小功率调幅AM发射机设计报告（河北工业大学）

电子线路课程设计

（小功率调幅AM发射机设计）

姓名:__________ 班级:__________ 学号:__________

同组成员:____________

指导老师： ______ 成绩:___________

理论设计报告

一、摘要：

调幅发射机目前正广泛应用于无线电广播系统中，课题以电子线路课程设计实践教学为应用背景，通过查阅大量教学文献，并结合专业基础课程教学需要，以原教学内容为基础，完成了小功率调幅发射机从设计、仿真到安装、调试等一系列完整设计工作。

文中系统的设计了振荡器、音频放大器、振幅调制器和谐振功率放大器等系统单元电路.文中还简明介绍了调幅技术与调频技术各自的特点，认识了两者在原理与应用上的不同。

当今时代，信息技术发展十分迅猛，产品更新换代步幅更是明显加快，尤其是无线技术创新非常活跃，各类技术加快发展和融合，新技术新应用层出不穷，向社会各部门各领域的渗透日益广泛深入。目前，移动通信、卫星通信、雷达导航、遥控遥测、射电天文等40多种无线电业务已在我国的通信、广播、电视、国防、安全、铁路、交通、航空、航天、气象、渔业、科研等多个行业和领域广泛应用[7]。

调幅技术目前正广泛应用于通信与广播技术中，远距离世界性的信息传播使得调幅技术展现了更大的应用空间，如何更高效率的传播有用信息，而且使信号的失真度达到最小，是下一代调幅技术需要研究的主要方向。调幅技术也是其他通信技术研究的基础，通过研究调幅相关技术，能够对未来通信技术的发展产生更深远的认识。

调幅发射机常用于通信系统与其他无线电系统中，在中短波领域应用极为广泛，由于调幅简便，占用频带窄，设备简单等优点，因此在发射机系统中应用非常广泛。

在实际的广播发射系统中，中波调幅的频率范围为535 ～ 1605 千赫，音

频信号中的高音频率应该被限制在 4.5 千赫以下，发射功率需要达到300W以上才能使空间覆盖面达到比较好的状态，此次设计需要在实验室环境中研究发射机的工作原理与原件选择，因此，根据实验室条件适当降低技术指标，载波频率采用实验室较为常用的6MHz，单音频调制信号选择1KHz，发射机功率初步定为1W。

小功率调幅发射机初步认识

目前，虽然调频技术以及数字化技术突飞猛进，其应用范围覆盖了无线通信技术的80%以上，但是由于小功率调幅发射机具有调制解调电路简单、调试容易、信号带宽窄和技术成熟等优点，因此仍然使其能够在中短波通信中广泛得以应用。课题以电子线路课程设计实践教学为应用背景，在仿真软件与实验室中完成一个完整的调幅发射机，并实现无线电报功能。

发射机的主要任务是利用低频音频信号对高频载波进行调制，将其变为在适合频率上具有一定的带宽，有利于天线发射的电磁波。一般来说，简易发射机主要分为低频部分、高频部分、以及电源部分。高频部分主要包括：主振荡器、缓冲放大级、中间放大级、功放推动级以及末级功放级。低频部分主要包括：话筒、低频电压放大级、低频功率放大级以及末级低频功率放大级等。

小功率相关技术及热点问题分析

1.调幅相关 （1）调幅定义

英文是Amplitude Modulation（AM）。就是载波幅度按照给定调制信号瞬时值函数改变的调制方式。该函数通常是线性的[1]。

（2）调幅特点

一种调制方式，属于基带调制。使高频载波的频率随信号改变的调制（AM）。其中，载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化[2]。

（3）调幅方式

调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号中去，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。这时候在接收端可以把调制信号解调出来，也就是把高频信号的幅度解调出来就可以得到调制信号了[4]。

2.功率放大电路

（1）放大电路的基本原则 1)输出功率大

要求输出功率尽可能大是为了获得较大的功率输出，此时应该让功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作[2]。

2)输出效率要高

由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率其定义式就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高[8]。

3)非线性失真要小

功率放大电路工作在大信号状态下，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，往往其非线性失真越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，不同场合下，对非线性失真的要求也不同，例如，在测量系统和电声设备中，非线性失真就显得重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要了[10]。

（2）放大电路的工作状态 1)甲类放大

在输入正弦信号的一个周期内，都有电流流过三极管，这种工作方式通常称为甲类放大[1]。

2)乙类放大

在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期，三极管的iC > 0 ，称为乙类放大。

3)甲乙类放大

在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上，三极管的iC > 0 ，称为甲乙类放大[4]。

3.技术指标

调幅发射机的主要技术指标：载波频率 ，载波频率的稳定度，输出负载电阻RL，发射功率PA，发射机效率，调幅系数Ma，调制频率F。

（1）发射功率

发射功率一般是指发射机输送到天线上的功率。只有当天线的长度与发射机高频振荡的波长λ可以相比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。波长与频率的关系为：λ= c/f[1]。

若接收机的灵敏度Us=2μV，则通信距离s与发射功率PA的关系式为

?s?km?1.074?PA?mW

（2）工作频

PA/mW s/km 50 2.84 100 3.38 200 4.02 300 4.45 400 4.82 表1-3-1 发射功率与通信距离的关系

(1-3-1)

500 5.08 率或波段

发射机的工作频率应该根据调制方式，在有关部门所规定的范围内选取才可以。对调频发射机，工作频率一般选在超短波（30-300MHZ）范围内；对于调幅发射机一般在中频（0.3-3MHZ）和高频（3-30MHZ）范围内[2]。

（3）总效率

发射系统发射的总功率与其消耗的总功率之比称之为发射系统的总效率，即

?A?PA/Pc?(1-3-2)

二、 课题的研究任务和内容

（1）小功率调幅发射机设计包括载波振荡电路、低频单音振荡电路（电报功能）、音频放大电路、振幅调制电路、带通滤波电路、缓冲放大电路和丙类功率放大电路的设计；

（2）设计指标： 载波频率：fc=10MHz（或6MHz）单音调制调幅度：Ma≥0.8，音频调制平均调幅度Ma=0.3； 无源带通滤波电路中心频率为载波频率，40dB带宽为9KHz， 丙类功率放大电路的等效天线负载阻抗：RL=50Ω；发射功率：Po≥200mW；效率：ηc≥50％以上。 电源电压：Vcc=+12V.

三、方案设计与单元电路形式选择

简易的调幅发射机就是利用模拟乘法器将话筒输入的音频信号加入到主振

级产生的高频载波信号中，再经过谐振功率放大器的作用，将已调信号进行功率放大，最后由天线辐射到空间进行传播。

四、对发射机的总体方案设计

根据设计要求，要求工作频率为10MHz，输出功率为1W。由于输出功率小，因此总体电路具有结构简单，体积较小的特点。其总体电路结构可分为载波振荡电路；单音振荡电路（电报功能）；音频放大电路；振幅调制电路；带通滤波电路；缓冲放大电路等。

五、单元电路形式选择

1.本机振荡电路

振荡电路选择要根据载波频率的高低和频率稳定度来确定，在频率稳定度要求不是很高的情况下，可以采用电容反馈式振荡电路，如克拉泼电路，希勒电路等。在频稳度要求较高的情况下，一般可以选用晶体振荡电路，也可以选用单片集成电路。本机设计要求频稳度要达到10exp(-4)，一般的lc振荡电路频稳度约为10-2~10-3，达不到设计要求，因此由于本机频稳度要求较高，可以采用晶振作为主震级振荡器，从而可以达到较高的频率稳定度[1][2][5]。

2.高频电压放大器

高频电压放大器的主要作用是将振荡电路产生的震荡电压放大到一定程度后送到振幅调制器，可以选用高频谐振放大器。具体需要几级放大器需要看振幅调制器所选用的电路类型。当选用集成模拟乘法器作为振幅调制器时，由于输入信号要求为小信号，因此当输出电压能够满足要求是，可以考虑不用外加高频电压放大器。但如果采用集电极调幅电路，就要另加一至二级高频电压放大器，用来满足集电极调幅电路的大信号输入。为简便起见，本机调幅器采用模拟乘法器MC1496进行调幅[4]。

3.振幅调制电路

振幅调制器的任务是将所需传送的信息“加载”到高频震荡电压中，从而以调幅波的形式将已调信号发射出去。通常调制分为低电平调制和高电平调制，采用模拟乘法器实现调制的方法是属于低电平调制，低电平调幅电路具有输出功率小的特点，适用于功率较低的系统。模拟乘法器的出现，使高质量的调幅信号的产生变得很简单，而且成本也很低，因此本机采用模拟乘法器MC1496构成调幅

电路[6]。

4.功率激励级

由模拟乘法器调制电路输出的已调信号较小，不能满足末级功放的输入要求，因此，要在模拟乘法器后边加上功率激励级来放大已调调制的信号功率，从而满足后级电路的输入要求[7]。

5.功率放大级

功率放大器是调幅发射机的最末级，它的主要任务就是要发射出发射机设计指标所要求的输出功率。本机所设计的为小功率调幅发射系统，通常采用丙类谐振功率放大器，如果一级放大器不能满足要求，可以选用两级或者三级[2]。

6.传输线与天线

天线的主要作用是把已调制的高频信号变成电磁波，辐射到空间去，从而实现无线电的发射功能[6]。

由于无线设备本身的传播距离的限制，因此，若想达到比较理想的传播距离，必须外接天线[6]。这里面就必须涉及到两个概念：

（1）频率范围

频率范围指的是天线的工作频段，这个参数决定了它适用于哪个无线标准的无线设备[6]。

（2）增益值

增益值表示天线的功率放大倍数，增益值越大代表对输入信号的放大倍数越大，传输质量也就越好[6]。

六、单元电路的设计与仿真

发射机的主要任务是要完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽，适合通过天线发射的电磁波。

发射机一般分为三个部分：高频部分，低频部分和电源部分[3]。

高频部分一般包括：主振荡级，缓冲放大级，中间放大级，功率推动级以及末级功放级。

低频部分一般包括话筒，低频电压放大级，低频功率放大级和末级低频功率放大级。低频信号通过各级放大级的层层放大，最终在末级功放处获得所需的功

[2]

率电平，从而可以对高频功率放大器进行调制。

采用典型的调幅发射机设计方案即可达到设计指标的要求，发射机的主要单元电路见下图（图3-1）：

主振器 缓冲器 图3-1 发射机的主要单元电路 高频功放 放大级 振幅调

图中各部分主要作用为： 话筒 音频放大 主震级：有晶体振荡器产生频率为10MHz的震荡载波信号。 缓冲级：将晶体震荡级与振幅调制级隔离，减少振幅调制级对晶体震荡器的干扰。

音频放大：将话筒发出的信号放大到调制电路所需要的调制电压。 振幅调制级：将音频信号加入到高频载波中，从而产生调幅波。 高频功放：对信号进行功率放大，加入到天线中，从而向空间辐射。

七、（1）主振级与小信号电压放大级的设计

主震级是调幅发射机的核心部件，其性能的好坏直接影响到发射信号的质量，因此，主震级产生的载波信号必须有较高的频率稳定度和较小的波形失真度，本机主振级备选方案可以有三种， RC正弦波振荡器，石英晶体振荡器，三点式LC正弦波振荡器等。

方案一：采用石英晶体振荡器，石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，在选择合适的偏置电路的情况下，频稳度可达到10-11数量级，而且，其工作状态稳定，波形失真度也比较小，因此，在频稳度要求较高的电路中，可以选用石英晶体振荡器作为主振级。

方案二：采用RC正弦波振荡器，由于RC振荡器主要是由电阻和电容组成的，在电路中并没有谐振回路，因此，RC振荡器不适合于作为高频振荡器。

方案三：采用LC三点式正弦波振荡电路，三点式振荡电路有电容三点式和电感三点式之分，相对来说，电容三点式的输出波形相对电感三点式要稳定，且频率变化不会改变电抗的性质，因此振荡器一般都采用电容三点式形式。在频率稳定度要求不是很高的情况下，可以采用普通的电容三点式振荡电路，如克拉泼电路和西勒电路。LC回路由于受到标准性和品质因数的限制，其频稳度一般只

能达到10-4数量级。

为使整机电路简单并且频稳度度较高，本机采用石英晶体振荡器。 石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是二氧化硅。石英晶片所以能做成谐振器，是基于他具有压电效应的原理。晶片的固有机械震动频率又称为谐振频率，其值与晶片的几何尺寸有关，具有很高的稳定性[19]。

石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作为滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。与LC谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英

图3-1-1 主振级单元电路

晶体振荡器具有较高的频率稳定度，采用高精度和频稳措施后，石英晶体振荡器可

以

达

到

10-4-10-9

的

频

率

稳

定

度

参数计算：

（2）缓冲隔离级的设计

为了减小调制级对主震级的影响，需要采用加入缓冲级的方法。在缓冲隔离级的选择上不论是在低频电路还是高频电路的整机设计中，缓冲隔离级常采用射极跟随器电路[1]。调节射极电阻Rp1，可以改变射极跟随器输入阻抗。如果忽略晶体管基极体电阻rb'b的影响，则射极输出器的输入电阻Ri为Ri=RB'//βRL' ，式中，RL'=(R6+Rp1)//Rp2,RB'=R4//R5，输出电阻Ro为 Ro=(R6+Rp1)//r0 。式中，r0很小，所以可将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源[3]。缓冲隔离级单元电路图（图3-2-1）如右：

参数计算：

（3） 语音放大级电路设计

语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大后的语音信号送入调制级对高频载波信号进行调制，本机采用LM386进行语音功率放大。电源由6脚引入，4脚接地，8脚与地之间接有源滤波退耦电容C7。信号由3脚引入，经放大后由1脚经输出电容C8送到受调放大级。3脚到地之间接入C6和RP4组成负反馈电路，决定放大倍数的大小。RP4越小，电路增益越高；反之，增益越小

[9]

。语音放大级单元电路图（图3-3-1）如右:

图3-3-1 语音放大级电路

参数计算：

（4） 幅度调制电路的设计

所谓振幅调制就是用被传输的低频信号去控制高频振荡器，使其输出信号的幅度随着低频信号的变化而变化，从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带并有效进行远距离传输的目的。完成这种调制过程的装置称为振幅调制器

图3-3-2 音频放大器输出波形模拟图

。

振幅调制（AM）就是用低频信号（调制信号）U?(t)去控制高频载波Uc(t)的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比变化。调制过程如图所示：

（a）调制信号波形 （b）载波信号波形 （c）Ma＜1时的已调波形 （d）Ma=1时的已调波波形 （e）Ma＞1时的已调波波形 图3-4-1 调幅波调制过程

(1)普通调幅信号的数学表达式

为了突出基本概念，简化分析，假设调制信号为单频等幅余弦波，即

U?(t)?U?mcos?t （3-4-1）

设载波电压为

Uc(t)?Ucmcos?ct （3-4-2）

通常载波频率远远大于调制频率，即满足?c》?，根据调幅的定义可直接写出调幅波的表示式

UAM(t)?U(t)cos?ct?Ucm(1?macos?t)cos?ct （3-4-3）

（2）调幅度的定义

调幅度（又称调制度或调制指数）反映了调制信号对高频载波幅度的控制能力，它是?Uc?kaU?m与载波振幅之比，即

ma??UckU?a?m （3-4-4） UcmUcm式中，ka为比例常数。但在实际测量中并不利用此公示计算，一般采用波形测量的方法，如右图（图3-4-2）所示，Ucm(1?macos?t)是包络函数，它反映了调幅信号包络线

UmUB A 图3-4-2 普通调幅波波形

的变化。因此，在调制信号的一个周期内调幅信号的最大振幅为

Ucmmax?Ucm(1?ma)，最小振幅为Ucmmin?Ucm(1?ma)，由此可得调幅度，

ma?Ucmmax?Ucmmin （3-4-5）

Ucmmax?Ucmmin由上式可得调幅度还可以表示为

ma?A?B?100% （3-4-6） A?B式中，A?2Ucmmax；B?2Ucmmin。

为了使调幅波不失真，即高频振幅能真实的反映调制信号，ma应小于或者等于1.如果ma?1，则产生过调制，如上边（e）图所示，实际中应该避免产生过调幅。

根据设计指标的要求以及为了最大程度的减小各极间的干扰，本机采用模拟乘法器作为调幅电路，模拟乘法器的出现，使高质量的调幅信号的产生变得很简单，而且成本也很低。幅度调制单元电路图（图3-4-3）如右：

根据设计要求的工作电压以及模拟乘法器的工作特性设置静态工作点。乘法器的静态偏置电流主要由内部恒流源Io的值来确定,Io是第5引脚上的电流I5的镜像电流，改变电阻R25可调节Io的大小。 参数计算：

（5） 高频谐振功率放大器的设计

谐振功率放大器的设计原理

高频功率放大器是各种无线电发射机的重要组成部分，其工作频率较高，相对宽带也比较窄，一般都采用LC谐振网络作为负载构成谐振功率放大器。由于谐振网络频率调节困难，因此谐振功率放大器主要用来放大固定频率或窄带信号，所以谐振功率放大器也称为窄带高频功率放大器[15]。

高频功率放大器一般多用于发射机的末级电路，其电流消耗往往要占到整机耗电量的绝大部分，所以功率放大器工作状态的优劣以及工作效率的高低就相当重要。为了提高效率，谐振功率放大器通常工作在丙类。 1.谐振功率放大器的工作原理 （1）电路组成

谐振功率放大器的原理如图所示，除电源和偏置电路外，它由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采用平面工艺制作的

NPN高频大功率晶体管，他能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率ft。晶

i体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流b，ibii控制了较大的集电极电流c，c流过

图3-5-1 晶体管高频功率放大器原理图

谐振回路产生高频功率输出，从而完

成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。如前所述，为了使高频功放以高效率输出大功率，常选在丙类状态下工作，为了保证在丙类工作，基极偏置电压

Ubb应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入

激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达到1~2V,，甚至更大。也就是说，晶体管工作在截至和导通（线性放大）两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是，高频功放选用谐振回路作负载，即保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是

周期性的高频脉冲其频率分量除了有用分量（基波分量）外，还有谐波分量和其他频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放以高效率输出大功率[17]。 （2）电压电流波形 当基极输入一余弦高频信号和发射级之间的电压为

uBE?VBB?ui?VBB?Uimcos(?t)

ui（a）

后，晶体管基极

其波形如图（a）所示。当

ube的瞬时值大

时，晶

（b）

于基极和发射极之间的导通电压

UBE(on)i体管导通，产生基极脉冲电流b，如图（b）

所示。基极导通后，晶体管便由截止区进入放

ii大区，集电极将流过电流c，与基极电流b相ii对应，c也是脉冲形状，如图（c）所示。将c（c）

ic?Ico?Ic1mcos(?t)?Ic2mcos(2?t)???Icnmcos(n?t)用傅里叶级数展开，得

式中，

Ic1m,Ic2m...IcnmIco为集电极电流直流分量，

分别为集电极电流的基波，二次

谐波及高次谐波分量的振幅。

当集电极回路调谐在输入信号频率ω上，即与高频输入信号的基波谐振时，谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻。对其他各次谐波

而言，回路失谐而呈现很小的电抗并可看成短路。直流分量只能通过回路电感线

（d）

图3-5-2 电流电压波形（a）（b）（c）（d）

圈支路，其直流电阻较小，对直流也可看成短路。这样，脉冲形状的集电极电流

ici，或者说包含有直流，基波和高次谐波成分的电流c流经谐振回路时，只有基

波电流才产生压降，因而LC谐振回路两端输出不失真的高频信号电压。若回路谐振电阻为Re，则

uc??Ic1mRecos(?t)??Ucmcos(?t)Ucm?Ic1mRe （3-5-1）

式中，Ucm为基波电压振幅。所以，晶体管集电极和发射极之间的电压为

uCE?VCC?uc?VCC?Ucmcos(?t) （3-5-2）

其波形如图（d）所示。

可见，利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极脉冲变换为不失真的余弦电压输出。同时，谐振回路还可以将含有电抗分量的外接负载变换为纯电阻Re。通过调节L,C使并联回路谐振电阻Re与晶体管所需集电极负载值相等，实现阻抗匹配。因此，在谐振功率放大器中，谐振回路除了起滤波作用外，还起到阻抗匹配的作用[23]。 （3）输出功率与效率

由于输出回路调谐在基波频率上，输出电路中的高次谐波处于失谐状态，相应的输出电压很小，因此，在谐振功率放大器中只需研究直流及基波功率。放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在负载Re上的平均功率，即

2Ucm112po?Ic1mUcm?Ic1mRe?222Re （3-5-3）

集电极直流电源供给功率PD等于集电极电流直流分量Ico与Vcc的乘积，即

PD?Ico?VCC （3-5-4）

集电极耗散功率Pc等于集电极直流电源供给功率PD与基波输出功率Po之差，即

Pc?PD?Po （3-5-5）

放大器集电极效率?c等于输出功率Po与基波供给功率PD之差，即

?c?Po1Ic1mUcm （3-5-6） ?PD2IcoVCC丙类工作状态的谐振功率放大器的效率很高，当电流导通角??60。时，效率可达90%，随着?的减小，效率还会进一步提高。但是?也不能过小，因为此时为了达到一定的输出功率，所要求的输入激励信号电压ui的幅值将会过大，从而对前级提出过高的要求。所以，谐振功率放大器一般取?为70度左右[24]。 2谐振功率放大器的性能特点 （1）谐振功率放大器的工作状态

在丙类谐振功率放大器中，根据晶体管工

作是否进入饱和区，可将其分为欠压临界和过压工作状态。将不进入饱和区的工作状态称为欠压，其集电极电流脉冲形状如图中曲线①所示，为顶尖余弦脉冲。将进入饱和区的工作状态称为过压状态，其集电极脉冲形状如图中曲线③所示，为中间凹陷的余弦脉冲。如果晶体管工作刚好不进入饱和区，则称为临界工作状态，其集电极电流脉冲形状如图中曲线②所示，虽然仍为尖顶余弦脉冲，但顶端变化平缓。在谐振功率放大器中，虽然三种状态下集电极电流都是脉冲波形，由于谐振回路的滤波作用，放大器的输出电压仍为没有失真的余弦波形[25]。

? 欠压状态

根据丙类谐振功率放大器的工作原理可知，基极电压最大值uCEmax与集电极电压最小值uCEmin出现在同一时刻，所以只要当uCEmin比较大（大于uBEmax），晶体管工作就不会进入饱和区而工作在欠压状态。由于uCEmin?VCC?Ucm，可见输出电压的幅值Ucm越小，uCEmin就越大，晶体管工作就不会进入饱和区。

? 临界状态 增大

Ucm图3-5-3 放大器的工作状态

，uCEmin就会减少，可使放大器在

uCE?uCEmin时工作在放大区和饱

和区之间的临界点上，晶体管工作在放大区和截止区，所以集电极电流仍为尖顶余弦脉冲。

? 过压状态

由于谐振功率放大器的负载是谐振回路，有可能产生较大的Ucm（例如谐振回路Q值比较大），uCEmin很小（小于uCES），致使晶体管在?t?0附近因uCE很小而进入饱和区。因为在饱和区晶体管集电结被加上正向电压，uBE的增加对ic的影想很小，而ic却随uCE的下降迅速减小，所以使得集电极电流脉冲顶部产生下凹现象。Ucm越大，uCEmin越小，脉冲凹陷越深，脉冲的高度越小。 （2）负载特性

当放大器中直流电源带电压VCC，VBB及输入电压振幅Uim维持不变时，放大器的电流、电压、功率与效率等随谐振回路谐振电阻Re变化的特征，称为放大器的负特征。负特性是频功率大器的要特性

载载高放重之

一。根据谐振功率放大器工作状态的分析可知，当VCCVBB及Uim不变，负载Re变化时，就会引起放大器输出电压Ucm的变化，从而使放大器的工作状态发生变化。

由图中的负载特性可以看出高频功放各种状态的特点：临界状态输出功率最大，效率也较高，通常应选择在此状态工作。过压状态的特点是效率高，损耗小，并且输出电压受负载电阻RL的影像较小，近似为交流恒压源特性，但由于效率低，并且集电极损耗大，一般不选择在此状态工作。在实际调整中，高频功放可能会经历上述各种状态，利用负载特性就可以正确判断各种状态，已进行正确的调整。

谐振功率放大器的设计过程 1.电路的基本原理[1]

高频功率放大器是一种能量转换器件，它的主要作用是将电源的直流转换成高频交流输出，通信线路中应用的高频功率放大器，按其工作频带的宽窄可以分

为窄带和宽带。由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带又比较窄，所以工作时一般采用选频网络作为负载回路。

一般把集电极电流导通时间相对应的角度的一半称为集电极电流的导通角，当导通角等于180°表示管子在整个工作周期内全部导通，称为放大器工作在甲类状态，当导通角等于90°表示放大器在工作期间的半个周期内导通，称为放大器工作在乙类，当其导通角小于90°表示管子的导通时间小于半个周期，称为放大器工作在丙类状态。 2电路原理图：

丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因为欠压状态的工作效率较低，而过压状态的又会产生较为严重的失真，所以一般选用让其工作在临界状态。在晶体管功率放大器中，一般可以通过改变激励电压、基极偏压、集电极负载、集电极直流供电电压来改变放大器的工作状态。

由于输出功率要求Po≥1W，因此功放可采用甲类或者丙类功率放大器，但由于总效率要求η≥50%，显然，只采用一级甲类功放是达不到要求的，故采用两级功放电路，第一级采用甲类功率放大器作为激励级，第二级采用丙类功率放大器，其中甲类功放选用的晶体管为3DG12，丙类功放选择的晶体管为3DA1。 其参数的设定标准为：

功放的基极偏置电压-UBE是利用发射极电流的直流分量IEO在射级电阻RE2上产生的压降来提供的，故将其称为自给偏压电路。当放大器的输入信号Ui为正弦波时，则在集电极输出波形为电流为Ic的余弦脉冲波。利用谐振回路的选频作用可使输出基波谐振电压为UC1，电流为IC1.

图3-5-5 高频功率放大器电路图

当功率放大器的电源电压为+Ucc，基极偏置电压Ub，输入电压（或激励电压）Ubm确定后，如果电流导通角θ选定，则放大器的工作状态就只取决于集电极回

路的等效负载电阻Rq。

当交流负载线正好穿过静态特征曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和管压降UCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。

整个电路的原理图（图3-5-5）见右： 丙类谐振功率放大器的设计 （A）确定放大器的工作状态

为获得较高的效率η和最大的输出功率Pe，功放的工作状态应选为临界状态，取θ=70度，可得此时集电极的等效负载电阻

(Vcc?Vces)2(Vcc?Vces)2Rq???552Pc2Po

其中Vcc=12V，Vces=1.5V，Pc=Po=1W。 集电极基波电流振幅为

Ic1m?2Pc?190mARq

集电极电流脉冲的最大值

Icm?Ic1m190mA??432mAα10.44

直流分量为

Ico?Icm?α0?432?0.25?108mA

电源供给的直流功率为

PD?Vcc?Ico?1.3W

集电极的耗散功率为

PW c'?PD?PC?0.3集电极的效率

Pc/Pd=64%

若设末级功率增益Ap=13dB（20倍），则输入功率

Pi?PoP?c?50mW APAP基极余弦脉冲电流的最大值（设晶体管3DA1的β=10）

IBM?ICM?43.2mA 基极基波电流的振幅

IB1M?IBM?α1?19mA

输出电压的振幅

VBM?2Pi?5.3V IB1M（B）计算谐振回路及耦合回路的参数

丙类功放的输入输出耦合回路均为高频变压器耦合方式，其输出阻抗Zi可计算如下：

rb'bZi??86（1?cosθ）α（1θ）

输出变压器线圈匝数比为

2PCR1N32?1?51???0.86 N1VC1M12?1.5取N3=7，N1=8。

若取集电极并联谐振回路的电容C=100pF，得回路电感为

2.53?104L?uH?10uH 2(fo)C若采用10*6*5的铁氧体来绕制输出耦合变压器，则可计算出总线圈的匝数为N2，即

A22L?4?uN2?10?3uH

I2则N2=8

（C）基极偏置电路参数计算

基极直流偏置电压

VB?Vj?VBMcos ?1.1V

射级电阻

RE2?取高频旁路电容为CE2=0.01uf。 （3）宽带功率放大器(激励级）设计 （A）计算电路参数

VB?10? ICQ宽带功率放大器的输出功率应等于下级的丙类功率放大器的输入功率，并且其输出负载应等于丙类功放的输入阻抗。

设高频变压器的效率为η=0.8.则功放集电极的输出功率为

PC?取功放的静态电流Icq=Icm=7mA

Ph?60mW η则集电极电压的振幅Vcm及等效负载电阻Rh’分别为

Vcm?'Rh?2PC?8.9VICMV?1.3K2PC2cm

射级直流负反馈电阻

RE1?Vcc?Vcm?Vces?360Icq

高频变压器匝数比为

N1'ηRh'??3N2'Rh

取次级匝数N2’=2，则初级匝数N1’=6.

激励级功放采用3DG12晶体管，设β=30，取功率增益为Ap=13dB（20倍）， 则输出功率为

Pi?PC?1.55mW AP功放的输入阻抗为

Ri?rb'b? R3?325?

取负反馈电阻R3=10Ω 则本级输入电压的振幅为

Vim?2RiPi?1.4V

（B）计算静态工作点

由上述计算结果得到静态时晶体管的射级电位为

VEQ?ICQRE1?2.5VVBQ?VEQ?0.7V?3.2VIBQ?ICQ/β?0.23mA

取基极偏置电路的电流I1=5IBQ，则

R2?VBQ5IBQ?2.8K

R1?Vcc?VbqRB2?8.25KVbq

试验调整时取R1=5.1K+10K的电位器。取高频旁路电容为CE1=0.02uF,输入耦合电容为C1=0.02uF。

高频电路的电源去耦合滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，如下图所示，L10，L20可按经验取50uF~100uF，C10，C20，C11，C21按经验取0.01uF。L10，L20可以采用色码电感，也可以采用环形磁芯绕制。此外，还可以在输出变压器的次级与负载Rl之间插入LC滤波器，以改变R1上的输出波形。

将上述设计计算的原件参数按照上图（图3-5-5）进行安装，然后逐级进行调试。先安装一级调整一级，然后安装第二级在调试第二级，两级安装完后，两级在进行联调。

八、谐振功率放大器的调整

1.谐振状态的调整

设计并计算高频谐振功放的前提是假定谐振回路已处于谐振状态，即集电极的负载阻抗为纯电阻。但回路的初始状态或者在调谐过程中，可能会出现回路失谐的状态，即集电极回路的阻抗呈感性或者呈容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极的输出电压将减小，集电极电流也随之增大，从而导致集电极的耗散功率将增加，严重时还会损害晶体管。为保证晶体管安全工作，进行调谐时，可

以先将电源电压+Vcc降低到规定值的1/2~1/3，等找到谐振点后，再将+Vcc升到规定值，在回路谐振时，示波器检测的波形应为不失真波形[13]。 2.寄生振荡极其消除办法

寄生振荡是高频功率谐振放大器应用过程中经常出现的现象，常见的寄生振荡有以下两种：

（1）参量自激型寄生振荡

当功放的输出电压Vcm足够大时，功放的动态工作点就可能进入参量状态，这时晶体管的许多参数将随着工作状态而改变，如集电结电容Cb'c的变化就特别明显，将产生许多新的频率分量存在于晶体管的输出和输入端，其中某些频率分量由于相位和幅度比较合适，从而形成了自激震荡。对输出波形影响较大的有1/2

图3-6-1 1/2基波的影响

基波频率和3倍频自激，右图（图3-6-1）所示为1/2基波频率功放输出端的合成波形。

参量自激震荡的特点是必须要在外加信号的激励下才能够产生，因此断开激励信号观察震荡是否继续存在是判断是否存在自激型寄生震荡的有效方法。消除参量型寄生振荡的常见方法是在基极或发射极接入防振电阻或引入适当的高频电压负反馈，如果可能的话，可以适当减小激励信号电平[6]。 （2）反馈型寄生振荡

反馈型寄生震荡分为低频寄生震荡和高频或超高频寄生震荡，低频寄生震荡的频率低于放大器的

工作频率，高频寄生振荡的频率高于放大器的工作频率。下图（图3-6-2）表示出叠加入低频自激后的输出波形。

低频寄生振荡一般是由功放输入输出回路中的分布电容引起的，消除办法是设法破坏他的正反馈支路，例如减小基极回路线圈电感量或串入电阻Rf，降低线圈的Q值等。

高频寄生振荡一般由电路的分布参数（分布电容，引线电感）影响造成的。消除高频寄生振

图3-6-2 低频寄生振荡的影响

荡的有效办法是尽量减小引线的长度，合理布局元器件或基极回路接入防振电阻等[6]。

单元电路调试与整机统调

整机电路的设计计算顺序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。而电路的装调顺序一般从前级单元电路开始，向后逐级进行。电路的调试顺序为先分级调整单元电路的静态工作点，测量其性能参数，然后再逐级进行联调，直到整机[9]。

主振级调试

按设计的电路安装好本振级后，调整晶体管的工作点，使震荡管电流为3mA左右，适当调整C1，使输出频率维持在6MHz左右，幅度置为40mV，波形为正弦波。此部分单元电路调试时，最好先断开与后级调制电路的接线，以免后级调制电路对主振级造成影响，将此单元电路调试好后，在把电路产生的标准的正弦波输送到调制级以供后级进行调制和功率放大。

晶振级与缓冲级联调时可能出现缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是缓冲隔离级的输入阻抗比较小，从而使主振级负载较重。此时，可通过调节缓冲隔离级的射级电阻RP1来提高缓冲隔离级的输入阻抗，也可以减小主振级和缓冲级的耦合及减小C4来调整输出波形。

信号调制级调试

本机调制级主要采用MC1496进行模拟信号的调制，为使MC1496工作在最佳状态，并且使输出已调信号失真度更小，在MC1496周边需外加调平衡电路，调制部分的作用主要是将低频的音频信号加载到高频载波中去，从而增大有用信号的功率，再通过天线辐射到空间中去，此部分的调试，一般是通过改变输入音频信号的幅度来调节输出已调信号的调幅度。调节电路中的RP3即可达到调节输入音频信号幅度大小的目的，改变音频信号大小得到尽可能大的调幅度Ma（注意防止产生过调幅失真），测得调幅度大小满足设计指标要求后，将已调信号输送到后级进行功率放大，进而通过天线辐射到自由空间中去[26]。

功率放大级调试

功率放大级的主要作用是将前级产生的已调信号进行功率放大，先通过激励级（甲类谐振功率放大级）进行电压的放大，然后再加入丙类谐振功率放大器进行功率的放大，在此电路调试中难点在于线圈的绕制，不恰当的绕制方法或者错误的线圈绕制匝数可能会造成输出波形失真或者杂波较多，因此，需要根据实际情况进行线圈匝数的调节以及相应绕制方法的变动[18]。

另外，功率放大器工作不正常时可能会出现严重自激，功放自激时集电极电流会突然增大至上百毫安以上（正常工作时集电极电流在40~50mA以下），这时功放管发热严重，时间长了很可能就会烧坏，因而必须时刻注意防止功率放大器产生自激。自激的原因是多方面的，比如分布参数大，布线不合理，电感线圈绕的不规则，晶体管性能不佳，信号过大，波形失真，输入电路匹配不佳，没有完全调谐等都会造成自激。为了消除或者防止自激，一般电路调整时应先将电源电

11压降低到正常工作的或者使用，信号应调到较小的数值，谐调时注意选择匹

32配状态。为了消除自激现象在功率放大器基极电路和集电极电路中可串接小电阻，待电路正常工作后慢慢升高信号电压和电源电压。功率放大器最终调整到等效负载为51Ω时得到一定的电压值为止。

功率激励级与功率放大级联调时，往往也会出现高频自激、输出功率较小、波形失真较大等现象。产生的原因可能是级间通过电源产生串扰或是甲类功放与丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。这可在每一级单元电路的电源上加低频或高频去耦电路，以消除来自电源的串扰，也可以重新调整谐振回路，使回路谐振[19][20]。

整机统调

由于将最后一级接上后，输入阻抗值不再等于之前的假负载的阻抗值，因而可能会产生回路失谐的情况，所以还要进行统调工作。重新对可变电容进行调整，重复改变耦合电容，直至达到要求为止。调好后，接入调制信号，观察调幅波形，改变音频信号发生器输出电压，使音频电压幅值变化，观察包络的变化，在调制过程中还可能出现输出波形不纯，存在谐波分量的问题，因而还需要返回前级重新调节。

主要技术指标测试方法

（1）输出功率 在末级负载RL上输出的最大不失真的功率即为高频功放的输出功率。如总电路图所示，负载RL与丙类谐振功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合连接方式，从而能够实现阻抗匹配的作用，集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率，所以可以将集电极的输出功率视为高频功放的输出功率，

1121VC21MP0?Vc1mIc1m?IC1MR0? （4-5-1）

222R0测量功放主要技术指标的电路如图4-5-1所示，其中高频信号发生器提供激励信号电压与谐振频率，示波器检测波形失真，直流毫安表测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载RL的端电压，只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。可以通过高频电压表V及直流毫安表mA的指针来判断集电极回路是否谐振，即电压表V的指针为最大值，毫安表mA的指针为最小值时集电极回路处于谐振状态（或用扫频仪测量）。

放大器输出功率可以由下式计算：

VL2 （4-5-2） P0?RL式中，VL为高频电压表V的测量值。

（2）效率 功放的能量转换效率主要由集电极的效率所决定，所以常将集电极的效率视为高频功放的效率，用?表示，即

??PC （4-5-3） PD图4-5-1所示电路可以用来测量功放的效率，集电极回路谐振时，?的值由下式计算：

PCRL? （4-5-4） PDICOVCCVL2??式中，VL为高频电压表的测量值；ICD为直流毫安表的测量值。

（3）功率增益 功放的输出功率P0与输入功率Pi之比称之为功率增益，用符号Ap表示，

Ap?Pc （4-5-5） Pi元器件清单

元件名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 可变电阻 可变电阻 可变电阻 可变电阻 瓷片电容 滑动电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 电解电容 可变电容 可变电容 高频扼流圈 元件符号 R R R R R R R R R R R R C C C C C C C C C C C C Z 元件参数 50Ω 90KΩ 10KΩ 1KΩ 7.9KΩ 1.5KΩ 7.5KΩ 12.5KΩ 50KΩ 500Ω 1KΩ 390Ω 0.033uF 20PF 8PF 0.01uF 30pF 0.022uF 20pF 150pF 300pF 10uF 3~30pF 5~20pF 100uH 元件数目 1 1 4 2 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 2 晶体管 晶体管 集成运放 晶振 Q Q U Y 3DA1B 9018 UA741 10MHz 1 2 1 1

结 论

小功率调幅发射机普遍应用于无线电电台设备中，由于其发射设备以及接收设备相对于调频来说都非常简单易用，因此广泛应用在中短波广播领域。

通过本次设计主要学习和完成了以下任务：

（1）理解了调幅技术与调频技术在广播通信中的应用。在广播通信中，调幅与调频各占半壁江山，应用于不同的频段范围，他们各有各的优缺点，不能相互代替，因此既有调幅中、短波广播，又有调频超短波广播。

（2）由于时间有限以及经验上的不足，加之对当今正在应用中的最新技术没有了解，设计方案没有达到最佳，部分单元电路仍限制在以往学到的基础知识之上，没能进行扩展和创新。因此，在以后的学习生活中，应特别注重联系实际，从实际中学习先进知识，然后研究发现更先进的知识应用到现实中去。

参考文献

1）电子线路，谢嘉奎，高教出版社，2002

2）高频电子线路实验与课程设计，杨翠娥，哈工大出版社 3）高频电子线路辅导，曾兴雯，西科电出版社，2001 4）高频电子线路学习与解题指导，陈昌汉，哈工大出版社 5）微电子电路分析与设计，Muhammd H. Rashid，科学出版社（英文影印版），2002

6）电子线路实践，王尧，东南大学出版社，1999

7）电子线路设计应用手册，张友汉，福建科学技术出版社

8）电子技术仿真实验教程，朱力恒，电子工业出版社，2003 9）电子技术基础实验与课程设计，高吉祥，电子工业出版社

实验报告

一、实验目的

成功焊好电路板，并得出正确的实验波形

二、需用仪器设备

镊子，锡丝，焊烙铁，电路板，钳子等各种元器件

三、实验结果

根据设计指标的要求晶体振荡电路如下所示，晶振，C1，C2，C3与T1构成改进型电容三点式振荡电路，振荡频率由晶振的等效电容和等效电感决定。电路中的T1静态工作点由R1R2和R3决定，在设计静态工作点时，应首先决定集电极电流Icq，一般都取0.5mA~4mA，Icq过大会引起波形失真，有时还伴随产生高次谐波[6]。

11设晶体管β=60，Icq=2mA，Veq?(~)Vcc，由三极管的回路计算方法可推算出

23R1=150kΩ，R2=100Ω，R3=3kΩ。晶体震荡级与小信号放大级联合电路图如图（图3-1-1）所示[3]：

此电路中主震级工作在较低的6MHz的频率上，一般晶体振荡器都能达到要求，且具有一定的输出电压，而且频率稳定度较高，无需进行倍频[3]。

频率输出需要通过C1微调，使震荡频率稳定在6MHz。R1 、R2和RP0构成分压式偏置电路，C2和C3的串接电容直接并接在晶体两端，为晶体的负载电容。主震级的模拟仿真结果如下（图3-1-2和图3-1-3）所示，

取VCEQ=6V，ICQ=4mA，若晶体管电流放大倍数β=60，则R6+Rp1=VEQ/ICQ=1. 5kΩ，取R6=1kΩ的电阻，Rp1=1kΩ的电位器。IRB≈10IBQ，IBQ?R4?ICQβ，

Vcc?VbqRb2?8.5kVeqVeqβ（Vcc?Vceq?0.7)R5???10K10Ieq10Icq

估算功率激励级的输入阻抗为335Ω，即射随器的负载电阻Rp2=335Ω，并可计算出射随器的输入电阻Ri，即

'RBRi??3.6KΩ

βR'L输入电压Vi为

Vi? PiRi?2.1V语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大后的语音信号送入

调制级对高频载波信号进行调制，本机采用LM386进行语音功率放大。电源由6脚引入，4脚接地，8脚与地之间接有源滤波退耦电容C7。信号由3脚引入，经放大后由1脚经输出电容C8送到受调放大级。3脚到地之间接入C6和RP4组成负反馈电路，决定放大倍数的大小。RP4越小，电路增益越高；反之，增益越小[9]。语音放大级单元电路图（图3-3-1）如右:

音频放大器输出波形模拟图（图3-3-2）如下[5]：

为了使调幅波不失真，即高频振幅能真实的反映调制信号，ma应小于或者等于1.如果ma?1，则产生过调制，如上边（e）图所示，实际中应该避免产生过调幅。

根据设计指标的要求以及为了最大程度的减小各极间的干扰，本机采用模拟乘法器作为调幅电路，模拟乘法器的出现，使高质量的调幅信号的产生变得很简单，而且成本也很低。幅度调制单元电路图（图3-4-3）如右：

图3-4-3 调幅电路

根据设计要求的工作电压以及模拟乘法器的工作特性设置静态工作点。乘法器的静态偏置电流主要由内部恒流源Io的值来确定,Io是第5引脚上的电流I5的镜像电流，改变电阻R25可调节Io的大小。

在设置乘法器各点的静态偏置电压时，应使乘法器内部的三极管均工作在放大状态，并尽量使静态工作点处于直流负载线的中点，对应于图所示电路，应使内部电路中三极管的Vce=4V~6V，即V6-V8=V12-V10=4V~6V，V8-V4=V10-V1=4V~6V，V2-（-Vee）=V3-（Vee）=4V~6V。为了使输出上，下调制对称，在设计外部电路时，还应使V12=V6，V8=V10，而且12脚及6脚所接的负载电阻应相等，即R28=R29，调制输出信息波形（图3-4-4）如下[8]：

图 3-4-4 调制信号

四、调试中出现的故障、原因及排除方法

在调试过程中很可能出现看不到正确波形的情况，这个时候就需要仔细检查焊点，如果有没有焊好的地方就需要再焊一遍，而且在通过示波器观察波形时会因为接头的不稳定导致出现不了正确的波形，就需要找到一个能稳定好探头的方法，多次反复地进行测量。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f3br.html