高频丙类功率放大器设计课件

1、高频实验报告（二）高频丙类功率放大器设计 组员 座位号 16 实验时间 周一上午 目录一、实验目的3二、实验原理3 2.1 丙类谐振功率放大器的工作原理3 2.2 丙类谐振功率放大器的负载特性5 2.3 丙类谐振功率放大器的调制特性7 2.4丙类谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路8 2.4.1偏置电路8 2.4.2耦合电路8三、电路调试和主要技术指标的实验测试10 3.1谐振状态的调整方法10 3.2主要技术指标的测试10 3.2.1输出功率10四、实验内容11五、参数设计11六、实验结果记录14七、思考题18一、 实验目的1 熟悉高频谐振功率放大器的基本工作原理和工作状态。2 掌握高频丙类功

2、率放大器的设计方法、初步了解工程估算的方法。3 学习高频丙类功率放大器的电路调谐及测试技术。4 研究负载的变化及激励电压、基极偏置电压、集电极电压的变化对放大器工作状态的影响。二、 实验原理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。根据放大器电流导通角的范围，可以分为甲类、乙类、丙类和丁类等功率放大器。电流导通角越小，放大器的效率越高。如甲类功放的，效率最高也只能达到50，而丙类功放的，效率可达到80。甲类功率放大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。本实验研究丙类功率放大器的工作原理及基本特性。2.1 丙类

3、谐振功率放大器的工作原理图2.1 丙类功率放大器电路如图2.1 所示，工作状态如图2.2所示图2.2 输入电压与集电极电流脉冲的关系集电极形成尖顶余弦脉冲电流图 2.3 集电极形成尖顶余弦脉冲电流为余弦脉冲的最大值，为余弦脉冲的直流分解系数， (2-4) 式中：为晶体管的导通电压；为晶体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。将IC傅立叶展开： (2-5)尖顶余弦脉冲分解系数如图2.4所示图2.4 尖顶余弦脉冲分解系数可由各谐波分量计算能量关系和效率。1集电极电源提供的直流功率 (2-6)其中，余弦脉冲的直流分量， (2-7)2集电极输出基波功率 (2-8)式中：为集电极输出电压振幅；为余弦

4、电流脉冲的基波分量。 (2-9)3集电极效率 (2-10)4集电极耗散功率 (2-11) 功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率在实际运用中，为兼顾高的输出功率和高效率，通常取。2.2 丙类谐振功率放大器的负载特性当功率放大器的电源电压，基极偏置电压，输入激励电压确定后，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。谐振功率放大器的交流负载特性如图2.5所示。图2.5 谐振功率放大器的负载特性由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降，集电极电流脉冲接近最大值 。此时集电极输出的功率和效率都较高，放大器处

5、于临界工作状态。 此时输出功率为 (2-12)当已知晶体管的临界饱和压降时，有 (2-13) 临界状态下的谐振阻抗为 (2-14)当变小时，放大器处于欠压工作状态，如C点所示。集电极输出电流较大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当变大时，放大器处于过压工作状态，如B点所示。集电极电压虽然较大，但集电极电流波形凹陷，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。设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是 (2-15)式中为集电极输出电压的幅度，为电源电压，为晶体管饱和压降。根据上述分析，在, 不变的条件下，对不同的丙类放大器的电流、电压

6、、功率和效率的负载特性由图2.6所示。在这里要特别提出注意的是：当时，动态线将是一条通过并与横座标垂直的直线（QD线），如图2.5所示。此时回路没有选频作用，流过晶体管的电流为最大，而集电极回路两端的交流电压很小，故放大器功率输出也很小。转化为集电极的耗散功率可能超过晶体管的最大允许损耗功率而损坏晶体管。这就是常见的电流、电压、功率和效率的负载特性负载短路。 图2.6 不同的丙类放大器的负载特性2.3 丙类谐振功率放大器的调制特性如图2.7所示，当集电极电压VCC变化时，会引起电路工作点变化，产生集电极调制现象。图2.7 集电极调制现象如图2.8所示，当基极电极电压VBB变化时，会引起电路工作

7、点变化，产生基极调制现象。图2.8 基极调制现象 2.4丙类谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路2.4.1偏置电路常用的三种电路如图2.5所示。图 2.5 (a)是利用基极电流在基区扩展电阻上的降压作为偏置电压。它的缺点是偏压小，而且随晶体管而变，不能保持稳定的偏压。优点是电路简单，在大功率丙类功放中得到广泛应用。图2.5 (b)是利用基极电流的直流分量在上的降压得到偏置电压，是高频旁路电容。它的优点是偏置电压随输入信号电压的大小起自动调节作用。图2.5 (c)是利用发射极电流的直流分量在上建立偏压，是高频旁路电容。避免，上产生交流负反馈，其RC时间常数应满足。它可以自动维持放大器的稳定工作，当

8、激励信号加大时，加大，负偏压加大，使得相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以使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。图2.9 基极偏置电路2.4.2耦合电路输人匹配电路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出匹配电路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。输出匹配电路的任务可归纳为(1)使负载阻抗能与放大器所需要的最佳负载电阻匹配，以保证放大器传输到负载的功率为最大。(2)抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有

9、基波分量及频带内频谱分量存在。(3)插入损耗要小。利用LC网络进行阻抗变换时，由于谐振匹配网络的有载品质因数QL值一般比较小，所以为了达到选频目的，常用多级LC网或耦合型网络进行匹配。下面是几种常用形式图2.10 几种常用LC网络以图所示网络为例，计算其匹配关系（1）L-1型网络图2.11 L-1型网络 (2-16) (2-17) (2-18)（2）L-2型网络图2.12 L-2型网络 (2-19) (2-20) (2-21)本实验采用变压器耦合匹配网络，其电路如图2.13所示。图2.13 实验电路为了减小晶体管输出阻抗对耦合电路的影响，变压器初级采用抽头方式。回路的谐振频率为； （2-22）

10、为谐振回路总电容。三、 电路调试和主要技术指标的实验测试3.1谐振状态的调整方法功率放大器能否工作在所设计的状态，给出较大的输出功率，除了设计合理外，正确的调谐与调整是十分重要的。这里我们只做简单的介绍。设计计算高频谐振功率放大器的前题是假定谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载阻抗为纯电阻。但回路的初始状态或者在调谐过程中，会出现回路失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时可能损坏晶体管。为保证管子安全工作，调谐时，可以先将电源电压降低到规定值的 ，找到谐振点后，再把恢复到正常值，然后再微调一下回

11、路参数就可以了。在回路调谐时，一般是以放大器输出功率最大，最小作为标准。但是，当晶体管在高频区工作时，一方面由于集电极电流滞后于激励电压，另一方面由于晶体管内反馈的作用，使得在谐振时，最小与输出功率最大不能同时发生。在本实验中，可以直接观察负载电阻上的基波输出幅度，以判断是否在谐振状态。谐振时输出幅度为最大。这里要注意的是在上的仪器的输入阻抗要大，输入电容要小，尽量减小对回路的影响。3.2主要技术指标的测试3.2.1输出功率高频功率放大器的输出功率是指在放大器的负载L上得到的最大不失真功率。对于图2.13所示电路中，因为负载R与功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式，实现了阻抗匹配，忽略回

12、路传输过程中的损耗，则集电极回路的谐振阻抗上的功率等于负载上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频功率放大器的输出功率。图2.13 为测量功率放大器主要指标的测量仪器及连接电路。其中高频信号发生器提供激励信号，示波器XSC1监测波形。通过观察示波器波形来判断集电极回路是否谐振，即或的最大输出波形时集电极回路处于谐振。也可以用扫频仪测量。只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。放大器的输出功率可以由下式计算 (2-25)式中为示波器读出的电压有效值。3.2.2效率高频功率放大器的总效率由晶体管集电极的效率和输出网络的传输效率决定。而输出网络的传输效率通常是由于电容、电感在高频工

13、作时产生一定损耗而引起的。放大器的能量转换效率主要由集电极的效率所决定。因此常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率，用表示，即 (2-26)式中：为示波器读出的测量值；为直流毫安表的测量值。四、 实验内容1 计算电路参数，完成电路设计及装调。2 观察谐振功率放大器工作状态。3 观察并分析集电极电源电压VCC 变化对谐振功率放大器工作的影响。4 观察并分析集电极负载变化对谐振功率放大器工作的影响。设计课题：设计高频谐振功率放大器 n 已知条件 +Vcc：+9V，晶体管Q2N3904. 主要参数为，饱和压降，。n 主要技术指标 输出功率，负载电阻，效率,工作中心频率五、 参数设计试验原理图如下：

14、通用器件固定焊好，需要设计的器件采用插针方式连接1 选定试验电路形式，图 为高频功率放大器的参考实验电路。图2.7 高频功率放大器的实验电路2确定放大器的工作状态。高频谐振功率放大器参数设计：选择导通角3计算谐振回路及耦合回路的参数。4设计基极偏置电路。说明：由于功率放大电路是由实验一的电路修改得到的，故限定了接入系数，由该接入系数得到负载R2。六、 实验结果记录1. 实验输出波形如下图所示：当输入信号为Vipp=2V，电源电压Vcc=9v, 负载时，测得Ic0=14mA，Vopp=5.00V，此时输出功率：则效率1、输入信号与输出功率之间的关系：条件：Vcc=9V RL=75测量数据：输入信

15、号峰峰值Vipp=1.4 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 单位：V对应的输出信号峰峰值Vopp=2.76 3.24 3.72 4.52 5.00 5.28 5.44 5.60 5.76 5.88 5.92 6.00 6.08 6.04 6.08 6.08 6.12 6.12 6.16 6.16 单位：V在MATLAB中利用公式输出基频功率Po=(Vopp/2).2/150)*1000(mW)P,S=polyfit(Vipp,Po,4) plot(Vipp,Po,k*,Vipp,p

16、olyval(P,Vipp),k-)得输入信号与输出功率之间的关系图：VippPo曲线横轴代表输入信号峰峰值，纵轴代表输出功率：单位分别为V 和 mW分析：由上图我们可以看出，随着输入信号幅度的增加，输出功率增大，但当输入信号幅度的增加到一定程度时，输出功率增加放缓。这是由于放大器工作于过压区的缘故。如下图所示：随着输入电压的改变，放大器进入不同的工作状态。根据输出电流的不同，分成欠压、临界、过压三种状态:欠压状态: 晶体管始终工作在线性区，输出电流为尖顶余弦脉冲。输出基波电压和基波电流均随输入幅度增加而增加，输出功率也相应增加。但是由于通角的变化，此增加是非线性的，导致输出功率的增加为非线性

17、的。过压状态: 在输入电压峰值附近，晶体管进入饱和区，输出电流出现凹陷。由于晶体管饱和，输出电压趋于不变；由于出现凹陷，输出基波电流也趋于不变，所以输出功率趋于不变。临界状态: 在输入电压峰值附近，晶体管到达饱和区边缘，输出电流基本是尖顶余弦脉冲。 在通角小于90度的时候，无论在哪种状态，输出电压与输入电压的关系都不是线性关系。2、电源电压与输出功率之间的关系：条件：RL=75，Vipp=2.00V测量数据：电源电压Vcc=1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0 3.4 3.8 4.2 4.6 5.0 5.4 5.8 6.2 6.6 7.0 7.4 7.8 8.2 8.6 9.0 单位

18、：V对应的输出信号峰峰值Vopp=0.756 1.0 1.24 1.6 1.84 2.04 2.36 2.6 2.84 3.08 3.28 3.56 3.72 3.92 4.12 4.32 4.44 4.64 4.8 4.88 5.0 单位：V在MATLAB中利用公式输出基频功率Po=(Vopp/2).2/150)*1000(mW)P,S=polyfit(Vcc,Po,4) plot(Vcc,Po,k*, Vcc,polyval(P, Vcc,),k-)得电源电压与输出功率之间的关系：横轴代表电源电压，纵轴代表输出功率：单位分别为V 和 mW分析：此即集电极调制效应：通过改变集电极直流电压，使

19、得放大器的输出发生改变，称为集电极调制。集电极电压Vcc 增大，工作状态趋于欠压区；Vcc 减小，工作状态趋于过压区欠压区：由于晶体管的恒流特性，导致输出电压和输出电流均基本不变，输出功率亦基本不变过压区：晶体管进入饱和区，输出电压、输出电流以及输出功率受Vcc 控制（调制）。所以若电源电压继续增大，应该工作在欠压区，曲线应趋于平缓。测试时未体现出来。 3、负载与输出功率之间的关系：条件：Vcc=5V Vipp=2.00V测量数据：负载RL =20 24 27 30 36 39 43 47 51 56 62 68 75 91 100 120 150 180 200 270 300 单位：对应的

20、输出信号峰峰值Vopp=2.68 3.0 3.16 3.44 3.52 4.0 4.12 4.24 4.36 4.48 4.8 4.92 5.0 5.08 5.24 5.4 5.56 5.8 5.84 6.0 6.08 单位：V在MATLAB中利用公式输出基频功率Po=(Vopp/2).2)./(2* RL)*1000 (mW)P,S=polyfit(RL,Po,4) plot(RL,Po,k*, RL ，polyval(P, RL,),k-)得负载与输出功率之间的关系图：RLPo曲线横轴代表负载，纵轴代表输出功率：单位分别为 和 mW分析：如图，随着负载的增大，输出功率减小。工作状态应向过压

21、移动。 欠压状态，基波电流变化缓慢，近似恒流源； 过压状态，基波电压变化缓慢，近似恒压源 临界状态，具有最高的输出功率七、 思考题1 丙类功率放大器中的耦合回路起什么作用?怎样判断输出耦合回路已在谐振点和匹配状态?答：耦合回路起的作用如下：1) 实验过程中需要有一个最佳负载阻抗使功放工作在临界状态。所以，耦合回路便起着使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。2) 抑制工作频率以外不需要的频率，即它有良好的滤波作用：由于回路的选择性对基波电流而言回路等效为一纯阻，对各次谐波而言，回路失谐，呈现很小的阻抗，回路两端可看成短路；而直流分量只

22、能通过回路电感线圈的支持，其直流电阻很小，对直流也可看成短路。这样，脉冲状的集电极电流ic，流经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，即回路两端只有基波电压，因而输出的高频信号的波形没有失真。3) 降低插入损耗，即减小回路本身损耗引起的功率增益下降。可以通过观察集电极的尖顶余弦脉冲来判断匹配状态。调节电容，当输出波形最大时就是谐振点。调试时，保持输入信号幅度不变，调节可变电容和变压器铁芯的位置，改变输入信号幅度，观察输出信号是否在10.7MHz处有最大值。如果输出波形在此频率处幅度最大，就说明耦合回路已经在谐振点和匹配状态。2. 功率放大器调试过程中应注意哪些问题?调试步骤如何?输出负载阻抗短路为什么可能损坏晶体管?答：在功率放大器的调试过程中，除了电路接触、接地、退耦、引线长度、元件布局等常规问题外，还必须注意晶体管的保护。晶体管损坏是高频功率放大器调试过程中比较常见的问题，一方面是由于晶体管各项参数的使用裕量小，造成抗过载能力差；另一方面，在高频大信号的情况下，晶体管所承受的功耗大，极间峰值电压高，极有可能烧毁。为保证晶体管安全工作，调谐时，先将电源电压VCC降低到规定值的一半或更低，找到谐振点后，再把电源电压恢复到正常值，再进行微调。输出负载阻