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单级功率放大器设计

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文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ —０ ９ ２ ６（ ２ ０ １ ５ ） ０ １ —０ ０ １ ０— ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ －ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ａ ｍ ｐｌ ｉ ｉｅ ｆ ｒ
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单 级功 率 放大 器 设计
计 雷 雷 ，郑 宏 兴 ， 张 玉 贤
（ 天 津 职业 技 术 师 范 大 学 天线 与微 波 技 术 研 究 所 ，天津 ３ ０ ０ ２ ２ ２ ）
摘 要 ： 为 了解决功率放 大器的输 出功 率和 效率问题 ， 把 非线性 问题转化为 简化线性方法去解 决， 分别采 用负载牵
引和 源牵引技 术， 调整功率 负载线， 得到最佳功率和效率输 出值 ， 同时简化功 率放 大器的设计 ， 该 电路 可广泛用于无
线发 射 机 等 设 备 。 关键 词 ： 负载 牵 引 ； 源牵引； 非线性 ； 单 级 功 率 放 大 器
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ ７ ２ ２ ． １ 文 献标 识 码 ： Ａ
第 ２ ５卷
第 １期
天
津
职 业
技
术
师
范
大
学
学
报
Ｖｏ １ ． ２ ５ Ｎｏ ． １
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ５
２ ０１ ５年 ３月
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｔ Ｉ ＡＮ Ｊ Ｉ Ｎ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ ＯＦ Ｔ ＥＣＨＮＯＬ Ｏ ＧＹ ＡＮＤ Ｅ ＤＵＣ ＡＴ Ｉ ＯＮ
பைடு நூலகம்
在 无线 通信 系 统 中 ， 通 过基 带 处 理 的射频 小 信 号
术 问题 ， 通 过 找 出器件 最 大 或 最 佳 功 率 输 出值 ， 得 到 输 入 阻抗 和输 出阻抗 ， 解 决 了阻 抗 匹配 问题 。 电路 采
需要放大 ，以提高它在复杂电磁环境 中的传输能力 。 因此 ，功 率放 大 器在无 线 通信 中扮演 着 重要 的角 色 。 对 于 手 持终 端 ， 该 器 件 占据 的物 理 空 间 大 ， 同时 也 是 大部分能量消耗的器件 ， 研究减小体积和能量消耗具 有 重要 意义 。 随着射 频集 成 电路 技 术 的发 展 ， 人 们对
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｎ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｒ ， ｗｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ￣ｔ ｈ ｅ
这 些 问题 进行 探 索 ， 逐 步得 到解 决 。但 是在 工 作 频带 内， 电路 参数 的线性 和一 致 性一 直 困扰 着 电路 设 计人 员 。在增 益调 节方 面 ， 一种 增益 控制模 块 被采用 ， 使射 频 宽 带 放大 器动 态 范 围增加 ＿ １ ｌ 。采 用坐 标 变换 的预 失 真参 数估 计 方法 ，使非 线性 模 型 的仿 真速 度加 快 ， 对 提高 电路 的线性 度 设计 非 常有 意 义Ｉ ２ １ 。 为 了解 决 后 置 非线 性 失 真 问题 ， 一种 可 自适 应调 节 的非 线性 失 真 消 除模 块 得 到应 用［ ３ １ 。但 是 这些 方 法都 未 能考 虑功 率 放
用飞思卡尔 Ｍ Ｒ Ｆ １ ９ ０ ６ ０芯片作为核心部件 ， 结合 Ｓ ｉ Ｇ ｅ 工 艺 的 自适 应 偏 置 网络 ， 设 计 和 调 整 其 直 流偏 置 电 路， 设计方法与单音信号测试【 ５ ＿ 进 行了比较。电路 的带 内效率 达到 ３ ４ ． １ ％，电路 在 １ ． ９ ６ Ｇ Ｈ ｚ ，功率 输 出达 到 ４ ０ ． ６ ｄ Ｂ ｍ， ｌ ｄ Ｂ压缩 点 为 ２ ６ ｄ Ｂ ｍ。

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《单级放大器》课件

《单级放大器》课件

真。
共栅放大器
适用于宽带、低噪声、高速应 用，具有较高的增益和带宽。
差分放大器
适用于抑制共模干扰和消除零 点漂移，具有较高的线性度和
较低的失真。
06
CATALOGUE
单级放大器的调试与维护
单级放大器的调试方法
静态工作点的调试
通过调节偏置电阻，观察放大器的输 入和输出波形，确保工作点设置在合 适的区域。
03
CATALOGUE
单级放大器的电路分析
电压放大倍数
电压放大倍数是指输出电压与输入电压的比值，用于衡量放大器对信号的放大能力 。
电压放大倍数的大小取决于电路元件的参数和连接方式，可以通过计算和测量来确 定。
电压放大倍数的计算公式为：A = (Rc / Re) * (1 + β)，其中Rc是集电极电阻，Re是 发射极电阻，β是晶体管的电流放大倍数。
失真
表示放大器输出信号与输入信 号相比产生的畸变程度。
02
CATALOGUE
单级放大器的基本结构和工作 原理
单级放大器的基本结构
输入级
偏置电路
接收微弱信号并将其放大，是放大器 的第一级。
为放大器提供合适的工作点，使放大 器正常工作。
输出级
输出放大的信号，是放大器的最后一 级。
单级放大器的工作原理
设计反馈网络
为了稳定放大器的性能，需要设 计合适的反馈网络。
确定放大倍数
根据需求确定放大器的放大倍数 。
考虑散热和封装
对于大功率放大器，需要考虑散 热和封装问题。
单级放大器的设计实例
01
02
03
04
共射放大器
适用于低频、大功率应用，具 有较高的输入阻抗和较低的输
功率放大器设计举例讲解

功率放大器设计举例讲解


中间级
T 型匹配
型匹配
输出级
调谐电路
ADS器件直流仿真分析
当 VDS 26V ,VGS 4.0V 时， MRF18085A的漏极电流约 为2A左右。 当 VDS 26V ,VGS 5.5V 时， MRF281S的漏极电流约有 300mA左右。
功率放大器电路的最终确定
驱动级：浅AB类放大、 VGS 5.5V、分压电阻205Ω，55Ω 中间级：深AB类放大、 VGS 4.0V 、分压电阻220Ω，40Ω 输出级：浅AB类放大、 VGS 5.5V 、分压电阻205Ω，55Ω
功率增益满足设计目标53dB±0.5dB
从工作频带1860-1870MHz来看，最大增益在1.870GHz 处，最小增益在1.860GHz处，与中心频率处的增益 52.980dB相比较可知——最大增益波动值为0.424dB， 最小增益波动值为-0.672dB
增益波动也满足指标±1.0dB
输出功率、效率
放大器电路系统的稳定性
ADS仿真中可用 StabFact模版测K系数 Stab_meas模版测B系 数 在频段1860-1870MHz 内，稳定因子：
K 1, B 0 可判定放大器在工作频 段是绝对稳定的
仿真中也可用 Mu模版测 mu_load系数 MuPrime模版测mu_ source系数 由稳定因子
电源
输入 输入匹 配电路
MRF281S
级间 匹配
MRF18085A
级间 匹配
MRF18085A
输出级
输出匹 输出 配电路
驱动级
中间级
偏置电路
无源偏置网络：电路简单、易于调试
VDD 26V
漏极偏置—26V 栅极偏置—分压电阻分压 射频扼流圈RFC—隔离交流 隔直电容—隔离直流
功率放大器设计报告

功率放大器设计报告

设计报告一、设计指标项目：立体声音频功率放大器的设计与制作项目编号：MNS6-1设计指标：①最大输出功率（单通道）P om≥10W②音频信号源幅度U i（有效值）≤100mV，频率f=0.3~15kHz③最大效率η≥60%④负载（扬声器）阻抗R L=8Ω⑤输出信号失真度THD≤5.0%⑥可实现音量、音调调节及双声道与单声道之间的转换。

⑦高音（15kHz）与低音（0.3 kHz）相对增益最大可控变化比≥12 dB项目：双路直流稳压电源的设计与制作项目编号：MNS7-1设计指标：①输出电压U O=±(12V±0.5V)②最大输出电流I Omax=1A③输出纹波（峰峰值）小于6mV（I Omax=1A时）④其它指标要求同三端式稳压器二、电路整体结构设计结合设计指标的要求，初步确定主体电路结构如下图所示：1、整体电路概述为提高音调调节的效果，采用将低音调节和高音调节分开的方式。

对输入音频信号实施音调调节后，借助于混音开关和音量调整电路，在音量调整的同时实现单声道和双声道的转换。

末级功率放大电路采用两级放大电路，前级采用运算放大电路，与音量调整电路配合，对音频信号进行放大，以确保输入末级功率放大电路的信号强度足够大，从而达到设计指标关于输出功率的要求。

此外还设计了电源电路，为整个功率放大电路提供电源。

2、音调节电路低音调节电路实际是一个低通滤波器（高音调节电路实际是一个高通滤波器），可以实现对低频信号的提升和衰减。

实现音调调节可以通过BJT 或者通过专用集成电路实现。

在本设计中采用借助于运算放大器实现。

常见的音调调节电路的频响特性控制曲线如图1所示：图1 低音音调调节电路为增强音调调节的效果，获得较好的听觉效果，其控制特性曲线一般选择20dB/10倍频程，因此选择f L2＝10f L1，f H2＝10f H1。

结合设计指标的要求，音调调节电路对1KHz 的信号的增益为1，而对30Hz ，15KHz 信号的相对增益最大可控变化比≥12 dB 。

PASS前级

PASS前级

PASS曾经发表了"ZEN单级功率放大器"作为最简设计三部曲的第一部分，它是10W单级单端功率放大器，负载阻抗8欧姆，推荐使用灵敏度94db以上的扬声器。

其输入阻抗4700欧姆，增益15db，推动信号电压为2.5V，因此使用时通常要接一前置放大器。

PASS于是设计了同样是单级单端的前置放大器"Bride of zen"供爱好者参考。

要求如下：较高的输入阻抗（50K欧姆），较低的输出阻抗，增益15db左右，带音量控制，失真小于0.1%。

ZEN功率放大器为保证能带动非线性的阻抗，采用了负反馈来提高阻尼因数，如果不采用负反馈，负载阻抗变化带来的输出电压变化的幅度是很大的（阻尼因数很小）。

而"Bride of zen"在这方面的影响要小得多，因为负载阻抗是基本不变的。

PASS找不到使用负反馈的必要性，因此干脆取消了负反馈。

作为功率放大器的ZEN的功耗是非常大的，约为输出功率的4倍（60W以上），因此解决其散热问题比较麻烦，但"Bride of zen"作为前置放大器的，功耗是很小的，只有1到几瓦特，因此允许使用非常高的偏置来大幅提高性能(MOSFET在高偏置的时候线性非常好)。

另外，ZEN功放是反相的，因此扬声器输出端反接以获得正确的相位，而"Bride of zen"也是反相的，因此使用时要注意把扬声器的极性调换。

关于绝对相位的问题另文有述。

一般的前置放大器的音量控制电位器位于信号输入端，但"Bride of zen"把该电位器放在输出端，这带来至少两个好处，首先是当该电位器调到小音量时其输出噪音也减少了若干倍，其次是信号直接加在MOSFET的输入端，改善了带宽和失真。

该电位器带来输出阻抗也是变化的，大概在0-1500欧姆，PASS认为是无关紧要的，通常的前置放大器如果有这么高的输出阻抗，在使用一些电容量较大的信号线时会引起高端降落和振荡，但"Bride of zen"由于没有负反馈，即使带1000PF的电容，其高端也在100KHZ，而且没有振荡现象。