2?1r?0?x(r)W22rkN

DSP芯片的出現使FFT的實現變得更為方便。由于大多數DSP芯片都具有在單指令周期內完成乘法累加操作的功能，并且提供了專門的FFT指令，這使得FFT算法在DSP芯片中的實現速度更快，從而更加證實了用DSP的好處。綜上所述，由于使用了DSP芯片，而DSP芯片里提供了專門的FFT指令，所以軟件理論采用了傅立葉變換的方式。低頻功放的硬件設計

由于甲類功率放大器的效率小于50%，所以不符合題目中≥60%的要求。B類功率放大器雖然效率較高，但是其交越較大，所以也不符合要求。AB類功放存在著交越失真，也不符合，所以選擇D類功率放大器。D類功放具有效率高、體積小、輸出功率大等優點。

對于D類功放有三種方案

4.1 采用專用的D類功放器件

此類經典D 類功放主要由脈沖寬度調制器、開關放大器和低通濾波器等三部分組成，由三角波發生器、比較器和音頻輸入信號構成脈寬調制器(PWM)；兩只輸出場效應管組成開關放大器；LF 和 CF 構成低通濾波器，用以恢復音頻信號。驅動級用來驅動開關放大器，使放大器輸出信號為在VDD和?VDD 間切換的高頻方波。

圖.4經典D 類功放結構示意圖

4.2 基于DSP或ARM的D類功率放大器件

首先對輸入的音頻PCM信號進行采樣, 然后進入DSP 處理系統進行數字變換和濾波, 包括差值運算器, 數字低通濾波器和Σ-△調制器。然后用已經獲得的二進制序列法去控制MOS管的通斷, 并通過模擬的0~24K 的低通濾波器傳輸到模擬輸出。

此方案是利用DSP 芯片的高速計算能力, 實現了數字功率放大器的功能及數字處理本身的特性, 整個放大過程的精度、信噪比和延時都可以通過對算法的修改來實現,。比PWM技術具有更大的靈活性, 且能實現較好的還原效果。

4.3 采用可編程器件實現D類功率放大器

在全數字音頻功率放大器的設計中，采用了CPLD來實現將PCM數字語音數據轉換成PWM信號，并在D類放大器的實現上采用了改進的PWM方案，實現了D類放大器具有效率高、濾波器設計簡化等特點。

信號經過AD轉換器進入DSP器件，再經過由CPLD構成的脈沖寬度調制器，產生的信號用來驅動級由MOS管構成的開關放大器，經濾波之后將信號反饋到輸入端，與輸入值作比較來減少輸出波形的失真度。如圖.5所示。

圖.5 低頻功放的組成框圖

本次設計中，我們采用由高速模擬比較器、波形發生成及PID環節構的控制器。硬件系統的設計

5.1 DSP的硬件設計

本開發板配有8位數碼管顯示、16個按鍵的控制電路、外接21引腳液晶顯示、2個138譯碼器、AD與DA轉換器和豐富的外部擴展接口。具體功能和應用介紹如下。

5.1.1 DSP芯片介紹

此次競賽采用TMS320C5416芯片，這個芯片的特點有：1采用哈佛結構，能同時對程序存儲器、數據存儲器進行操作；2采用多種線結構，可同時進行取指令和多個數據存取操作；3采用流水線操作；4配有專用的硬件乘法—累加器，可在一個周期內完成一次乘法和一次累加操作；5具有的特殊DSP指令；6快速的指令周期；7硬件配置強；支持多處理結構；省電管理和低功耗。

5.1.2 按鍵電路

本實驗板有16個小按鍵，按鍵讀寫控制由138譯碼器（U10）的11、12腳結合兩塊SN74HC573芯片控制，以識別按鍵操作。138再由DSP的A12到A15端口（高四位地址）控制按鍵的選通。按鍵電路可以用于控制數碼管顯示、液晶顯示等等，這主要由編程控制

5.1.3 液晶電路

實驗板上提供外接21腳液晶，我們采用外接型號為ATM240128的液晶顯示屏。

液晶顯示內容由DSP的D0到D7端口外接10千歐電阻提供數據。液晶的現實控制由138譯碼器控制LCD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分別控制LED背景光源負極和數據命令選擇端。

5.1.4 ADDA轉換器

實驗板AD轉換器由貼片芯片TLV1571組成，DA轉換器由貼片芯片TLV5619組成。

TLV1571 是TI 公司專門為DSP 配套制作的一種10 位并行A/D 轉換器，具有速度高、接口簡單、功耗低的特點，外圍電路中通過A/D 轉換器把模擬信號轉換為數字信號，再由DSP 實時地對大量數據進行數字技術處理。TLV5619是美國德州儀器公司推出的高速低功耗DAC器件, 它是帶有12位并行數字輸入的電壓輸出 型DAC。該器件與TMS320系列器件的并行接口兼容, 采用2.7~5.5 V單電壓供電。當使用LDAC管腳時, 它可以異步更新緩沖區的數據。當設置為低功率時, 其功耗僅為50 nW。軟件設計

6.1軟件流程圖如圖.10所示。

開始初步確定中心頻率用matlab仿真進行輔助設計滿足技術指標？YN參數處理導入CCS，進行仿真N滿足技術指標？Y下載運行結束

圖.10 軟件流程圖 系統測試

系統測試過程中，首先通過MATLAB仿真，按照競賽要求設計20hz-20khz的衰減小于1.5分貝，得到濾波系數h(n),然后通過ccs進行數字信號處理。首先通過A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號，然后將輸入的信號 與h(n)進行卷積，得到濾波的信號，本設計考慮到實行性，及穩定性采用40階的FIR濾波器。在調試的過程中，遇到的問題很多，如實時性，首先用80階的FIR,不能完成實時性，后來，通過調試改為40階FIR濾波器。D類功放的測試分控制電路部分、功率主回路部分及系統總體測試。首先完成了，D類功放主回路的調試與測試，這部分調試通過后，再調試控制回路，完成了其中的高速PWM發生器，PID環節。設計總結

我們花了兩個多月的時間來準備電子設計大賽，從9月2日起，比賽正式開始，到今日為止，整整四天三夜。在這些天的奮斗過程中，大家互相合作，互補不足。俗話說：“三個臭皮匠，頂個諸葛亮。”在這四天三夜里，我們集聚了個人的所長，及時的完成了我們選的題目。在這次的次賽中，我們對電子制作有了更加濃厚的興趣，對數字信號處理、數字均衡、DSP及相關期間有了更進一步的了解，我們再完成任務的同時，也鍛煉了我們吃苦耐勞的能力。但，由于初次參加此類比賽，對有些芯片還不是很了解，導致在比賽過程中，在芯片選擇上，花費了大量的時間。這說明我們的準備工作做的還不是非常到位。

參考文獻

[1]黃智偉.《 全國大學生電子設計競賽系統設計》.北京航空航天大學出版社.2006年； [2]鄒彥.《DSP原理及應用》.電子工業出版社

[3]曾寶國;曾妍.《D 類功率放大器的原理及應用》.四川信息職業技術學院

[4]符曉玲;姜 波.《基于DSP 的數字音頻功率放大器的設計》.新疆大學電氣工程學院

第二篇：2009全國大學生電子設計競賽 ——《數字幅頻均衡功率放大器》

2009全國大學生電子設計競賽 題目F：

《數字幅頻均衡功率放大器》

參賽學生：徐宋靜 劉玉河 梁杰

指導教師： 趙正敏 楊定禮

學 校：淮陰工學院

院 系： 電子與電氣工程學院

2009年9月5日

摘要：

本系統采用DSP作為主控制器，通過前置放大、濾波，經AD轉換，對信號進行采樣，把連續信號離散化，然后通過離散傅氏變換（DFT）運算，在時域和頻域對音頻信號各個頻率分量以及功率等指標進行分析和處理，最后通過低頻功放將信號放大，并通過計算機輔助設計軟件MATLAB將處理后的參數送入DSP,同時將信息在液晶屏上顯示出來。

關鍵詞：DSP、數字均衡、低頻功放、MATLAB 引言

隨著數字信號處理(DSP)技術的發展，DSP技術已廣泛應用于各個領域。借助于現代數字電子及數字信號處理技術，古老的音響技術也煥發出新的活力。本次大賽中我們選擇了F題，圍繞這一課題我們進行方案選擇與論證、系統的軟硬件設計與調試，基本實現了課目的各項指標也要求。并在此基礎上，撰寫了本報告的。

整個系統分為前置放大、信號濾波、數字均衡及功率放大幾個部分，以下分別介紹。前置放大器的設計

2.1 前置放大的硬件設計和帶阻網絡

2.1.1 前置放大的硬件設計

可控增益寬帶放大器由芯片AD603構成。AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍線性連續可調的可控增益放大器，AD603的帶寬為90MHz時，其增益高達30dB.本課題中，我們選擇兩片AD603，構成如圖.1所示的自動增益控制放大器。C1310VAD603輸入電阻100歐C1710VR10R15R13110VC9J4U5U6128C113578R0103Q157R910VR74C141210VR114R011C18AGC時間常數電容CavQ21266J29C20R8C013+C12C15C16+12R12R16R14J35J512R17R18R1910V可編程放大器電路P14312

圖.1可編程放大電路

2.1.2 帶阻網絡設計

本題中要求，所制作的帶阻網絡對前置放大電路所輸出的信號v1進行濾波，根據題目要求，本次制作的帶阻網絡電路圖如圖.2所示。

圖.2帶阻網絡

根據題目中所給的阻帶網絡結構，我們采用Multisim進行了輔助分析與設計，其幅頻特性的分析結果如圖.4所示。

圖.3波特圖

根據圖.3可知，在以10kHz時輸出信號v2電壓幅度為基準，衰減大約為30db，達到了最大衰減?10dB的要求。數字均衡方法比較與選擇

在音響系統中，均衡器可以分別調節音頻信號的各頻率成分增益，從而可以補償揚聲器和聲場的缺陷。均衡器可分為三類：圖示均衡器，參量均衡器和房間均衡器。傳統的均衡器僅將音頻信號按高頻、中頻、低頻三段頻率進行調節。采用數字信號處理技術可以實現對音頻信號的更精細的調節，這類均衡器稱為數字均衡器。數字均衡器可以作成圖示EQ、參量EQ或者兩者兼有的EQ，不僅性能指標優異，操作方便，而且還可同時儲存多種用途的頻響均衡特性，以供不同節目要求選用。數字均衡可以做到10段參量均衡和29段圖示均衡，結合其它功能，如噪聲門功能等。

在本次設計中，我們給出了一個有參量EQ或者兩者兼有的EQ。其設計過程 如下：

3.1 數字均衡器實現方案選擇

方案一：采用ARM（嵌入式系統）實現數字均衡

基于精簡指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的數字信號處理能力，可以用來實現簡單的數字均衡器，但當均衡器的功能及性能要求較高時，ARM就不能勝任了。

方案二：采用基于DSP的數字信號處理系統

數字信號處理器具有強大的數字信號處理功能，能夠勝任較為復雜的音頻信號的各種處理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事務管理。往往要結合其它處理器，實現友好的人機界面。

方案三：大規模可編程器件

利用大規模可編程器件實現的算法是以邏輯運算完成的最大優越性在于“高速”，實現算法的系統延時非常小，但價格較高。

綜合以上各種因素，并考慮到我們的知識與能力，我們選擇DSP實現音頻信號的數字均衡，并以DSP實現簡單的人機界面。

3.2 數字均衡算法選擇

3.2.1 軟件理論實現方案有三種，如下： 方案一：帶通濾波器

根據數字均衡基本原理，我們可以采用一組中心頻率和帶寬符合一定要求、增益可調的帶通濾波器（band-pass filter）實現均衡，并采用MATLAB等計算機輔助分析與設計工具，選擇設計理想的濾波器，生成濾波函數的時域沖激響應系數，最后在DSP中以時域卷積的形式實現濾波與均衡。

方案二：傅立葉變換

傅立葉變換是將信號從時域變換到頻域的一種變換形式，是信號處理領域中的一種重要的分析工具。離散傅立葉變換（DFT）是連續傅立葉變換在離散系統中的表現形式。在信號的頻譜分析、系統分析、設計和實現中都會用到DFT的計算。快速傅立葉變換（FFT）算法，這是一種快速計算的DFT，可以明顯降低運算量，大大地提高了DFT的運算速度。

綜上所述，由于水平有限，我們在軟件理論中采用了帶通濾波器的方式。3.2.2用Matlab實現帶通濾波器

Matlab的信號處理工具箱提供了支持實現FIR濾波器和IIR濾波器設計方法的函數，以下是通過Matlab所畫出的濾波圖。低頻功放的硬件設計

由于甲類功率放大器的效率小于50%，所以不符合題目中≥60%的要求。B類功率放大器雖然效率較高，但是其交越較大，所以也不符合要求。AB類功放存在著交越失真，也不符合，所以選擇D類功率放大器。D類功放具有效率高、體積小、輸出功率大等優點。

對于D類功放有三種方案

4.1 采用專用的D類功放器件

此類D 類功放主要由脈沖寬度調制器、開關放大器和低通濾波器等三部分組成，由三角波發生器、比較器和音頻輸入信號構成脈寬調制器(PWM)；兩只輸出場效應管組成開關放大器；LF 和 CF 構成低通濾波器，用以恢復音頻信號。驅動級用來驅動開關放大器，使放大器輸出信號為在VDD和?VDD 間切換的高頻方波。

圖.4經典D 類功放結構示意圖

4.2 基于DSP或ARM的D類功率放大器件

首先對輸入的音頻PCM信號進行采樣, 然后進入DSP 處理系統進行數字變換和濾波, 包括差值運算器, 數字低通濾波器和Σ-△調制器。然后用已經獲得的二進制序列法去控制MOS管的通斷, 并通過模擬的0~24K 的低通濾波器傳輸到模擬輸出。

此方案是利用DSP 芯片的高速計算能力, 實現了數字功率放大器的功能及數字處理本身的特性, 整個放大過程的精度、信噪比和延時都可以通過對算法的修改來實現,。比PWM技術具有更大的靈活性, 且能實現較好的還原效果。

4.3 采用可編程器件實現D類功率放大器 在全數字音頻功率放大器的設計中，采用了CPLD來實現將PCM數字語音數據轉換成PWM信號，并在D類放大器的實現上采用了改進的PWM方案，實現了D類放大器具有效率高、濾波器設計簡化等特點。

信號經過AD轉換器進入DSP器件，再經過由CPLD構成的脈沖寬度調制器，產生的信號用來驅動級由MOS管構成的開關放大器，經濾波之后將信號反饋到輸入端，與輸入值作比較來減少輸出波形的失真度。如圖.5所示。

本次設計中，我們采用由高速模擬比較器、波形發生成及

PID環節構的控

制器。硬件系統的設計

5.1 DSP的硬件設計

本開發板配有8位數碼管顯示、16個按鍵的控制電路、外接21引腳液晶顯示、2個138譯碼器、AD與DA轉換器和豐富的外部擴展接口。具體功能和應用介紹如下。

5.1.1 DSP芯片介紹

此次競賽采用TMS320C5416芯片，這個芯片的特點有：1采用哈佛結構，能同時對程序存儲器、數據存儲器進行操作；2采用多種線結構，可同時進行取指令和多個數據存取操作；3采用流水線操作；4配有專用的硬件乘法—累加器，可在一個周期內完成一次乘法和一次累加操作；5具有的特殊DSP指令；6快速的指令周期；7硬件配置強；支持多處理結構；省電管理和低功耗。

5.1.2 按鍵電路

本實驗板有16個小按鍵，按鍵讀寫控制由138譯碼器（U10）的11、12腳結合兩塊SN74HC573芯片控制，以識別按鍵操作。138再由DSP的A12到A15端口（高四位地址）控制按鍵的選通。按鍵電路可以用于控制數碼管顯示、液晶顯示等等，這主要由編程控制

5.1.3 液晶電路

實驗板上提供外接21腳液晶，我們采用外接型號為ATM240128的液晶顯示屏。

液晶顯示內容由DSP的D0到D7端口外接10千歐電阻提供數據。液晶的現實控制由138譯碼器控制LCD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分別控制LED背景光源負極和數據命令選擇端。

5.1.4 AD / DA轉換器

實驗板AD轉換器由貼片芯片TLV1571組成，DA轉換器由貼片芯片TLV5619組成。TLV1571 是TI 公司專門為DSP 配套制作的一種10 位并行A/D 轉換器，具有速度高、接口簡單、功耗低的特點，外圍電路中通過A/D 轉換器把模擬信號轉換為數字信號，再由DSP 實時地對大量數據進行數字技術處理。TLV5619是美國德州儀器公司推出的高速低功耗DAC器件, 它是帶有12位并行數字輸入的電壓輸出型DAC。該器件與TMS320系列器件的并行接口兼容, 采用2.7~5.5 V單電壓供電。當使用LDAC管腳時, 它可以異步更新緩沖區的數據。當設置為低功率時, 其功耗僅為50 nW。軟件設計

6.1軟件流程圖如圖.10所示。

開始初步確定中心頻率用matlab仿真進行輔助設計滿足技術指標？YN參數處理導入CCS，進行仿真N滿足技術指標？Y下載運行結束

圖.10 軟件流程圖 系統測試

系統測試過程中，首先通過MATLAB仿真，按照競賽要求設計20hz-20khz的衰減小于1.5分貝，得到濾波系數h(n),然后通過ccs進行數字信號處理。首先通過A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號，然后將輸入的信號與h(n)進行卷積，得到濾波的信號，本設計考慮到實行性，及穩定性采用40階的FIR濾波器。在調試的過程中，遇到的問題很多，如實時性，首先用80階的FIR,不能完成實時性，后來，通過調試改為40階FIR濾波器。D類功放的測試分控制電路部分、功率主回路部分及系統總體測試。首先完成了，D類功放主回路的調試與測試，這部分調試通過后，再調試控制回路，完成了其中的高速PWM發生器，PID環節。8 設計總結

我們花了兩個多月的時間來準備電子設計大賽，從9月2日起，比賽正式開始，到今日為止，整整四天三夜。在這些天的奮斗過程中，大家互相合作，互補不足。俗話說：“三個臭皮匠，頂個諸葛亮。”在這四天三夜里，我們集聚了個人的所長，及時的完成了我們選的題目。在這次的次賽中，我們對電子制作有了更加濃厚的興趣，對數字信號處理、數字均衡、DSP及相關期間有了更進一步的了解，我們再完成任務的同時，也鍛煉了我們吃苦耐勞的能力。但，由于初次參加此類比賽，對有些芯片還不是很了解，導致在比賽過程中，在芯片選擇上，花費了大量的時間。這說明我們的準備工作做的還不是非常到位。

參考文獻

[1]黃智偉.《 全國大學生電子設計競賽系統設計》.北京航空航天大學出版社.2006年； [2]鄒彥.《DSP原理及應用》.電子工業出版社

[3]曾寶國;曾妍.《D 類功率放大器的原理及應用》.四川信息職業技術學院

[4]符曉玲;姜 波.《基于DSP 的數字音頻功率放大器的設計》.新疆大學電氣工程學院

第三篇：高頻功率放大器_課程設計報告

河南理工大學課程設計報告書

高頻電子線路課程設計報告

設計題目：高頻功率放大器設計

專業班級 電信09-3 學 號 310908030305 學生姓名 董一含 指導教師 高 娜 教師評分

2012年6月13日

河南理工大學課程設計報告書

摘 要

高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的主要組件，用于發射機地末端。本課程設計的高頻功率放大器電路由兩極功率放大器組成，第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。分別對甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設計，通過給定的技術指標要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設計的工作狀態和計算出電路中各器件參數，從而設計出完整高頻功率放大器電路，再利用電子設計軟件multisim對電路仿真。

關鍵詞：甲類功率放大器、丙類功率放大器、multisim仿真。

河南理工大學課程設計報告書

目 錄 設計要求.............................................................................................................................1 1.1 已知條件....................................................................................................................1 1.2 主要技術參數............................................................................................................1 1.3 具體要求....................................................................................................................1 2 原理分析.............................................................................................................................2 3 電路設計.............................................................................................................................3 3.1 電路概要設計............................................................................................................3 3.2 丙類功率放大器設計................................................................................................3

3.2.1 放大器的工作狀態............................................................................................3 3.2.2 諧振回路及耦合回路的參數............................................................................4 3.2.3 基極偏置電路參數計算....................................................................................5 3.3 甲類功率放大器設計................................................................................................5

3.3.1 電流性能參數....................................................................................................5 3.3.2 靜態工作點........................................................................................................6 高頻功率放大器完整電路圖.............................................................................................7 5 電路仿真.............................................................................................................................8 6 設計心得...........................................................................................................................10

參考文獻..........................................................................................................................11 設計要求

1.1 已知條件

+VCC=+12V,晶體管3DG130的主要參數為PCM=700mW，ICM=300mA，VCES≤0.6V，hfe≥30，fT≥150MHz，放大器功率增益AP≥6dB。晶體管3DA1的主要參數為PCM=1W，ICM=750mA，VCES≥1.5V,hfe≥10,fT=70MHz,AP≥13dB。

1.2 主要技術參數

輸出功率P0≥500mW，工作中心頻率f0≈5MHz，效率η＞50%，負載RL=50Ω。

1.3 具體要求

分析高頻功率放大器原理，通過給定的技術指標要求確定甲類功率放大器和丙類諧振功率放大器設計的工作狀態和計算出電路中各器件參數，利用電子設計工具軟件multisim對電路進行仿真測試，分析電路的特性。原理分析

高頻功率放大器用于發射機的末級，作用是將高頻已調波信號進行功率放大，以滿足發送功率的要求，然后經過天線將其輻射到空間，保證在一定區域內 的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃 分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器 通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調諧功率放大 器或諧振功率放大器。利用選頻網絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發射機中的重要組成部分。根據放大器電流導通角θ的范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ=180，效率η最高也只能達到50%，而丙類功放的θ< 90o，效率η可達到80%，甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。圖1為丙類諧振功率放大器。

圖 1 丙類諧振功率放大器 電路設計

3.1 電路概要設計

本課程設計的高頻功率放大器由兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1 組成甲類功率放大器，晶體管VT2 組成丙類諧振功率放大器。從輸出功率P0≥500mW來看，末級功放可以采用甲類或乙類或丙類功率放大器，但要求總效率η＞50%，顯然不能只用一級甲類功放，但可以只用一級丙類功放。本課程設計采用的電路甲類功放選用晶體管3DG130,丙類功放選用3DA1。首先設計丙類功率放大器，再設計甲類功率放大器。

3.2 丙類功率放大器設計

3.2.1 放大器的工作狀態

為獲得較高的效率η及最大輸出功率P0。放大器的工作狀態選為臨界狀態，取，得諧振回路的最佳負載電阻Re為

為，集電極基波電流振幅，集電極電流脈沖的最大值Icm及）其直流分量Ic0，即 Icm= Ic1m / α1（=216mA，Ic0= Icm ·α0（）=54mA。

電源供給的直流功率PD為： PD=VCCIc0=0.65W。集電極的耗散功率PC'為： PC'=PD-P0=0.15W。放大器的轉換效率η為：η=P0/PD=77%。

若設本級功率增益AP=13dB（20倍），輸入功率Pi為Pi=P0/AP=25mW，基極余弦脈沖電流的最大值為Ibm（設晶體管3DA1的直流β=10）Ibm=Icm/β=21.6mA，基極基波電流的振幅Ib1m 為Ib1m=Ib1mα1(為。)=9.5mA，輸入電壓的振幅Vbm3.2.2 諧振回路及耦合回路的參數

在諧振功率放大器中，為滿足結它的輸出功率和效率的要求，并有較高的功率增益，除正選擇放大器的工作狀態外，還必須正確設計輸入和輸出匹配網絡，輸入和輸出匹配網絡在諧振功率放大器中的連接情況如圖2所示。無論是輸入匹配網絡還是輸出匹配網絡，它們都具有傳輸有用信號的作用，故又稱為耦合電路。對于輸出匹配網絡，在求它具有濾波和阻抗變換功能，即濾除各次分量，使負載上只有基波電壓；將外接負載RL 變換成諧振功放所要求的負載電阻R，以保證放大器輸出所需的功率。因此，匹配網絡也稱濾波匹配網絡。對于輸入匹配網絡，要求它把放大器的輸入阻抗變換為前級信號源所需的負載阻抗，使電路能從前級信號源獲得盡可能大的激勵功率。

圖 2丙類諧振功率放大器的匹配網絡

丙類功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸入阻抗|Zi|可計算，輸出變壓器線圈匝數比為，取N3=2,N1=3。若取集電極并聯諧振回路的電容C=100pF，得回路電感為若采用的。的NXO-100鐵氧體磁環來繞制輸出耦合變壓器，可以計算變壓器一次線圈的總匝數N2，即由可得N2≈8。需要指出的是，變壓器的匝數N1、N2、N3的計算值只能作為參考值，由于電路高頻工作時分布參數的影響，與設計值可能相差較大。為調整方便，通常采用磁心位置可調節的高頻變壓器。

3.2.3

基極偏置電路參數計算

基極直流偏置電壓VB為

射極電阻RE2為 RE2=|VB|/ICO=20Ω。

取高頻旁路電容CE2=0.01μF。

3.3 甲類功率放大器設計

3.3.1 電流性能參數

由丙類功率放大器的計算結果可得甲類功率放大器的輸出功率PO'應等于丙類功放的輸入功率Pi，輸出負載Re'應等于丙類功放的輸入阻抗|Zi|，即PO'=Pi=25mW,Re'=|Zi|=86Ω。集電極的輸出功率P0為(若取變壓器效率ηT=0.8)P0=PO'/ηT≈31mW。

若取放大器的靜態電流ICQ=Icm=7mA，得集電極電壓的振幅Vcm及最佳負載電阻Re分別為 Vcm=2P0/Icm=8.9V，因射極直流負反饋電阻RE1為

。，取標稱值360Ω，得輸出變壓器匝數比為 匝數N1=6。，若取二次側匝數N2=2，則一次側 本級功放采用3DG12晶體管，設β=30，若取功率增益AP=13dB（20倍），則輸入功率Pi為 Pi=P0/AP=1.55mW，得放大器的輸入阻抗Ri為

Ri≈rb'b+βR3=25Ω+30×R3 若取交流負反饋電阻R3=10Ω則Ri=335Ω，得本級輸入電壓的振幅Vim為。

3.3.2 靜態工作點

由上述計算結果得到靜態時(Vi=0)晶體管的射極電位VEQ為VEQ=ICQRE1=2.5V，則VBQ=VEQ+0.7V=3.2V，IBQ=ICQ/β=0.23mA，若取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則R2=VBQ/5IBQ=2.8kΩ，取標稱值3kΩ。

在實驗時可以調整時取R1=5.1kΩ+10kΩ電位器。取高頻旁路電容CE1=0.022μF，輸入耦合電容C1=0.02μF。

高頻電路的電源去耦濾波網絡通常采用π形C1=0.002μFLC低通濾波器，L10,L20可按經驗取50~100μH，C10，C11，C20，C21按經驗取0.01μF。L10,L20可以采用色碼電感，也可以用環形磁心繞制。高頻功率放大器完整電路圖

將上述設計計算的元件參數按照圖所示電路進行安裝，然后再逐級進行調整。最好是安裝一級調整一級，然后兩級進行級聯。所示可先安裝第一級甲類功率放大器，并測量調整靜態工作點使其基本滿足設計要求，如測得VBQ=2.8V,VEQ=2.2V，則ICQ=6mA。再安裝第二級丙類功率放大器。測得晶體管3DA1的靜態時基極偏置VBE=0。

圖所示3為完整的高頻功率放大器電路圖。第一級為甲類功率放大器，第二級為丙類諧振功率放大器。

圖 3完整的高頻功率放大器電路圖 電路仿真

利用電子設計軟件multisim對電路仿真，根據圖3高頻功率放大器電路圖在軟件multisim中繪制出仿真電路圖，如圖4所示。

圖 4高頻功率放大器仿真電路圖

對電路進行仿真測試高頻放大器的放大效果，在輸入端輸入1KHZ的正弦波信號，由仿真電路圖在仿真示波器選擇B通道觀察輸入的1KHZ的正弦波信號，如圖5所示，輸入電壓Vi=326mV。

圖 5 1KHZ的正弦波信號

再觀察仿真示波器A通道的波形，即經高頻功率放大器放大的信號波形，如圖6所示，由仿真示波器可得輸出電壓Vo=2.282V。放大增益A=Vo/Vi=2282mV/326mV =7, 20LgA=20Lg7=16.9dB,故由Multism仿真測得設計的高頻功率放大器的電壓放大增益Av=16.9dB。

圖 6高頻功率放大器放大后的信號 設計心得

高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的主要組件,經過一周的對高頻功率放大器電路的設計使我對高頻電路課程有了更深一步的了解，課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。此次的高頻課設，不僅讓我加深了對電子電路理論知識的理解，還加強和同學交流溝通的能力，在設計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設計出的電路經過Multisim軟件仿真達到預期的放大效果，不僅讓小組所有成員共同獲得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism軟件的使用。種種在此次學習到的知識或是能力必將有用于之后的學習或是將來的工作，這也是此次課程設計的目的所在。

參考文獻

[1]張肅文.高頻電子線路（第四版）[M].北京：高等教育出版社,2004 [2]張肅文.高頻電子線路（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2009 [3]曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析（第四版），西安：西安電子科技大學出版社,2006 [4]楊霓清.高頻電子線路實驗及綜合設計[M］．機械工業出版社,2009 [5]鈴木憲次(日).高頻電路設計與制作[M］．科學出版社,2005

第四篇：低頻功率放大器課程設計報告

《電路與模擬電子技術》

課程設計報告

低頻功率放大器

一、摘要

低頻功率放大器的主要應用是對音頻信號進行功率放大，本文介紹了具有弱信號放大能力的低頻功率放大器的基本原理、內容、技術路線。整個電路主要分為穩壓電源、前置放大器、功率放大器、波形變換電路共4 部分。穩壓電源主要是為前置放大器、功率放大器提供穩定的直流電源。前置放大器主要是實現電壓的放大。功率放大器實現電流、電壓的放大。波形變換電路是將正弦信號變換成規定要求的方波信號。設計的電路結構簡潔、實用，充分利用到了集成功放的優良性能。實驗結果表明該功率放大器在帶寬、失真度、效率等方面具有較好的指標、較高的實用性,為功率放大器的設計提供了廣闊的思路。

二、關鍵字

前置放大級電路

功率放大

穩壓電源電路

波轉換電路

三、總體設計方案論證及選擇

根據課設要求, 我們所設計的低頻功率放大器應由以下幾個部分組成：穩壓電路、前置放大、功率放大以及波形變換電路。下面對每個單元電路分別進行論證：

前置放大級：

設計要求前置放大輸入交流接到地時，RL=8?的電阻負載上的交流噪聲功率低于10mw因此要選用低噪音運放。本裝置選用的優質低噪音運放NE5532AI。設計要求輸入電壓幅度為5~700mV時，輸出都能以Po≥10W滿功率不失真輸出，信號需放大幾千倍，有考慮到運放的放大倍數與通頻帶的關系，故采用兩級放大，增益調節可用電位器手動調節，也可用自動增益控制，但考慮到題目中的“使用”倆字（例如輸入信號不是正弦信號，而是大動態音樂信號），本裝置采用手動增益調節。

功率放大級：

根據設計題目要求，在供原則的功率放大可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成的功放，如果電路選擇好，參數恰當，元件性能優越，且制作和調試的號，則性能很可能高過較好的集成功效。許多優質功放是分立功放。但其中有一個元件出現問題或是搭配不當，則性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過載，過流，過熱等損壞還得加復雜的保護電路。

現在市場上也有很多性能優越的集成功放芯片，如TDA2040A,LM1875，TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外圍電路簡單，保護功能較完善，易制作易調試等特點，雖不及頂級功放的性能，但滿足并超過本設計的要求問題的。

綜上所述，考慮時間緊，在滿足要求的前提下，選擇易調試的集成功放。

我們熟悉的集成功放有TDA2040A，LM1875，TDA1514等，其中TDA2040A功率量不大，TDA1514外圍電路較復雜，且易自激。這兩種功放的低頻率特征都欠佳，LM1875外圍電路簡單，電路熟悉，低頻特性好，保護功能齊全。它的不足之處是高頻特性較差（BW<=70KHz），但對于本設計要求的50Hz~10KHz已足夠，因此選用LM1875作功放。

波形變換電路：

直接采用施密特觸發器進行變換與整形。而施密特電路可用高精度、高速運算電路搭接而成，也可采用專用施密特觸發器構成，還可以選用NE5532P電路構成。

通過比較，本課程設計中施密特電路采用高精度、高速運算放大器LF357構成。

自制穩壓電源：

本系統設計采用三端集成穩壓電源電路，選用LM7815、LM7915三端集成穩壓器。

四、設計方案的原理框圖

圖1 總體設計

放大通道正弦信號外供正弦信號源弱信號前置放大級變換電路正、負極性對稱方波 自制直流穩壓電源功率放大級RL=8Ω~220V50Hz

五、總體電路圖、接線圖及說明 XFG101C210uF2V318 V 683XDA1THDU2A1C458U3B710uF9R5850%050kΩKey=AXSC1Ext Trig+_A+_B+_10NE5532AI746R21MΩ0R415kΩR31kΩ4C347uF0R61MΩ14110R71kΩ12C547uF004NE5532AIR822kΩR9V4-18 V 1350%050kΩKey=A150

圖2 前置放大電路

說明：前置放大由兩級NE5532典型應用電路組成，各級均采用固定增益輸出衰減組成。要求當各級輸出不衰減，輸入Vp=5mV時，輸出Va.pp>=2.53V。

0V218 V 5XFG1514C5220uFU10C3100nFD11N400797+XSC1Ext Trig+_A_+B_8C710uF3R1100kΩ023LM1875T2R320kΩ6V1-18 V 0C2220uF0C4100nF0R21kΩ4D21N4007R48Ω10C6210uF0C147uF0

圖3 功率放大電路

說明：功率放大器選擇用集成功放LM1875，采用典型電路，此電路中R3，R2組成反饋網絡，C1為直流反饋電容，R1為輸入接地電阻，防止輸入電路時引入感應噪聲，C7為信號耦合電容，D1，D2為保護二極管，R4和C6組成退偶電路，防止功放產生高頻自激，C5，C2，C3，C4是電源退耦電容。

六、主要元器件選擇

1）穩壓電路中選用LM7815、LM7915三端集成穩壓器

2）因為LF357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應快等特點，所以在正弦波一方波轉換電路中采用集成運放LF357

3）在前置放大級電路中采用集成雙運放NE5532,在功率放大級中采用運放LM1875。

七、電路參數計算

前置放大計算

對于第一級放大，要求在信號最強時，輸出不失真，即Vp=700mV時，輸出Vom<11V(低于電源電壓1V)。所以

A1=Vom/Vp=11/0.7 =15.7 取A1=15.當輸入信號最小，即Vpp=10mV，而輸出不衰減時

V01.pp=A1*Vi.pp=15*10=150mA 第二級放大要求輸出V02.pp>2.53V,考慮到元件誤差的影響，取V02.pp=3V，而輸入信號最小為150mV，則第二級放大倍數是

A2 = V02.pp/ V01.pp=20 功率放大計算：

LM1875開環增益為26dB，即放大倍數 A=20

因為要求輸出到8Ω電阻負載上的功率P0>10 W。而 Vom=2Rl*P。=12.65V 加上功率管管壓降2V，則

V=Vom=12.65+2=14.65V 取電源電壓為15V

Icm=2P。*Rl=1.518A PV =2V * Icm/? =15.1W

八、Multisim仿真結果

前置放大

直流穩壓

功率放大

波形轉換

九、收獲與體會

通過此次課程設計鍛煉，我不僅深深體會到理論知識與實踐結合的不易，還深入了解并學會了一種簡單實用、成本低的低頻功率放大器的電路設計方法。課設過程中為了讓自己的設計更加完善，更加符合工藝標準，一次次翻閱熱處理方面的書籍是十分必要的，同時也是必不可少的。通過這次課程設計我也發現了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經過一番努力才得以解決。我懂得了學習的重要性，了解到理論知識與實踐相結合的重要意義。

十、參考文獻

[1] 胡翔駿 電路分析(第二版)北京：高等教育出版社 2007 [2] 華成英、童詩白 模擬電子學基礎（第四版）北京：高等教育出版社 2006 [3] 黃智偉 全國大學生電子設計競賽系統設計 北京：北京航空航天大學出版社 2006 [4] 夏路易、石宗義 電路原理圖與電路板設計教程 北京希望電子出版社 2002 [5] 谷麗華、辛曉寧、么旭東 實用低頻功率放大器的設計 沈陽化工學院學報 [6] 高玉良 電路與模擬電子技術 北京高等教育出版社

十一、附件

XSC3V120 Vrms 60 Hz 0° A+_BExt Trig+_+_D91N5402U1LM7815CTC7330nF5C810uFD11N5402D31N5402D21N5402D4C11N5402100nF03R1C31kΩ2.2mFC22.2mF0IC=35VIC=35VXSC1Ext Trig+D51N5402D71N54028D6+_A_B+_91N5402D8C41N5402100nFR21kΩC5D1001N5402C6132.2mFIC=35VU2LM7915CT002.2mFIC=35VXSC2Ext Trig+_11C1010uFC9330nF00A+_+B_0 圖2

直流穩壓電路

說明：直流穩壓電源部分為整個功放電路提供能量，根據設計的前置放大級電路和功率放大級電路的要求，僅需要穩壓電源輸出的一種直流電壓即+15V。因三端穩壓器具有結構簡單、外圍元器件少、性能優良、調試方便等顯著優點，故本設計中采用三端穩壓電路。兩組獨立的20V交流，經過橋堆整流，大電容濾波，再加0.1uF小電容濾掉電源中的高頻分量。考慮到制作過程中電源空載時的電容放電可在輸出電容并上1K大功率電阻。另外還要給7815，7915來獲得+15V、萬一輸入端短路，大電容放電會使穩壓塊由于反電流沖擊而損壞，加兩個二極管可使反相電流流向輸入端起保護作用。

V260V140XSC11R410kΩ2D21N4728A5R510kΩR6831Ext Trig+3C1818 V U1A330nF1824NE5532PV370C2-18 V 330nFU2A+_AB_+_R310kΩ700mVrms 1000 Hz 0° 30924NE5532P1kΩD1Key=A1N4728A050% 圖5 波形變換電路（NE5532P）

說明：將1KHZ的正弦波變為同頻率的對稱方波。因LF357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應快等特點，所以本課程設計中施密特電路采用高精度、高速運算放大器LF357構成，而NE5532運放做隔離用。

第五篇：高頻功率放大器實訓報告

《高頻電子線路》實訓報告

題目：高頻諧振功率放大器的性能研究

設計過程：

1．高頻功率放大器簡介

高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質的區別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000

Hz，高低頻率之比達1000倍。因此它們都是采用無調諧負載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調幅廣播電臺（535－1605

kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10

kHz，如中心頻率取為1000

kHz，則相對頻寬只相當于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。

2.高頻功率放大器的分類

高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它將電源供給的直流能量轉換成為高頻交流輸出。

諧振功率放大器的特點：

①放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。

②輸出端負載回路為調諧回路，既能完成調諧選頻功能，又能實現放大器輸出端負載的匹配。

③基極偏置電路為晶體管發射結提供負偏壓，使電路工作在丙類狀態。

④輸入余弦波時，經過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。

3.功率放大器的三種工作狀態

高頻功率放大器的效率是一個突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態有直接的關系。放大器件的工作狀態可分為甲類、乙類、丙類等，提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態，但這些工作狀態下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數很大，不能采用諧振回路作負載，因此一般工作在甲類狀態；采用推挽電路時可以工作在乙類狀態；高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數小，可以采用諧振回路作負載，故通常工作在丙類狀態，通過諧振回路的選頻作用，可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。

工作狀態

半導通角

理想效率

負

載

應

用

甲類

qc=180°

50%

電阻

低頻

乙類

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低頻，高頻

甲乙類

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低頻

丙類

qc＜90°

h＞78.5%

選頻回路

高頻

丁類

開關狀態

90%~100%

選頻回路

高頻

表1-1

不同工作狀態時放大器的特點

4.放大器電路分析

（1）諧振功放基本電路組成如圖1-2所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類狀態下工作。我們知道，在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB

使基極處于反向偏壓的狀態，對于NPN型管來說，只有在激勵信號為正值的一段時間內才有集電極電流產生，所以耗散功率很小。

晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉變為交流能量的過程中起開關控制作用，諧振回路中LC是晶體管的負載，電路工作在丙類工作狀態。

圖1-2

高頻功率放大器基本電路

圖1-2

諧振功率放大器各級電壓和電流波形

（2）集電極電流余弦脈沖分解

當晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態。

晶體管的內部特性為：

ic

=

gc

(eb–VBZ)

它的外部電路關系式：

eb

=

–VBB

+

Vbmcoswt

ec

=

VCC

–Vcmcoswt

當wt=0時，ic

=

ic

max

因此，ic

max

=

gcVbm(1–cos

qc)

若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數，得

ic

=Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+…+Icmncosnwt+…

由傅里葉級數的求系數法得

其中

5.諧振功率放大器的動態特性

（1）諧振功放的三種工作狀態

在非線性諧振功率放大器中，常常根據集電極是否進入飽和區，將放大區的工作狀態分為三種：

①欠壓工作狀態：集電極最大點電流在臨界線的右方

②過壓工作狀態：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區

③臨界工作狀態：是欠壓和過壓狀態的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。

i

c

i

c

I

m

0

180

°

＜

°

w

t

B

A

C

D

負載增大

V

CC

Q

V

c

1.欠壓狀態

2.臨界狀態

3.過壓狀態

R

p

V

c

V

c

圖1-3

電壓、電流隨負載變化波形

（2）諧振功率放大器的外部特性

如果VCC、VBB、Vb

這幾個參變量不變，則放大器的工作狀態就由負載電阻R

決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。

①欠壓狀態：B點以右的區域。在欠壓區至臨界點的范圍內，根據Vc=R*

Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區內必隨負載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。

②臨界狀態：負載線和Eb

max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態時，輸出功率大，管子損

耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個狀態。

③過壓狀態：放大器的負載較大，在過壓區，隨著負載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。

R

Recr

IC1m

VC1m

IC0

欠壓

過壓

圖1-4

諧振放大器的負載特性

集電極調制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應于VCEmin的動態點必定在VBE＝VBEmax的那條特性曲線上移動；當VCC由大減小時，相應的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態將由欠壓進入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變為中間凹陷的脈沖波。

VC1m

Ic1m

Ic0

過壓

臨界

欠壓

過壓

臨界

欠壓

VCC

VCC

h

P1

P0

圖1-5

諧振放大器的集電極調制特性

基極調制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-7所示。當Vbm一定，VBB自負值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應的Vcm）增大，結果使VCEmin減小，放大器由欠壓進入過壓狀態。

放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態有欠壓進入過壓；進入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。

VC1M

IC1M

IC0

h

P0

P1

欠壓

臨界

過壓

欠壓

臨界

過壓

Vbm

Vbm

圖1-6

諧振放大器的放大特性

6.電路的設計

（1）丙類功率放大器的設計

因為要求獲得的效率>60%，放大器的工作狀態采用臨界狀態，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為

=551.25Ω

集電極基波電流振幅

≈0.019A

集電極電流最大值為

=0.019/0.436=43.578mA

其直流分量為

=*=43.578*0.253=11.025mA

電源供給的直流功率為

PD=Ucc*Ico=132.3mW

集電極損耗功率為

P=

PD

–

PC

=32.3mW

轉換效率為

η=

PC

/

PD

=100/132.3=75.6%

當本級增益=13dB即20倍放大倍數，晶體管的直流β=10時，有：

輸入功率為

P1=P0/AP=5mW

基極余弦電流最大值為

IBM

=

ICM

/β

≈

4.36Ma

基極基波電流振幅

=4.360.436=1.9mA

所以輸出電壓的振幅為

UBM

=2

P1/

IB1M≈5.3V

（2）諧振回路和耦合回路參數計算

丙類功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25Ω,則輸入阻抗

≈87.1Ω

則輸出變壓器線圈匝數比為

≈6.4

在這里，我們假設取N3=13和N1=2，若取集電極并聯諧振回路的電容為C=100pF，則

≈7.036μH

采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁環來繞制輸出變壓器，因為有

其中

μ=100H/m,A=,=25mm,L

=7.036μH

所以計算得N2=7

仿真結果：

（1）

multisim仿真高頻諧振功率放大電路原理圖

圖1-7高頻諧振功率放大器仿真電路圖

（2）

仿真示波器測得輸入與輸出信號電壓波形

用高頻信號源提供2MHz的輸入信號，幅度在1V左右，觀測到放大后的不失真的輸入信號。當輸出信號幅度最大，失真最小時，認為功放已經調諧了。

圖1-8調諧波