高频谐振功率放大器

实验三高频谐振功率放大器
一、实验目的
1、进一步理解谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变
化对其工作状态的影响。

2、掌握谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。

3、了解高频小信号调谐放大器的工作原理及其负载阻抗，输入激励电压对
高频谐振功率放大器工作状态的影响
4、掌握高频小信号调谐放大器的设计方法
5、掌握高频小信号调谐放大器的调谐、调整和主要技术指标的测量方法
二、实验内容
1、调试谐振功放电路特性，观察各点输出波形。

2、改变输入信号大小，观察谐振功率放大器的放大特性。

3、改变负载电阻值，观察谐振功率放大器的负载特性。

三、实验原理
利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。

根据放大器电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。

电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。

如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ< 90º，效率η可达到80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

图3-1 高频功率放大器
组成图3-1为由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路，其中晶体管Q
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甲类功率放大器，晶体管Q
组成丙类谐振功率放大器，这两种功率放大器的应
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用十分广泛，下面介绍它们的工作原理及基本关系式。

1、甲类功率放大器：输入信号幅度小，输出信号不失真。

但是其工作效率较低。

(1）静态工作点
如图3-1所示，晶体管Q 1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。

其中R B1、R B2为基极偏置电阻；R E1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。

R F1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

电路的静态工作点由下列关系式确定：
()111E CQ E F EQ EQ R I R R I U ≈+=
（3-1）
式中，R F1一般为几欧至几十欧。

BQ CQ I I β=
（3-2）
V U U EQ BQ 7.0+=
（3-3）
)(11E F CQ CC CBQ R R I U U +-=
（3-4）
(2）负载特性
如图3-1所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P 0可表示为：
B H P P η'
=0 （3-5）
式中，P H ′为输出负载上的实际功率，ηB 为变压器的传输效率，一般为ηB =0.75～0.85。

图3-2 甲类功放的负载特性
图3-2为甲类功放的负载特性。

为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q 应选在交流负载线AB 的中点，此时集电极的负载电阻R H 称为最佳负载电阻。

集电极的输出功率P C 的表达式为：
H
Cm
Cm Cm C R u I u P 2
2121==
(3-6)
式中，u cm 为集电极输出的交流电压振幅，I cm 为交流电流的振幅，它们的表达式分别为
u cm = u cc - I CQ R E1 - u CES
（3-7）
式中，u CES 称为饱和压降，约1V
I cm ≈I CQ
（3-8）
如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则
'
21H
H
B R R N N η= (3-9)
式中，R H ′为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。

（3）功率增益
与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，对于图3.1所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益A p 的表达式为
i o P P P A = （3-10）
其中，P i 为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压u im 及输入电阻R i 的关系
为
i
i im P R u 2= (3-11) 式中，Ri 又可以表示为
()11F fe ie i R h h R ++≈ (3-12) 式中，h ie 为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻r bb ¹ 。

h fe 为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数β。

乙类和丙类放大器：输入信号幅度大，工作效率较高，但是输出信号失真大。

特别丙类谐振功率放大器，电压导通角较小，工作效率最高，通信发射机的高频末级功率放大器通常采用丙类工作方式。

丙类谐振功率放大器的工作原理
i BE B C C
u u i i u →→→→
i u 为余弦电压， 可表示为i im u =U cos t ω
则：BE BB i BB im u = V +u = V + U cos t ω
根据三极管的转移特性可得到集电极电流C i ，为余弦脉冲波，如图2-4所示：
图2-4 C i 波形
根据傅立叶级数的理论，C i 可分解为：
C C0c1c2c3cn i =I +i +i +i +
+i +
式中：C0I 为直流电流分量
c1i 为基波分量，c1cm1i =I cos c t ω
c2i 为二次谐波分量，c2cm2i =I cos 2c t ω cn i 为n 次谐波分量，cn cmn i =I cos c n t ω
其中，它们的大小分别为：
C0Cmax 0I =i ()αθ cm1Cmax 1I =i ()αθ cmn Cmax I =i ()n αθ
Cmax i 是C i 波形的脉冲幅度，0()αθ、1()αθ和()n αθ分别为直流分解系数、基
波分量分解系数和n 次谐波分量分解系数，()n αθ的大小可根据余弦脉冲分解系数表查。

C I 信号的导电角可以用下面的公式进行计算
当C i 信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，
可得其谐振网络压降为：
c cm1cm u =RI cos t=U cos t
c c ω
ωcos arccos on
BB
bm
on BB
bm
U U U U U U θθ-≈-≈
CE CC c CC cm u =V -u =V -U cos t c
各信号的波形如图2-5所示：
图2-5 波形图
功率关系： 直流功率：P V =V CC I CO 输出功率：P O
= I cm1U cm 放大管功耗：P T =P V -P O
效率：η= P O /P V 四、实验仿真
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结果分析：
1）示波器输出
蓝色为输入信号，红色为甲类放大器输出信号，黄色为丙类射极输出信号，白色为丙类放大器集电极输出信号。

易见黄色的信号的导通角小于180度，所以说这个放大器为丙类放大器。

通过选频网络就能选出10.7MHz的波形。

R L(欧姆)70230570
I(ma) 2.220 2.336 2.031
U（V）0.2900.957 2.530
由表中可见，改变电阻RL值，电流和电压都出现变化，但是电流变化基本不大，这是因为输出电阻很大，改变负载的大小对输出电流的影响很小。

同时可以看到负载越大输出功率也越大。

所以若要实现更大的输出功率，那么负载也将要随之增大。

五、实验总结
实验过程中，发现基本电路图画对了，但是就是得不到结果，波形显示不出来或者不稳定，通过不断调试，即改变相关参数值才得到结果。

通过本次实验，加强了自己分析解决问题的能力，同时对谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状态的影响有了一定的理解和掌握，也基本懂了高频小信号调谐放大器的设计方法。

（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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