高频功率放大器实训报告

《高频电子线路》实训报告 题目：高频谐振功率放大器的性能研究 设计过程：
1．高频功率放大器简介 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大， 决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百Hz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此， 高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；
高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。

2.高频功率放大器的分类 高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；
宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

谐振功率放大器的特点：
①放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。

②输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。

③基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。

④输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

3.功率放大器的三种工作状态 高频功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等， 提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态，但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；
采用推挽电路时可以工作在乙类状态；
高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。

工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 qc=180° 50% 电阻 低频 乙类 qc=90° 78.5% 推挽，回路 低频，高频 甲乙类 90°＜qc＜180° 50%＜h＜78.5% 推挽 低频 丙类 qc＜90° h＞78.5% 选频回路 高频 丁类 开关状态 90%~100% 选频回路 高频 表1-1 不同工作状态时放大器的特点 4.放大器电路分析 （1）谐振功放基本电路组成 如图1-2所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。

图1-2 高频功率放大器基本电路 图1-2 谐振功率放大器各级电压和电流波形 （2）集电极电流余弦脉冲分解 当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。

晶体管的内部特性为：
ic = gc (eb–VBZ) 它的外部电路关系式：
eb = –VBB + Vbmcoswt ec = VCC –Vcmcoswt 当wt=0时， ic = ic max 因此， ic max = gcVbm(1–cos qc) 若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数，得 ic =Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+…+Icmncosnwt+… 由傅里叶级数的求系数法得 其中 5.谐振功率放大器的动态特性 （1）谐振功放的三种工作状态 在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：
①欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方 ②过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区 ③临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。

i c i c 3 2 1 I m 0 180 ° ＜ 90 ° w t B A C D 3 2 1 负载增大 V CC Q V c 1. 欠压状态 2. 临界状态 3. 过压状态 R p V c V c 图1-3 电压、电流随负载变化波形 （2）谐振功率放大器的外部特性 如果VCC、VBB、Vb 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

①欠压状态：B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。

②临界状态：负载线和Eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。

③过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

R Recr IC1m VC1m IC0 欠压 过压 图1-4 谐振放大器的负载特性 集电极调制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能随VCC变化的特性。如图2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脉冲宽度一定，因而对应于VCEmin的动态点必定在VBE＝VBEmax的那条特性曲线上移动；
当VCC由大减小时，相应的VCEmin也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，IC波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。

VC1m Ic1m Ic0 过压 临界 欠压 过压 临界 欠压 VCC VCC h P1 P0 图1-5 谐振放大器的集电极调制特性 基极调制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能随VBB变化的特性。如图2-7所示。当Vbm一定， VBB自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相应的Vcm）增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。

放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；
进入过压后，随着Vbm的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。

VC1M IC1M IC0 h P0 P1 欠压 临界 过压 欠压 临界 过压 Vbm Vbm 图1-6 谐振放大器的放大特性 6.电路的设计 （1）丙类功率放大器的设计 因为要求获得的效率>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取=70°,所以谐振回路的最佳电阻为 =551.25Ω 集电极基波电流振幅 ≈0.019A 集电极电流最大值为 =0.019/0.436=43.578mA 其直流分量为 =*=43.578*0.253=11.025mA 电源供给的直流功率为 PD=Ucc*Ico=132.3mW 集电极损耗功率为 P= PD – PC =32.3mW 转换效率为 η= PC / PD =100/132.3=75.6% 当本级增益=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，有：
输入功率为 P1=P0/AP=5mW 基极余弦电流最大值为 IBM = ICM /β ≈ 4.36Ma 基极基波电流振幅 =4.360.436=1.9mA 所以输出电压的振幅为 UBM =2 P1/ IB1M≈5.3V （2）谐振回路和耦合回路参数计算 丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb<25Ω, 则输入阻抗 ≈87.1Ω 则输出变压器线圈匝数比为 ≈6.4 在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则 ≈7.036μH 采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有 其中 μ=100H/m , A=, =25mm, L =7.036μH 所以计算得N2=7 仿真结果：
（1）
multisim仿真高频谐振功率放大电路原理图 图1-7高频谐振功率放大器仿真电路图 （2）
仿真示波器测得输入与输出信号电压波形 用高频信号源提供2MHz的输入信号，幅度在1V左右，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。

图1-8调谐波