高频谐振功率放大器实验实验报告

丙类高频谐振功率放大器与基极调幅实验报告

一． 实验目的

1．了解和掌握丙类高频谐振功率放大器的构成及工作原理。

2．了解丙类谐振功率放大器的三种工作状态及负载特性、调制特性、放大特性和调谐特性。 3. 掌握丙类谐振功率放大器的输出功率o P 、直流功率D P 、集电极效率C 测量方法。 4. 掌握用频谱仪观测信号频谱、频率及调制度的方法。

二．实验仪器及设备

1．调幅与调频接收模块。 2．直流稳压电压GPD-3303D

3．F20A 型数字合成函数发生器/计数器 4．DSO-X 2014A 数字存储示波器 5．SA1010频谱分析仪

三．实验原理

1.工作原理

高频谐振功率放大器是通信系统重要的组成电路，用于发射机的末级。主要任务是高效率的输出最大高频功率，馈送到天线辐射出去。为了提高效率，晶体管发射结采用负偏置，

使放大器工作于丙类状态（导通角θ＜90O

）。高频谐振功率

放大器基本构成如图1.4.1所示，

丙类谐振功率放大器属于大信号非线性放大器，工程上常采用折线分析法，各级电压、电流波形如图1.4.2所示。

（a ）原理电路 （b ）等效电路

图1.4.1 高频功率放大器

图1.4.1中，晶体管放大区的转移（内部静态）特性折线方程为：

()C C BE BZ i g v U =-

1.4.1

放大器的外电路关系为：

cos BE B b m u E U t ω=+

1.4.2

cos CE C cm u E U t ω=-

1.4.3

当输入信号B BZ b u E U <+时，晶体管截止，集电极电流0C i =；当输入信号

B BZ b u E U >+时，发射结导通，由式1.4.1、1.4.2和1.4.3得集电极电流

C i 为：

max

cos cos 1cos C C t i i ωθ

θ

-=- 1.4.4

式中，BZ U 为晶体管开启电压，C g 为转移特性的斜率。

以上分析可知，晶体管的集电极输出电流c i 为尖顶余弦脉冲，可用傅里叶级数展开为：

++++=t I t I t I I t i m C m C m C C c ωωω3cos 2cos cos )(3210 1.4.5

其中，0C I 为C i 的直流分量，m C I 1、2C m I 、…分别为c i 的基波分量、二次谐波分量、…。集电极余弦脉冲电流C i 及各次谐波的波形如图1.4.3所示，其频谱如图1.4.4所示。

（

a ） （

b ） 图1.4.2 各级电压、电流波形

由于晶体管集电极电流为尖顶余弦脉冲，为了不失真的放大信号，晶体管集电极负载回

路必须采用具有选频滤波特性的LC 并联谐振回路。当回路调谐于输入信号频率（基波频率）时，高频功率放大器的输出信号为：

1()cos c C m P u t I R t ω= 1.4.6 )(0max 0θαC C I I = 1.4.7 )(1max 1θαC m C I I = 1.4.8

式中，()c u t 为谐振回路的端电压；P R 为回路的等效谐振电阻；max C I 为集电极余弦脉冲电流的最大值；0C I 为脉冲电流的直流分量；1C m I 为脉冲电流基波分量的振幅；0()αθ、1()αθ为余弦脉冲分解系数；θ为余弦脉冲电流的导通角，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，谐振功率放大器导通角常取θ= 60° ～ 80°

。 2. 丙类谐振功率放大器的主要技术指标

⑴ 输出高频交流功率： 222o L L

om orms

U U P R R == 1.4.9

⑵ 电源电压提供的直流功率D P ： 0D C C P E I =

1.4.10

⑶ 集电极效率C η： o

c D

P P η=

1.4.11

式中，om U 为输出电压振幅, orms U 为输出电压有效值，L R 为负载电阻。

图1.4.3 集电极余弦脉冲电流C i 及各次谐波的波形

图1.4.4 集电极余弦脉冲电流C i 的频谱

3. 丙类高频谐振功率放大器的三种工作状态

谐振功率放大器的工作状态应同时满足内部特性和外电路特性。由于谐振功率放大器为丙类状态，不存在直流工作点，只存在动态（交流）工作点()BE C CE u i u 、、，动态点的轨迹称为动态特性或动态线，如图1.4.5所示。

当晶体管确定后，四个外部电路参量E C 、E B 、U bm 和R P 不同，使电路分别工作在欠压、

临界和过压状态，同时也影响电路的性能CO C1D O C C cm m U I I P P P η（、、；、、、），当E C 、

E B 、U bm 和R P 一定时，工作状态及性能也就唯一地确定了。

4.负载对工作状态的影响及负载特性

维持E C 、E B 、V bm 不变，放大器的工作状态和性能

CO C1D O C C cm m U I I P P P η（、、；、、、）随负载R P 变化的特性，称为负载特性。，

图1.4.5 高频功率放大器动态特性 ()C BE CE i f u u =，

图1.4.6 负载R P 对工作状态的影响

三种工作状态比较： ⑴ 临界状态

O P 达到最大，C η也较高，是最佳工作状态，对应的谐振电阻P R 称为谐振功率放大器

的最佳匹配电阻。

⑵ 过压状态

效率C η较高，回路端电压cm U 基本不变，近似恒压源，常用于需要维持电压比较稳定的场合，集电极调幅就工作于过压状态。

⑶ 欠压状态

O P 比较小，C η也比较低，故很少采用，基极调幅需要工作于欠压状态。

5. 电源电压E c 对工作状态的影响及集电极调制特性

维持E B 、U bm 、R P 不变，放大器的工作状态和性能

CO C1D O C C cm m U I I P P P η（、、；、、、）随E C 变化的特性，称为集电极调制特性。

图1.4.7 负载特性

图1.4.8 E C 对工作状态的影响