高頻丙類功率放大器設計

1、高頻實驗報告（二）高頻丙類功率放大器設計 組員 座位號 16 實驗時間 周一上午 目錄一、實驗目的3二、實驗原理3 2.1 丙類諧振功率放大器的工作原理3 2.2 丙類諧振功率放大器的負載特性5 2.3 丙類諧振功率放大器的調(diào)制特性7 2.4丙類諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路8 2.4.1偏置電路8 2.4.2耦合電路8三、電路調(diào)試和主要技術指標的實驗測試10 3.1諧振狀態(tài)的調(diào)整方法10 3.2主要技術指標的測試10 3.2.1輸出功率10四、實驗內(nèi)容11五、參數(shù)設計11六、實驗結果記錄14七、思考題18一、 實驗目的1 熟悉高頻諧振功率放大器的基本工作原理和工作狀態(tài)。2 掌握高頻丙類功

2、率放大器的設計方法、初步了解工程估算的方法。3 學習高頻丙類功率放大器的電路調(diào)諧及測試技術。4 研究負載的變化及激勵電壓、基極偏置電壓、集電極電壓的變化對放大器工作狀態(tài)的影響。二、 實驗原理利用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。根據(jù)放大器電流導通角的范圍，可以分為甲類、乙類、丙類和丁類等功率放大器。電流導通角越小，放大器的效率越高。如甲類功放的，效率最高也只能達到50，而丙類功放的，效率可達到80。甲類功率放大適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。本實驗研究丙類功率放大器的工作原理及基本特性。2.1 丙類

3、諧振功率放大器的工作原理圖2.1 丙類功率放大器電路如圖2.1 所示，工作狀態(tài)如圖2.2所示圖2.2 輸入電壓與集電極電流脈沖的關系集電極形成尖頂余弦脈沖電流圖 2.3 集電極形成尖頂余弦脈沖電流為余弦脈沖的最大值，為余弦脈沖的直流分解系數(shù)， (2-4) 式中：為晶體管的導通電壓；為晶體管的基極偏置；為功率放大器的激勵電壓振幅。將IC傅立葉展開： (2-5)尖頂余弦脈沖分解系數(shù)如圖2.4所示圖2.4 尖頂余弦脈沖分解系數(shù)可由各諧波分量計算能量關系和效率。1集電極電源提供的直流功率 (2-6)其中，余弦脈沖的直流分量， (2-7)2集電極輸出基波功率 (2-8)式中：為集電極輸出電壓振幅；為余弦

4、電流脈沖的基波分量。 (2-9)3集電極效率 (2-10)4集電極耗散功率 (2-11) 功率放大器的設計原則是在高效率下取得較大的輸出功率在實際運用中，為兼顧高的輸出功率和高效率，通常取。2.2 丙類諧振功率放大器的負載特性當功率放大器的電源電壓，基極偏置電壓，輸入激勵電壓確定后，如果電流導通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻。諧振功率放大器的交流負載特性如圖2.5所示。圖2.5 諧振功率放大器的負載特性由圖可見，當交流負載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉折點A時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降，集電極電流脈沖接近最大值 。此時集電極輸出的功率和效率都較高，放大器處

5、于臨界工作狀態(tài)。 此時輸出功率為 (2-12)當已知晶體管的臨界飽和壓降時，有 (2-13) 臨界狀態(tài)下的諧振阻抗為 (2-14)當變小時，放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如C點所示。集電極輸出電流較大，集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。當變大時，放大器處于過壓工作狀態(tài)，如B點所示。集電極電壓雖然較大，但集電極電流波形凹陷，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)。設計諧振功率放大器為臨界工作狀態(tài)的條件是 (2-15)式中為集電極輸出電壓的幅度，為電源電壓，為晶體管飽和壓降。根據(jù)上述分析，在, 不變的條件下，對不同的丙類放大器的電流、電壓

6、、功率和效率的負載特性由圖2.6所示。在這里要特別提出注意的是：當時，動態(tài)線將是一條通過并與橫座標垂直的直線（QD線），如圖2.5所示。此時回路沒有選頻作用，流過晶體管的電流為最大，而集電極回路兩端的交流電壓很小，故放大器功率輸出也很小。轉化為集電極的耗散功率可能超過晶體管的最大允許損耗功率而損壞晶體管。這就是常見的電流、電壓、功率和效率的負載特性負載短路。 圖2.6 不同的丙類放大器的負載特性2.3 丙類諧振功率放大器的調(diào)制特性如圖2.7所示，當集電極電壓VCC變化時，會引起電路工作點變化，產(chǎn)生集電極調(diào)制現(xiàn)象。圖2.7 集電極調(diào)制現(xiàn)象如圖2.8所示，當基極電極電壓VBB變化時，會引起電路工作

7、點變化，產(chǎn)生基極調(diào)制現(xiàn)象。圖2.8 基極調(diào)制現(xiàn)象 2.4丙類諧振功率放大器的偏置電路及耦合電路2.4.1偏置電路常用的三種電路如圖2.5所示。圖 2.5 (a)是利用基極電流在基區(qū)擴展電阻上的降壓作為偏置電壓。它的缺點是偏壓小，而且隨晶體管而變，不能保持穩(wěn)定的偏壓。優(yōu)點是電路簡單，在大功率丙類功放中得到廣泛應用。圖2.5 (b)是利用基極電流的直流分量在上的降壓得到偏置電壓，是高頻旁路電容。它的優(yōu)點是偏置電壓隨輸入信號電壓的大小起自動調(diào)節(jié)作用。圖2.5 (c)是利用發(fā)射極電流的直流分量在上建立偏壓，是高頻旁路電容。避免，上產(chǎn)生交流負反饋，其RC時間常數(shù)應滿足。它可以自動維持放大器的穩(wěn)定工作，當

8、激勵信號加大時，加大，負偏壓加大，使得相對增加量減小。這實質(zhì)上就是直流負反饋的作用，可以使放大器工作狀態(tài)變化不大。缺點是由于，上建立了一定大小的直流偏壓，減小了電源電壓利用率，因此不宜取得過大，以免影響放大器的輸出功率。而且在高頻工作時，發(fā)射極很難完全接地，故在頻率很高的丙類功放中使用較少。圖2.9 基極偏置電路2.4.2耦合電路輸人匹配電路的作用是自前級取得最大的激勵功率，而輸出匹配電路則是保證放大器的輸出功率能有效地加到負載上。輸出匹配電路的任務可歸納為(1)使負載阻抗能與放大器所需要的最佳負載電阻匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率為最大。(2)抑制工作頻帶范圍以外的頻率分量，使負載上只有

9、基波分量及頻帶內(nèi)頻譜分量存在。(3)插入損耗要小。利用LC網(wǎng)絡進行阻抗變換時，由于諧振匹配網(wǎng)絡的有載品質(zhì)因數(shù)QL值一般比較小，所以為了達到選頻目的，常用多級LC網(wǎng)或耦合型網(wǎng)絡進行匹配。下面是幾種常用形式圖2.10 幾種常用LC網(wǎng)絡以圖所示網(wǎng)絡為例，計算其匹配關系（1）L-1型網(wǎng)絡圖2.11 L-1型網(wǎng)絡 (2-16) (2-17) (2-18)（2）L-2型網(wǎng)絡圖2.12 L-2型網(wǎng)絡 (2-19) (2-20) (2-21)本實驗采用變壓器耦合匹配網(wǎng)絡，其電路如圖2.13所示。圖2.13 實驗電路為了減小晶體管輸出阻抗對耦合電路的影響，變壓器初級采用抽頭方式?；芈返闹C振頻率為； （2-22）

10、為諧振回路總電容。三、 電路調(diào)試和主要技術指標的實驗測試3.1諧振狀態(tài)的調(diào)整方法功率放大器能否工作在所設計的狀態(tài)，給出較大的輸出功率，除了設計合理外，正確的調(diào)諧與調(diào)整是十分重要的。這里我們只做簡單的介紹。設計計算高頻諧振功率放大器的前題是假定諧振回路已經(jīng)處于諧振狀態(tài)，即集電極的負載阻抗為純電阻。但回路的初始狀態(tài)或者在調(diào)諧過程中，會出現(xiàn)回路失諧狀態(tài)，即集電極回路的阻抗呈感性或容性，將使回路的等效阻抗下降。這時集電極輸出電壓減小，集電極電流增大，集電極的耗散功率增加，嚴重時可能損壞晶體管。為保證管子安全工作，調(diào)諧時，可以先將電源電壓降低到規(guī)定值的 ，找到諧振點后，再把恢復到正常值，然后再微調(diào)一下回

11、路參數(shù)就可以了。在回路調(diào)諧時，一般是以放大器輸出功率最大，最小作為標準。但是，當晶體管在高頻區(qū)工作時，一方面由于集電極電流滯后于激勵電壓，另一方面由于晶體管內(nèi)反饋的作用，使得在諧振時，最小與輸出功率最大不能同時發(fā)生。在本實驗中，可以直接觀察負載電阻上的基波輸出幅度，以判斷是否在諧振狀態(tài)。諧振時輸出幅度為最大。這里要注意的是在上的儀器的輸入阻抗要大，輸入電容要小，盡量減小對回路的影響。3.2主要技術指標的測試3.2.1輸出功率高頻功率放大器的輸出功率是指在放大器的負載L上得到的最大不失真功率。對于圖2.13所示電路中，因為負載R與功率放大器的諧振回路之間采用變壓器耦合方式，實現(xiàn)了阻抗匹配，忽略回

12、路傳輸過程中的損耗，則集電極回路的諧振阻抗上的功率等于負載上的功率，所以將集電極的輸出功率視為高頻功率放大器的輸出功率。圖2.13 為測量功率放大器主要指標的測量儀器及連接電路。其中高頻信號發(fā)生器提供激勵信號，示波器XSC1監(jiān)測波形。通過觀察示波器波形來判斷集電極回路是否諧振，即或的最大輸出波形時集電極回路處于諧振。也可以用掃頻儀測量。只有在集電極回路處于諧振狀態(tài)時才能進行各項技術指標的測量。放大器的輸出功率可以由下式計算 (2-25)式中為示波器讀出的電壓有效值。3.2.2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)絡的傳輸效率決定。而輸出網(wǎng)絡的傳輸效率通常是由于電容、電感在高頻工

13、作時產(chǎn)生一定損耗而引起的。放大器的能量轉換效率主要由集電極的效率所決定。因此常將集電極的效率視為高頻功率放大器的效率，用表示，即 (2-26)式中：為示波器讀出的測量值；為直流毫安表的測量值。四、 實驗內(nèi)容1 計算電路參數(shù)，完成電路設計及裝調(diào)。2 觀察諧振功率放大器工作狀態(tài)。3 觀察并分析集電極電源電壓VCC 變化對諧振功率放大器工作的影響。4 觀察并分析集電極負載變化對諧振功率放大器工作的影響。設計課題：設計高頻諧振功率放大器 n 已知條件 +Vcc：+9V，晶體管Q2N3904. 主要參數(shù)為，飽和壓降，。n 主要技術指標 輸出功率，負載電阻，效率,工作中心頻率五、 參數(shù)設計試驗原理圖如下：

14、通用器件固定焊好，需要設計的器件采用插針方式連接1 選定試驗電路形式，圖 為高頻功率放大器的參考實驗電路。圖2.7 高頻功率放大器的實驗電路2確定放大器的工作狀態(tài)。高頻諧振功率放大器參數(shù)設計：選擇導通角3計算諧振回路及耦合回路的參數(shù)。4設計基極偏置電路。說明：由于功率放大電路是由實驗一的電路修改得到的，故限定了接入系數(shù)，由該接入系數(shù)得到負載R2。六、 實驗結果記錄1. 實驗輸出波形如下圖所示：當輸入信號為Vipp=2V，電源電壓Vcc=9v, 負載時，測得Ic0=14mA，Vopp=5.00V，此時輸出功率：則效率1、輸入信號與輸出功率之間的關系：條件：Vcc=9V RL=75測量數(shù)據(jù)：輸入信

15、號峰峰值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 單位：V對應的輸出信號峰峰值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 單位：V在MATLAB中利用公式輸出基頻功率Po=(Vopp/2).2/150)*1000(mW)P,S=polyfit(Vipp,Po,4) plot(Vipp,Po,'k*&#

16、39;,Vipp,polyval(P,Vipp),'k-')得輸入信號與輸出功率之間的關系圖：VippPo曲線橫軸代表輸入信號峰峰值，縱軸代表輸出功率：單位分別為V 和 mW分析：由上圖我們可以看出，隨著輸入信號幅度的增加，輸出功率增大，但當輸入信號幅度的增加到一定程度時，輸出功率增加放緩。這是由于放大器工作于過壓區(qū)的緣故。如下圖所示：隨著輸入電壓的改變，放大器進入不同的工作狀態(tài)。根據(jù)輸出電流的不同，分成欠壓、臨界、過壓三種狀態(tài):欠壓狀態(tài): 晶體管始終工作在線性區(qū)，輸出電流為尖頂余弦脈沖。輸出基波電壓和基波電流均隨輸入幅度增加而增加，輸出功率也相應增加。但是由于通角的變化，此增

17、加是非線性的，導致輸出功率的增加為非線性的。過壓狀態(tài): 在輸入電壓峰值附近，晶體管進入飽和區(qū)，輸出電流出現(xiàn)凹陷。由于晶體管飽和，輸出電壓趨于不變；由于出現(xiàn)凹陷，輸出基波電流也趨于不變，所以輸出功率趨于不變。臨界狀態(tài): 在輸入電壓峰值附近，晶體管到達飽和區(qū)邊緣，輸出電流基本是尖頂余弦脈沖。 在通角小于90度的時候，無論在哪種狀態(tài)，輸出電壓與輸入電壓的關系都不是線性關系。2、電源電壓與輸出功率之間的關系：條件：RL=75，Vipp=2.00V測量數(shù)據(jù)：電源電壓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.

18、4 7.8 8.2 8.6 9.0 單位：V對應的輸出信號峰峰值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 單位：V在MATLAB中利用公式輸出基頻功率Po=(Vopp/2).2/150)*1000(mW)P,S=polyfit(Vcc,Po,4) plot(Vcc,Po,'k*', Vcc,polyval(P, Vcc,),'k-')得電源電壓與輸出功率之間的關系：橫軸代表電源電壓，縱軸代表輸出

19、功率：單位分別為V 和 mW分析：此即集電極調(diào)制效應：通過改變集電極直流電壓，使得放大器的輸出發(fā)生改變，稱為集電極調(diào)制。集電極電壓Vcc 增大，工作狀態(tài)趨于欠壓區(qū)；Vcc 減小，工作狀態(tài)趨于過壓區(qū)欠壓區(qū)：由于晶體管的恒流特性，導致輸出電壓和輸出電流均基本不變，輸出功率亦基本不變過壓區(qū)：晶體管進入飽和區(qū)，輸出電壓、輸出電流以及輸出功率受Vcc 控制（調(diào)制）。所以若電源電壓繼續(xù)增大，應該工作在欠壓區(qū)，曲線應趨于平緩。測試時未體現(xiàn)出來。 3、負載與輸出功率之間的關系：條件：Vcc=5V Vipp=2.00V測量數(shù)據(jù)：負載RL =20 24 27 30 36 39 43 47 51 56 62 68

20、75 91 100 120 150 180 200 270 300 單位：對應的輸出信號峰峰值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 單位：V在MATLAB中利用公式輸出基頻功率Po=(Vopp/2).2)./(2* RL)*1000 (mW)P,S=polyfit(RL,Po,4) plot(RL,Po,'k*', RL ，polyval(P, RL,),'k-')得負載與輸出功率之間的關系圖：R

21、LPo曲線橫軸代表負載，縱軸代表輸出功率：單位分別為 和 mW分析：如圖，隨著負載的增大，輸出功率減小。工作狀態(tài)應向過壓移動。 欠壓狀態(tài)，基波電流變化緩慢，近似恒流源； 過壓狀態(tài)，基波電壓變化緩慢，近似恒壓源 臨界狀態(tài)，具有最高的輸出功率七、 思考題1 丙類功率放大器中的耦合回路起什么作用?怎樣判斷輸出耦合回路已在諧振點和匹配狀態(tài)?答：耦合回路起的作用如下：1) 實驗過程中需要有一個最佳負載阻抗使功放工作在臨界狀態(tài)。所以，耦合回路便起著使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡的作用。2) 抑制工作頻率以外不需要的頻率，即它有良好的濾波作用：由

22、于回路的選擇性對基波電流而言回路等效為一純阻，對各次諧波而言，回路失諧，呈現(xiàn)很小的阻抗，回路兩端可看成短路；而直流分量只能通過回路電感線圈的支持，其直流電阻很小，對直流也可看成短路。這樣，脈沖狀的集電極電流ic，流經(jīng)諧振回路時，只有基波電流才產(chǎn)生電壓降，即回路兩端只有基波電壓，因而輸出的高頻信號的波形沒有失真。3) 降低插入損耗，即減小回路本身損耗引起的功率增益下降?？梢酝ㄟ^觀察集電極的尖頂余弦脈沖來判斷匹配狀態(tài)。調(diào)節(jié)電容，當輸出波形最大時就是諧振點。調(diào)試時，保持輸入信號幅度不變，調(diào)節(jié)可變電容和變壓器鐵芯的位置，改變輸入信號幅度，觀察輸出信號是否在10.7MHz處有最大值。如果輸出波形在此頻率處幅度最大，就說明耦合回路已經(jīng)在諧振點和匹配狀態(tài)。2. 功率放大器調(diào)試過程中應注意哪些問題?調(diào)試步驟如何?輸出負載阻抗短路為什么可能損壞晶體管?答：在功率放大器的調(diào)試過程中，除了電路接觸、接地、退耦、引線長度、元件布局等常規(guī)問題外，還必須注意晶體管的保護。晶體管損壞是高頻功率放大器調(diào)試過程中比較常見的問題，一方面是由于晶體管各項參數(shù)的使用裕量小，造成抗過載能力差；另一方面，在高頻大信號的情況下，晶體管所承受的功耗大，極間峰值電壓高，極有可能燒毀。為保證晶體管安全工作，調(diào)諧時，先將電源電壓VCC降低到規(guī)定值的一半或更低，找到諧振點后，再把電源電壓恢復到正常值，再進行微調(diào)