高频丙类功率放大器设计

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2目录一、实验目的............................................................................................................3二、实验原理............................................................................................................32.1丙类谐振功率放大器的工作原理..................................................................32.2丙类谐振功率放大器的负载特性..................................................................52.3丙类谐振功率放大器的调制特性..................................................................62.4丙类谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路...............................................72.4.1偏置电路....................................................................................................72.4.2耦合电路....................................................................................................8三、电路调试和主要技术指标的实验测试..........................................................103.1谐振状态的调整方法.....................................................................................103.2主要技术指标的测试.....................................................................................103.2.1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..............................................................................................................183一、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C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C越小，放大器的效率越高。如甲类功放的180，效率最高也只能达到50％，而丙类功放的90，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丙类谐振功率放大器的工作原理CLRLviVBBVCCiC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icicvbeωtθ0ωtVBBicmVBMVth图2.2输入电压BEV与集电极电流脉冲Ci的关系4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CMI为余弦脉冲的最大值，)(0为余弦脉冲的直流分解系数，thBBBMarccosVVV(2-4)式中：thV为晶体管的导通电压；BBV为晶体管的基极偏置；BMV为功率放大器的激励电压振幅。将IC傅立叶展开：CM2()cos2sincoscossin()(1)(1cos)CniIntnnnnn其中(2-5)尖顶余弦脉冲分解系数如图2.4所示000.50.40.30.20.1306090120150180α0α1α2α312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CCV提供的直流功率DC0CCPIV(2-6)其中，C0I余弦脉冲的直流分量coscos(coscos)cos(1cos)coscos1cosCMMMcmMMMCcmiItIItIIIItiIicωtθ0Icmπ2IM5C0CM0()II，(2-7)2．集电极输出基波功率OCM1CM112PIV(2-8)式中：CMV为集电极输出电压振幅；CM1I为余弦电流脉冲的基波分量。CM1CM1()II(2-9)3．集电极效率OCM1CM1CDC0CC12PIVPIV(2-10)4．集电极耗散功率CDOPPP(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80~60。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CCV，基极偏置电压BBV，输入激励电压BMV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eR。谐振功率放大器的交流负载特性如图2.5所示。icvceωtVCCωticCABCABQVCES过压欠压临界RPD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CESV正好等于管子的饱和压降，集电极电流脉冲接近最大值CMI。此时集电极输出的功率OP和效率C都较高，放大器处于临界工作状态。此时输出功率为1111111()22CMCMCMCMPIVIV(2-12)6当已知晶体管的临界饱和压降CESV时，有VCM1=VCC-VCES(2-13)临界状态下的谐振阻抗为111()CMCCCESeCMCMVVVRII(2-14)当eR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eR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CMCCCESvVV(2-15)式中CMv为集电极输出电压的幅度，CCV为电源电压，CESV为晶体管饱和压降。根据上述分析，在CCV,BBV,BMv不变的条件下，对不同的PR丙类放大器的电流、电压、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P0R时，动态线将是一条通过CCV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CMI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CMP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PR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。临界临界过压过压欠压欠压rereVcm1Vcm1Icm1Icm1PoPo7icvceωtVCC1ωticvbmVCC3VCC2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，会引起电路工作点变化，产生基极调制现象。icvceωtVCCωticvbeVBB1VBB3VBB2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'bbr上的降压作为偏置电压。它的缺点是偏压小，而且随晶体管'bbr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bR上的降压得到偏置电压，bC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eR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0(3~5)/eeRC。它可以自动维持放大器的稳定工作，当激励信号加大时，eoI加大，负偏压加大，使得eoI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eR，上建立8了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率，因此eR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LR能与放大器所需要的最佳负载电阻PR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LReRLC'CL图2.11L-1型网络21pLeLseRRRRQRR，(2-16)1'psLpseRXQCRXRCR(2-17)LLRbCbCeLReIeo901'LC(2-18)（2）L-2型网络LReRLCCL'图2.12L-2型网络21peeLsLRRRRQRR，(2-19)'psesLpRXRLQRRXL(2-20)01'LC(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。R4C6T1C2BC2AC1L1R332154VCCC5R5J1C3J2R6C4LED示波器信号源图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0T12fLC；0T1LC（2-22）TC为谐振回路总电容。10三、电路调试和主要技术指标的实验测试3.1谐振状态的