高頻諧振功率放大器

高頻諧振功率放大器
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1、進(jìn)一步理解諧振功率放大器的工作原理及負(fù)載阻抗，激勵(lì)電壓和集電極電源
電壓變化對(duì)其工作狀態(tài)的影響。
2、掌握諧振功率放大器的調(diào)諧特性和負(fù)載特性。
二、電路的基本原理
利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)
射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角θ的范圍可分為甲類、乙類、丙類
及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ=180，效率η最高也只能達(dá)到50%，而丙類功放的θ< 90o，效率η可達(dá)
到80%，甲類功率放大器適合作為中間級(jí)或輸出功率較小的末級(jí)功率放大器。丙類
功率放大器通常作為末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。

圖3-1 高頻功率放大器
圖3-1 為由兩級(jí)功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中VT1 組成甲類功
率放大器，晶體管VT2 組成丙類諧振功率放大器，這兩種功率放大器的應(yīng)用十分廣
泛，下面介紹它們的工作原理及基本關(guān)系式。
1、甲類功率放大器
1）靜態(tài)工作點(diǎn)
如圖3-1 所示，晶體管VT1 組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。其中
RB1、RB2 為基極偏置電阻；RE1 為直流負(fù)反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。RF1
為交流負(fù)反饋電阻，可以提高放大器的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由
下列關(guān)系式確定：
uEQ=IEQ（RF1+RE1）≈ICQRE1 （3-1）
式中，RF1 一般為幾歐至幾十歐。
ICQ=βIBQ （3-2）
uBQ=uEQ+0.7V （3-3）
uCEQ=Ucc - ICQ（RF1+RE1） （3-4）
2）負(fù)載特性

如圖3-1 所示，甲類功率放大器的輸出負(fù)載由丙類功放的輸入阻抗決定,兩級(jí)間
通過變壓器進(jìn)行耦合，因此甲類功放的交流輸出功率P0 可表示為：P0 = PH′/ηB （3-5）
式中，PH′為輸出負(fù)載上的實(shí)際功率，ηB 為變壓器的傳輸效率，一般為ηB=0.75~0.85。

圖3-2 甲類功放的負(fù)載特性
圖3-2 為甲類功放的負(fù)載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點(diǎn)Q 應(yīng)選
在交流負(fù)載線AB 的中點(diǎn)，此時(shí)集電極的負(fù)載電阻RH 稱為最佳負(fù)載電阻。集電極的輸出功率PC 的表達(dá)式為：

3）功率增益

與電壓放大器不同的是功率放大器應(yīng)有一定的功率增益，對(duì)于圖4.3.1 所示電路，甲類功率放大器不僅要為下一級(jí)功放提供一定的激勵(lì)功率，而且還要將前級(jí)輸入的信號(hào)，進(jìn)行功率放大，功率增益Ap 的表達(dá)式為

關(guān)系。由圖可得：

圖3-6 變壓器耦合電路

式中，N1 為集電極接入初級(jí)匝數(shù)。
N2 為初級(jí)線圈總匝數(shù)。
N3 為次級(jí)線圈總匝數(shù)。
QL 為初級(jí)回路有載品質(zhì)因數(shù)，一般取2~10。
兩類功率放大器的輸入回路亦采用變壓器耦合方式，以使輸入阻抗與前級(jí)輸出阻

抗匹配。分析表明，這種耦合方式的輸入阻抗Zi 為

式中，
?r b b' 為晶體管基極體電阻
rb b ' ≤25Ω。
2）負(fù)載特性
當(dāng)功率放大器的電源電壓+ucc，基極偏壓ub，輸入電壓C 或稱激勵(lì)電壓usm 確定
后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負(fù)載電
阻Rq。諧振功率放大器的交流負(fù)載特性如圖3-7 所示，由圖可見，當(dāng)交流負(fù)載線正
好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A 時(shí)，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降
uCES，集電極電流脈沖接近最大值Icm。

當(dāng)Rq< R0 放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如C 點(diǎn)所示，集電極輸出電流雖然較大，
但集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。當(dāng)Rq > R0 時(shí)，放大器處于過壓狀
態(tài)，如B 點(diǎn)所示，集電極電壓雖然較大，但集電極電流波形有凹陷，因此輸出功率
較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。判斷放大器是否為臨界工作狀態(tài)的條件是：
ucc - ucm = uCES （3-29）
式中，ucm 集電極輸出電壓幅度。uCES 晶體管飽和壓降。
三、主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法
1、輸出功率
高頻功率放大器的輸出功率是指放大器的負(fù)載RL 上得到的最大不失真功率。對(duì)
于圖3-1 所示的電路中，由于負(fù)載RL 與丙類功率放大器的諧振回路之間采用變壓器
耦合方式，實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，則集電極回路的諧振阻抗RO 上的功率等于負(fù)載RL 上
的功率，所以將集電極的輸出功率視為高頻放大器的輸出功率，即

測量功率放大器的主要技術(shù)的連接電路如圖3-8 所示，其中高頻信號(hào)發(fā)生器提供
激勵(lì)信號(hào)電壓與諧振頻率，示波器監(jiān)測波形失真，直流毫安表mA 測量集電極的直
流電流，高頻電壓表V 測量負(fù)載RL 的端電壓。只有在集電極回路處于諧振狀態(tài)時(shí)才
能進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測量?？梢酝ㄟ^高頻電壓表V 及直流毫安表mA 的指針來判
斷集電極回路是否諧振，即電壓表V 的指示為最大，毫安表mA 的指示為最小時(shí)集
電極回路處于諧振。當(dāng)然用掃頻儀測量回路的幅頻特性曲線，使中心頻率處的幅值最大也可以。

圖3-8 高頻功放的測試電路
放大的輸出功率可以由下式計(jì)算：

式中，uL 為高頻電壓表V 的測量值。
2、效率

高頻功率放大器的總效率由晶體管集電極的效率和輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率決定。而輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率通常是由電感、電容在高頻工作時(shí)產(chǎn)生一定損耗而引起的。放大器的能量轉(zhuǎn)換效率主要由集電極的效率所決定。所以常將集電極的效率視為高頻功率放大器的效率，用η表示，即

式中，uL 為高頻電壓表的測量值；ICO 為直流毫安表的測量值。
3、功率增益
放大器的輸出功率Po 與輸入功率Pi 之比稱為功率增益，用Ap（單位：dB）表示，
[見式（3-10）]。
四、電路的確定
1、本實(shí)驗(yàn)由兩級(jí)組成：激勵(lì)級(jí)由甲類功放組成，功放級(jí)由丙類功放組成，電源
供電為12V，甲類功放使用3DG12C，丙類由于輸出功率要求不很大也用3DG12C，
3DG12C 主要參數(shù)如下：
Pcm=700mw， Icm=300mA， fT≥150MHz， uCES≤0.6V
本實(shí)驗(yàn)主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率P0 ≥ 125mw，工作中心頻率f0 = 20.945MHz，
負(fù)載RL=50Ω。
2、確定電路和參數(shù)
激勵(lì)級(jí)Q91 采用甲類放大，因此基極偏壓采用固定偏壓形式，靜態(tài)工作點(diǎn)
ICQ=7mA。直流負(fù)反饋電阻為300Ω，交直流負(fù)反饋電阻為10Ω，集電極輸出由變壓
器耦合輸出到下一級(jí)。諧振電容取22P，根據(jù)前面的理論推導(dǎo)，變壓器T91 的參數(shù)
為
N 初級(jí)∶N 次級(jí)=2.56， 初級(jí)取18 匝，次級(jí)取7 匝。
功放級(jí)Q92 采用丙類放大。導(dǎo)通角為70o，基極偏壓采用發(fā)射極電流的直流分量
IEO 在發(fā)射極偏置電阻Re 上產(chǎn)生所需要的VBB，其中直流反饋電阻為20Ω，交直流
反饋電阻為10Ω，集電極諧振回路電容為68P，負(fù)載為50Ω，輸出由變壓器耦合輸
出，采用中間抽頭，以利于阻抗匹配。它們的匝數(shù)分別為
N3=2 匝 N1=7 匝 N2=21 匝
最終電路如附圖G1 所示。

五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
參看附圖G1
1、調(diào)節(jié)W91，使Q91 的靜態(tài)工作點(diǎn)為UEQ=2.17V, UCEQ =9.83V。
2、使用BT—3 型頻率特性測試儀，調(diào)整T91、T92，T91 初級(jí)與C97，T92 初級(jí)
與C94 諧振在20.945MHz，同時(shí)測試整個(gè)功放單元的幅頻特性曲線，使峰值在
20.945MHz 處。
3、 連接J92,J93,J94,J95，從IN91 處輸入20.945MHZ 信號(hào)，信號(hào)大小為70mV,
用示波器探頭在TT91 處觀察輸出波形，微調(diào)T91、T92，使輸出波形不失真且最大。
4、從IN91 處輸入信號(hào)，信號(hào)大小從70mV 開始增加,用示波器探頭在TT92 上觀
察電流波形，直至觀察到有下凹的電流波形為止。此時(shí)，將示波器探頭放在TT91 處，
微調(diào)T91、T92，使輸出波形不失真且最大。然后改變輸入信號(hào)大小，觀察Q92 發(fā)射
極上的電流波形，使功放處于臨界工作狀態(tài)。
5、觀察放大器的三種工作狀態(tài)
回路諧振后，輸入信號(hào)大小不變，改變負(fù)載RL，會(huì)使RP′發(fā)生變化，分別連接
J93、J94、J95，使負(fù)載電阻依次為51Ω→75Ω→168Ω→240Ω→560Ω依次變化，
并用示波器探頭在TT92 上觀察不同負(fù)載時(shí)的電流波形。同時(shí)，在TT92 處觀察不同
負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形。
6、測量負(fù)載特性
用高頻電壓表測量負(fù)載電阻上的電壓，改變負(fù)載電阻RL（參照步驟4），記下相
應(yīng)的電流ICQ 和電壓VL，并且計(jì)算當(dāng)RL=51Ω時(shí)的功率和效率。
7、改變激勵(lì)電壓的幅度，觀察對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響。
使RL =560Ω（連J95），用示波器觀察Q92 發(fā)射極上的電流波形，改變輸入信號(hào)
大小，觀察放大器三種狀態(tài)的電流波形。
六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容
1、畫出放大器三種工作狀態(tài)的電流波形。
2、計(jì)算當(dāng)RL=51Ω和560Ω時(shí)，放大器的輸出功率和效率。
3、繪出負(fù)載特性曲線。
七、實(shí)驗(yàn)儀器
1、BT-3G 頻率特性測試儀（選項(xiàng)） 一臺(tái)
2、高頻電壓表（選項(xiàng)） 一臺(tái)
3、雙蹤示波器（40MHz） 一臺(tái)
4、萬用表 一塊
5、調(diào)試工具 一套
6、高頻信號(hào)源（最大功率10dBm,最高頻率30MHz） 一臺(tái)