高频功率放大器)

实验二高频丙类功率放大器

一.实验目的

1．通过实验，加深对于高频谐振功率放大器工作原理的理解。

2．研究丙类高频谐振功率放大器的负载特性，观察三种状态的脉冲电流波形。

3．了解基极偏置电压、集电极电压、激励电压的变化对于工作状态的影响。

4．掌握丙类高频谐振功率放大器的计算与设计方法。

二、实验教学重点及难点

丙类功放静态工作点（基极电压）与甲类放大器区别，负载变化对输出功率的影响，输出匹配滤波器选择及设计，

三、参考资料

1、王卫东模拟电子技术基础电子工业出版社 2010-5

2、王卫东高频电子线路电子工业出版社 2009-3

3、卓圣鹏高频电路设计与制作科学出版社 2006-8

四、教学过程

1、讲解实验原理

2、介绍各实验仪器

3、讲解实验内容与步骤

4、实验报告要求

5、布置思考题

五、实验原理

1.高频谐振功率放大器的工作原理

谐振功率放大器是以选频网络为负载的功率放大器，它是在无线电发送中最为重要、最为难调的单元电路之一。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等类型。丙类功率放大器导通角θ＜900，集电极效率可达80%，一般用作末级放大，以获得较大的功率和较高的效率。

图2-1丙类放大器原理图 图2-2 ic 与ub 关系图

图2-1中，V bb 为基极偏压，V cc 为集电极直流电源电压。为了得到丙类工作状态，V bb 应为负值，即基极处于反向偏置。u b 为基极激励电压。图2-2示出了晶体管的转移特性曲线，以便用折线法分析集电极电流与基极激励电压的关系。V bz 是晶体管发射结的起始电压（或称转折电压）。由图可知，只有在u b 的正半周，并且大于V bb 和V bz 绝对值之和时，才有集电极电流流通。即在一个周期内，集电极电流i c 只在-θ～+θ时间内导通。由图可见，集电极电流是尖顶余弦脉冲，对其进行傅里叶级数分解可得到它的直流、基波和其它各次谐波分量的值，即：

i c =I C0+ I C1m COS ωt + I C2M COS2ωt + … + I CnM COSn ωt + …

通过滤波，选出所需要的基波分量。

求解方法在此不再叙述。为了获取较大功率和有较高效率，一般取θ=700～800

左右。

2.基本关系式

丙类功率放大器的基极偏置电压V BE 是利用发射极电流的直流分量I EO （≈I CO ）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号'i v 为正弦波时，集电极的输出电流i C 为余弦脉冲波。利用谐振回路LC 的选频作用可输出基波谐振电压v c1,电流i c1。图3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式：

011R I V m c m c

式中，m c V 1为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；m c I 1为集电极基波电流振幅；0R 为集电极回路的谐振阻抗。

2

10211121212

1R V R I

I V P m c m

c m c m c C =

=

=

式中，P C 为集电极输出功率 CO CC D I V P =

式中，P D 为电源V CC 供给的直流功率；I CO 为集电极电流脉冲i C 的直流分量。 放大器的效率η为

CO

m

c CC m c I I V V 1121⋅⋅=

η

图2-3 丙类功放的基极/集电极电流和电压波形

3.负载特性

当放大器的电源电压＋V CC ，基极偏压v b ，输入电压(或称激励电压)v sm 确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻R q 。谐振功率放大器的交流负载特性如图2-4所示。

由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A 时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降V CES ，集电极电流脉冲接近最大值I cm 。

此时，集电极输出的功率P C 和效率η都较高，此时放大器处于临界工作状态。R q 所对应的值称为最佳负载电阻，用R 0表示，即

2

02)

(P V V R CES CC -=

当R q ﹤R 0时，放大器处于欠压状态，如C 点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当R q ﹥R 0时，放大器处于过压状态，如B 点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：

CES

cm CC V V V =-

图2-4 谐振功放的负载特性

bm bb

bz U V

V COS +

=

θ

4.高频功率放大器电路分析

图2-5 高频丙类功放驱动级电路原理图

图2-5给出了高频谐振功率放大器驱动级的原理图。本实验电路与小信号调谐放大器有一定的相似性。可参考实验一的分析方法

图2-6 驱动电路与可调电源电路

功放输出级电路连接了+6～+12V可调电源，以完成集电极调制特性的实验。特别注意丙类状态与甲类放大器静态工作点的不同。

5.高频功放电路的调谐与调整原则

理论分析表明，当谐振功率放大器集电极回路对于信号频率处于谐振状态时（此时集电极负载为纯电阻状态），集电极直流电流I C0为最小，回路电压U L最大，且同时发生。然而，由于晶体管在高频工作状态时，内部电容

C bc的反馈作用明显，上述I C0最小、回路电压U L最大的现象不会同时发生。

因此，本实验电路，不单纯采用监视I C0的方法，而采用同时监视脉冲电流

i C的方法调谐电路。由理论分析可知，当谐振放大器工作在欠压状态时，i C

是尖顶脉冲，工作在过压状态时，i C是凹顶脉冲，而当处于临界状态下工作时，i C是一平顶或微凹陷的脉冲。这也正是高频谐振功率放大器的设计原则，即在最佳负载条件下，使功率放大器工作于临界状态或微过压状态，以获取最大的输出功率和较大工作效率。

六、实验仪器

1.双踪示波器

2.扫频仪

3.频谱仪

4.高频信号发生器

5.高频毫伏表

6.万用

表

7.TPE-TXDZ实验箱（实验区域：C区高频丙类功率放大器）

七．实验步骤及测试方法

1、测试高频谐振功率放大器的激励特性：

1、参见图2-5，图2-6，按下功放电路的电源开关，测量电源电压为12V。测试各级晶体管的工作点是否正常，注意：当没有信号输入时，功放管的基极电压是0V。

2、连接电路，将滑动开关J3001的滑块拨向下端，使J3001的1-3端相连，

这样就使得功放的输出连接成变压器耦合输出方式。将滑动开关J3002

的滑块拨向中间位置，使负载电阻RL3002(51Ω)接入电路。

3、将信号源的输出频率调整为40.7MHz，输出信号的峰峰值调整为200mV，

通过连接电缆，将信号输出到P3002(M3001)端（高频功放驱动级输入端）。

4、改变输入信号幅度，使U bm由1Vpp开始，以1V为阶步进，观测50欧姆

负载处输出信号，将示波器探头（10：1）连接到M3004（丙类功放输

出端）观测输出波形(Uo)，（若用频谱仪测量，必须断开负载电阻（51Ω））。