实验 丙类高频谐振功率放大器

实验 丙类高频谐振功率放大器
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，它是无线电发射机中的重要单元电路。

根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管集电极电流导通角θ的范围可分为甲类、甲乙类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。

电流导通角θ越小，放大器的效率η越高。

如甲类功放的θ=1800，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ<900，其效率η可达85%。

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。

本次实验主要研究以甲类谐振功率放大器为推动级，以丙类谐振功率放大器为末级的混合功率放大器。

一、实验目的
1、熟悉丙类高频功率放大器的工作原理，初步了解工程估算的方法。

2、学习丙类高频谐振功率放大器的电路调谐及测试技术。

3、研究丙类高频谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。

4、理解基极偏置电压、集电极电源电压、激励电压对放大器工作状态的影响。

5、了解丙类高频谐振功率放大器的设计方法。

二、实验仪器
1、高频实验箱 1台
2、高频信号发生器 1台
3、双踪高频示波器 1台
4、扫频仪 1台
5、万用表 1块
6、高频功率放大器实验板 1块 三、预习要求
1、复习高频谐振功率的工作原理及四种特性。

2、分析实验电路，理解各元件的作用及各组成部分的工作原理。

四、实验内容
1、电路调谐及调整(调谐技术)。

2、静态测试(测试静态工作点)。

3、动态测试(研究负载特性)。

五、实验原理
实验电路如图2-1所示，它是由两级小信号谐振放大器组成的推动级和末级丙类谐振功率放大器构成，其中VT1和VT2组成甲类功率放大器，晶体管VT3组成丙类谐振功率放大器，这两类功率放大器的应用十分广泛，下面简要介绍它们的工作原理及基本计算方法。

(一)、甲类功率放大器 1、静态工作点
如图2-1所示，晶体管VT1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。

其中R 1和R 2为基极偏置电阻；R 5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点。

R 4为交直流负反馈电阻，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：
CC
BQ V R R R U 2
1 1+=
(2-1)
5
4 R R U U I I BEQ
BQ EQ CQ +-=
≈ (2-2)
1/βCQ BQ I I = (2-3) )(54R R I V U EQ CC CEQ +-= (2-4)
2、动态特性
所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对象。

如图2-1所示，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。

以第一级甲类功放为例，它与第二级甲类功放通过变压器进行耦合，因此其交流输出功率可表示为：
B H o P P η/'= (2-5)
式中，'H P 为输出负载上的实际功率，B η为变压器的传输效率，一般为85.0~75.0=B η。

图2-2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H R 称为最佳匹配负载。

集电极的输出功率C P 的表达式为
H
cm
cm cm C R U I U P /212
12
=
=
(2-6)
式中，cm U 为集电极输出的交流电压振幅，cm I 为交流电流的振幅，它们的表达式分别为
)(54)(sat CE CQ CC cm U R R I V U -+-= (2-7)
式中，)(sat CE U 称为饱和压降，一般为1V 左右。

CQ cm I I ≈ (2-8)
如果变压器的初级线圈匝数为N 1，次级线圈匝数为N 2，由式(2-5)、(2-6)可得
'2
1H H
B R R N N η=
(2-9)
式中，'H R 为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。

3、功率增益
与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图2-1所示电路，甲类功放不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大，功率增益P A 的表达式为
i C P P P A /= (2-10) 式中，i P 为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅im U 及输入电阻i R 的关系为
i
i im R P U 2=
(2-11)
式中，i R 可表示为
4)1(R h h R fe ie i ++≈ (2-12)
式中，ie h 为晶体管共射极组态的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基区体电阻'
bb r 。

fe h 为晶体管共射极组态的电流放大系数，在高频情况下它是复数，可近似取
值为晶体管直流电流放大系数β。

(二)丙类功率放大器 1、工作原理
如图2-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压BE
u 是利用发射极电流的直流分量0
E I 在发射极直流负反馈电阻10R 上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。

当放大器的
输入信号i
u 为正弦波时，集电极电流c i 为余弦脉冲波。

利用谐振回路L 5C 5的选频作用可输出基波谐振电压1C u 、电流1
C i 。

图2-3画出了丙类谐振功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

2、功率与效率
丙类谐振功率放大器是依靠激励信号对功放管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成负载回路的交流功率的作用。

在直流功率相同的条件下，转换的效率越高，输出的交流功率越大。

(1)直流电源CC V 提供的直流功率
C CC V I V P = (2-13)
式中，0C I 为集电极电流C
i 的直流分量。

电流C
i 经傅立叶级数分解，可得峰值cm I 与分解系
数)
(θαn
的关系式
Icm
I cnm n
/)(=θα (2-14)
故有
)
(0
0θαcm
C I I = (2-15)
分解系数)
(θαn 与θ的关系如图2-4所示。

图2-5所示为功放管特性曲线折线化后的输入电压BE
u 与集电极脉冲电流C
i 的波形关系，由图可得
bm
BB
ON U V U -=
θcos (2-16)
式中，ON U 为晶体管导通电压(硅管约为0.6V ，锗管约为0.2V)；
bm U 为激励电压(输入电压)的振幅。

BB V 为基极直流偏置电压，一般取0~0.2V 。

在自给偏置电路中，其值可由下式确定 E
C BB R I V ⋅-=0 (2-17)
式中，E R 为功放管发射极直流负反馈电阻，在图2-1所示电路中，10R R E =。

当BE
u 大于晶体管的导通电压ON U 时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集电极脉冲电流c i 与基极脉冲电流b i 成线性关系，满足关系式
bm
bm fe cm I I h I β≈= (2-18)
(2)集电极输出的基波功率
o
m
c o m
c m c m c C R U R I I U P /21212
112
12
11=
=
=
(2-19)
式中，m c U 1为集电极基波电压的振幅，m c I 1为集电极基波电流的振幅；o R 为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有H o R R =，三者间的关系为
o m c m c R I U 11= (2-20) 式中，)
(1
1θαcm m c I I =，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。

(3)功率增益
i C P P P A /= (2-21)
式中，i P 为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅m b I 1、基波输入电压振幅m
b U 1
及输入电阻i R 的关系为
i
m b i m b m b m b i R I R U I U P 1212
112
1/2
12
1=
=
=
(2-22)
实验电流中，i R 可表示为ie i h R ≈。

由公式(2-19)和(2-22)可得
m
b m b m
c m c P I U I U A 1111=
(2-23)
(4)放大器的效率
)
()(21)()(21 210
1
0110
11θαθαξθαθαη⋅
⋅=⋅⋅=⋅⋅=
=
CC m c C m c CC m c V
C V U I I V U P P (2-24)
式中，CC m c V U /1=ξ称为电压利用系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。

在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取80~600
0=θ。

3、偏置电路及耦合回路 (1)偏置电路
丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路如图2-7所示。

图2-7(a)是利用基极电流在基区体电阻'
bb r 上的降压作为偏置电压。

其电路简单，但偏压小，且易随晶体管'
bb r 而变，不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。

图(b)是利用基极电流的直流分量在b R 上的降压得到偏置电压，b C 为高频旁路电容。

其优点是偏置电压随输入信号的
大小自动调节。

图(c)是利用发射极电流的直流分量在e R 上建立偏压，e C 为高频旁路电容。

为了避免e R 上产生交流负反馈，需设置时间常数0e /)5~3(R ω>e C 。

它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时，负偏压加大，似的0e I 相对增加量减小。

这实质上就是直流负
反馈的作用，可以是放大器工作状态变化不大。

缺点是由于e R 上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率。

因此e R 不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。

而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。

(2)耦合电路
输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。

如图2-1所示，丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为： ①实现阻抗匹配，使负载电阻L R 能与放大器的最佳负载H R 匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。

②与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。

耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式， 其等效电路如图2-6所示。

为了减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。

回路的谐振频率为
LC π
ω210=
或
LC f 1
0=
(2-25)
谐振阻抗与变压器线圈匝数比为
012452R R U R P N N L
cm
L o =
=
(2-26)
L
L
Q R L N N 045
23ω=
(2-27)
六、实验内容及步骤
1．电路如图3-1（见电路板）
按图接好实验板所需电源，将C 、D 两点短接，利用高频信号发生调回路谐振频率，使其谐振在6.5MHz 的频率上。

2．加负载50Ω，从CD 端测0I 电流。

在输入端信号频率f ＝6.5MHz ，信号i V =120mV ，测量各工作电压，同时用示波器测量输入，输出峰值电压，将测量值填入表3.1内。

图3-1 功率放大器电路（丙类）原理图
其中：i V ：输入电压峰-峰值
o
V ：输出电压峰-峰值 0
C I ：电源给出总电流
V
P ：电源给出总功率 (0V C C C P V I =) (C C V 为电源电压)
O
P ：输出功率（
O L
P R =
）
T
P ：为管子损耗功率（T V O P P P =-）
3．加75Ω负载电阻，同2测试并填入表3.1内。

4．加120Ω负载电阻，同2测试并填入表3.1内。

5．改变输入端电压i V =84mV ，同2、3、4测试并填入表3.1测量。

6．改变电源电压C C V =5V,同2、3、4、5测试并填入表3.1内。

七、实验报告要求
1．根据实验测量结果，计算各种情况下0C I 、O P 、i P 、η。

2．说明电源电压、输出电压、输出功率的相互关系。

3．总结在功率放大器中对功率放大晶体管有哪些要求。