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R1和R2为基极偏置电阻；R5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。R4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：

                               (2-1)

                            (2-2)

                                    (2-3)

                         (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：

                                    (2-5)

式中，为输出负载上的实际功率，为变压器的传输效率，一般为。

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称为最佳匹配负载。集电极的输出功率

的表达式为

                        (2-6)

式中，为集电极输出的交流电压振幅，为交流电流的振幅，它们的表达式分别为

                  (2-7)

式中，称为饱和压降，一般为1V左右。

                                      (2-8)

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，由式(2-5)、(2-6)可得

                                  (2-9)

式中，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，功率增益的表达式为

                                  (2-10)

式中，为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅及输入电阻的关系为

                                  (2-11)

式中，可表示为

                             (2-12)

式中，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。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。

(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是利用发射极电流的直流分量在发射极直流负反馈电阻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为正弦波时，集电极电流为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压、电流。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)直流电源提供的直流功率

                                  (2-13)

式中，为集电极电流的直流分量。电流经傅立叶级数分解，可得峰值与分解系数的关系式

                              (2-14)

故有

                                (2-15)

分解系数与的关系如图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与集电极脉冲电流的波形关系，由图可得

                                (2-16)

式中，为晶体管导通电压(硅管约为0.6V，锗管约为0.2V)；

为激励电压(输入电压)的振幅。

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

                                  (2-17)

式中，为功放管发射极直流负反馈电阻，在图2-1所示电路中，。

当大于晶体管的导通电压时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集电极脉冲电流与基极脉冲电流成线性关系，满足关系式

                               (2-18)

(2)集电极输出的基波功率

            (2-19)

式中，为集电极基波电压的振幅，为集电极基波电流的振幅；为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有，三者间的关系为

                                (2-20)

式中，，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

                                (2-21)

式中，为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅、基波输入电压振幅及输入电阻的关系为

           (2-22)

实验电流中，可表示为。     

由公式(2-19)和(2-22)可得

                               (2-23)

(4)放大器的效率

               (2-24)

式中，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。

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上的降压得到偏置电压，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上建立偏压，为高频旁路电容。为了避免上产生交流负反馈，需设置时间常数。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，使负载电阻能与放大器的最佳负载匹配，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

或                     (2-25)

谐振阻抗与变压器线圈匝数比为

                          (2-26)

                               (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端测电流。在输入端信号频率＝6.5MHz，信号=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

表3-1

其中：：输入电压峰-峰值

：输出电压峰-峰值

：电源给出总电流

：电源给出总功率 ()   (为电源电压)

：输出功率（）

：为管子损耗功率（）

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=84mV，同2、3、4测试并填入表3.1测量。

6．改变电源电压=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、、、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。

 

第二篇：实验三 高频丙类谐振功率放大器实验

实验三   高频丙类谐振功率放大器实验

一、           实验目的

1.      进一步掌握高频丙类谐振功率放大器的工作原理。

2.      掌握丙类谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。

3.      掌握激励电压、集电极电源电压及负载变化对放大器工作状态的影响。

4. 掌握测量丙类功放输出功率，效率的方法。

二、实验使用仪器

1. 丙类谐振功率放大器实验板

2. 200MH泰克双踪示波器

3. FLUKE万用表

  4. 高频信号源

  5. 扫频仪（安泰信）

三、实验基本原理与电路

1.高频谐振功率放大器原理电路

高频谐振功率放大器是一种能量转换器件，它可以将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频谐振功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，其作用是放大信号，使之达到足够的功率输出，以满足天线发射和其它负载的要求。

高频谐振功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率的输出。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最高为50％，而丙类功放的θ＜90°，效率η可达到80％。谐振功率放大器采用丙类功率放大器，采用选频网络作为负载回路的丙类功率放大器称为高频谐振功率放大器。高频谐振功率放大器原理电路如图3-1。

图中u_b为输入交流信号，EB是基极偏置电压，调整EB，改变放大器的导通角，以改变放大器工作的类型。EC是集电极电源电压。集电极外接LC并联振荡回路的功用是作放大器负载。放大器工作时，晶体管的电流、电压波形及其对应关系如图9-2所示。晶体管转移特性如图2.2中虚线所示。由于输入信号较大，

可用折线近似转移特性，如图中实线所示。 图中为管子导通电压，gm

为特征斜率。

图3-1 高频谐振功率放大器的工作原理

设输入电压为一余弦电压，即

                            ub=Ubmcosωt

则管子基极、发射极间电压u_BE为

uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt

在丙类工作时，EB<，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作时，θ<π/2 。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波

iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…

式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐波电流幅度。

图3-2高频谐振功率放大器电压和电流关系

谐振功率放大器的集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，如果选取谐振回路的谐振角频率ω0等于输入信号ub的角频率ω，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即

uc=Uc_mcosωt=Ic1mRecosωt

式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC谐振回路的谐振电阻。在集电极电路中，LC振荡回路得到的高频功率为

集电极电源EC供给的直流输入功率为

集电极效率ηC为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即

        静态工作点、输入激励信号幅度、负载电阻，集电极电源电压发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。如图3-3所示，当C点落在输出特性(对应uBEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率放大器的工作状态必须由集电极电源电压EC、基极的直流偏置电压EB、输入激励信号的幅度Ubm、负载电阻Re四个参量决定，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。

图3-3 高频丙类谐振功率放大器的工作状态

负载特性是指当保持集电极电源电压EC、基极的直流偏置电压EB、输入激励信号的幅度Ubm不变而改变负载电阻Re时，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率P_C，电源消耗的总功率P_E及集电极效率ηC随之变化的曲线。从上面动态特性曲线随Re变化的分析可以看出，Re由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲，如图3-4(a)所示。

 

图3-4高频丙类谐振功率放大器的负载特性

集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改变集电极电源电压EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率随之变化的曲线。当EC由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图3-5所示。由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度Ucm与EC成正比。利用这一特点，可以通过控制EC的变化，实现集电极输出电压、集电极输出电流、集电极输出功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调制特性曲线。

 

图3-5高频谐振功率放大器的集电极调制特性

基极调制特性是指当EC、Ubm、Re保持不变而改变基极的直流偏置电压EB时，功放电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率的变化曲线。当EB增大时，会引起θ、iCmax增大，从而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不变，uCEmin=EC-Ucm则会减小，这样势必导致工作状态由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深，iC波形如图3-6所示。利用这一特点，可通过控制EB实现对电流、电压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以称这组特性曲线为基极调制特性曲线。

图3-6高频谐振功率放大器的基极调制特性

放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变输入激励信号的幅度Ubm时，功率放大器电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率的变化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、ηC随Ubm的变化曲线如图3-7所示。由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。

图3-7高频谐振功率放大器的放大特性

2.实验电路

高频谐振功率放大器实验电路如图3-8。

图3-8 高频谐振功率放大器实验电路

    电容C1是输入隔直电容，第一级电路是小信号谐振放大器，对输入信号进行放大，由于丙类功放属于大信号放大，若输入信号幅度过小，丙类功放不能够导通，因此需要先对输入信号进行前置放大。第二级电路是丙类谐振功率放大器，

电阻R7提供自己偏置，静态时，基极直流电压为0V。当输入信号使晶体管导通后，晶体管的射极有一个直流偏置电压，所以此时的Vbe<0，晶体管工作在丙类状态。集电极调谐回路由固定电容，可变电容和中周组成，调整可变电容值或者中周的铁芯位置可改变谐振回路的谐振频率，调整滑动变阻器RW2可以改变

负载电阻值，从而观察功放的负载调制特性。

    集电极供电电源部分由三端可调DC变换器LM317提供，改变滑动变阻器的阻值，可改变集电极的供电电源电压，从而观察功放的集电极调制特性。

四、实验内容

  1．丙类谐振功率放大器实验电路的调整。

2. 丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试---激励电压变化对放大器工作状态的影响测试。

3．谐振功率放大器的负载特性测试---负载变化对放大器工作状态的影响测试。

4．集电极电源电压变化对谐振功率放大器工作状态的影响（集电极调制特性）的测试。

五、实验步骤

1．高频谐振功率放大器实验电路的调整

（1）在实验箱主板上插上高频谐振功率放大器实验电路模块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。 可以用实验箱上的高频信号源提供10.7MHz的输入信号（来自LC、晶体振荡电路模块，要求电路规定的谐振频率符合输入信号频率）由IN1端接入高频谐振功率放大器实验电路，幅度在1V左右。

也可以通过实验室的高频信号源提供。

（2）调整电位器RW1和微调CV1、CV2、B1、B2, 在OUT端用示波器，观测到放大后的不失真的输入信号。当输出信号幅度最大，失真最小时，认为功放已经调谐了。

2. 丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试

   逐步增加基极输入激励信号的幅度，保持电源电压Ec=12V（测量TP5点），负载R_L不变，观察射极电压波形（和集电极电流波形相同），看是否出现凹陷，当出现凹陷时，可以认为进入了过压工作状态。当激励信号的幅度逐渐增加时，观察对集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量集电极输出电压Uo、由TP1处测量直流电压Ve，发射极平均电流I_C0=Ve/R7，根据前面的关系式，计算电源消耗的总功率，效率，输出功率。

    分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。

   

3．高频谐振功率放大器的负载特性测试

  调整RW4，保持电源电压Ec=12V（测量TP5点），激励电压U_bm一定，改变负载R_L，集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量集电极输出电压Uo、由TP1处测量直流电压Ve，发射极平均电流I_C0=Ve/R7，观察TP1处的直流电压，找到欠压，零界和过压三种工作状态，分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。

4．集电极电源电压变化对放大器工作状态的影响（集电极调制特性）的测试

保持激励电压U_bm，负载R_L 不变，调整RW4，改变Ec（测量TP3点），集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量输出电压Uo、由TP1处测量直流电压Ve，发射极平均电流I_C0=Ve/R7。                                                                                                     

观察TP1处的直流电压，找到欠压，零界和过压三种工作状态，分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。

六、实验报告要求

1．由实验数据分析激励信号幅度Ubm，负载R_L、集电极电源电压Ec对高频谐振放大器工作状态的影响 。

2.   绘出U_Cm ~ R_L， I_C0 ~ Ubm曲线。

3． 绘出U_Cm ~ R_L， I_C0 ~ R_L 曲线。

4． 绘出U_Cm ~ Ec， I_C0~ Ec曲线。

5.  总结由本实验所获得的体会。