高频谐振功率放大器

高频谐振功率放大器
一、实验目的
1、进一步理解谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗，激励电压和集电极电源
电压变化对其工作状态的影响。
2、掌握谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。
二、电路的基本原理
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，这是无线电发
射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类
及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ< 90º，效率η可达
到80%，甲类功率放大器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。

图3-1 高频功率放大器
图3-1 为由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路，其中VT1 组成甲类功
率放大器，晶体管VT2 组成丙类谐振功率放大器，这两种功率放大器的应用十分广
泛，下面介绍它们的工作原理及基本关系式。
1、甲类功率放大器
1）静态工作点
如图3-1 所示，晶体管VT1 组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中
RB1、RB2 为基极偏置电阻；RE1 为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。RF1
为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由
下列关系式确定：
uEQ=IEQ（RF1+RE1）≈ICQRE1 （3-1）
式中，RF1 一般为几欧至几十欧。
ICQ=βIBQ （3-2）
uBQ=uEQ+0.7V （3-3）
uCEQ=Ucc - ICQ（RF1+RE1） （3-4）
2）负载特性

如图3-1 所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间
通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0 可表示为：P0 = PH′/ηB （3-5）
式中，PH′为输出负载上的实际功率，ηB 为变压器的传输效率，一般为ηB=0.75~0.85。

图3-2 甲类功放的负载特性
图3-2 为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q 应选
在交流负载线AB 的中点，此时集电极的负载电阻RH 称为最佳负载电阻。集电极的输出功率PC 的表达式为：

3）功率增益

与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，对于图4.3.1 所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益Ap 的表达式为

关系。由图可得：

图3-6 变压器耦合电路

式中，N1 为集电极接入初级匝数。
N2 为初级线圈总匝数。
N3 为次级线圈总匝数。
QL 为初级回路有载品质因数，一般取2~10。
两类功率放大器的输入回路亦采用变压器耦合方式，以使输入阻抗与前级输出阻

抗匹配。分析表明，这种耦合方式的输入阻抗Zi 为

式中，
 r b b' 为晶体管基极体电阻
rb b ' ≤25Ω。
2）负载特性
当功率放大器的电源电压+ucc，基极偏压ub，输入电压C 或称激励电压usm 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Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图3-7 所示，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
uCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。

当Rq< R0 放大器处于欠压工作状态，如C 点所示，集电极输出电流虽然较大，
但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当Rq > R0 时，放大器处于过压状
态，如B 点所示，集电极电压虽然较大，但集电极电流波形有凹陷，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。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：
ucc - ucm = uCES （3-29）
式中，ucm 集电极输出电压幅度。uCES 晶体管饱和压降。
三、主要技术指标及测试方法
1、输出功率
高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL 上得到的最大不失真功率。对
于图3-1 所示的电路中，由于负载RL 与丙类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，则集电极回路的谐振阻抗RO 上的功率等于负载RL 上
的功率，所以将集电极的输出功率视为高频放大器的输出功率，即

测量功率放大器的主要技术的连接电路如图3-8 所示，其中高频信号发生器提供
激励信号电压与谐振频率，示波器监测波形失真，直流毫安表mA 测量集电极的直
流电流，高频电压表V 测量负载RL 的端电压。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。可以通过高频电压表V 及直流毫安表mA 的指针来判
断集电极回路是否谐振，即电压表V 的指示为最大，毫安表mA 的指示为最小时集
电极回路处于谐振。当然用扫频仪测量回路的幅频特性曲线，使中心频率处的幅值最大也可以。

图3-8 高频功放的测试电路
放大的输出功率可以由下式计算：

式中，uL 为高频电压表V 的测量值。
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电感、电容在高频工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。所以常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率，用η表示，即

式中，uL 为高频电压表的测量值；ICO 为直流毫安表的测量值。
3、功率增益
放大器的输出功率Po 与输入功率Pi 之比称为功率增益，用Ap（单位：dB）表示，
[见式（3-10）]。
四、电路的确定
1、本实验由两级组成：激励级由甲类功放组成，功放级由丙类功放组成，电源
供电为12V，甲类功放使用3DG12C，丙类由于输出功率要求不很大也用3DG12C，
3DG12C 主要参数如下：
Pcm=700mw， Icm=300mA， fT≥150MHz， uCES≤0.6V
本实验主要技术指标：输出功率P0 ≥ 125mw，工作中心频率f0 = 20.945MHz，
负载RL=50Ω。
2、确定电路和参数
激励级Q91 采用甲类放大，因此基极偏压采用固定偏压形式，静态工作点
ICQ=7mA。直流负反馈电阻为300Ω，交直流负反馈电阻为10Ω，集电极输出由变压
器耦合输出到下一级。谐振电容取22P，根据前面的理论推导，变压器T91 的参数
为
N 初级∶N 次级=2.56， 初级取18 匝，次级取7 匝。
功放级Q92 采用丙类放大。导通角为70º，基极偏压采用发射极电流的直流分量
IEO 在发射极偏置电阻Re 上产生所需要的VBB，其中直流反馈电阻为20Ω，交直流
反馈电阻为10Ω，集电极谐振回路电容为68P，负载为50Ω，输出由变压器耦合输
出，采用中间抽头，以利于阻抗匹配。它们的匝数分别为
N3=2 匝 N1=7 匝 N2=21 匝
最终电路如附图G1 所示。

五、实验内容
参看附图G1
1、调节W91，使Q91 的静态工作点为UEQ=2.17V, UCEQ =9.83V。
2、使用BT—3 型频率特性测试仪，调整T91、T92，T91 初级与C97，T92 初级
与C94 谐振在20.945MHz，同时测试整个功放单元的幅频特性曲线，使峰值在
20.945MHz 处。
3、 连接J92,J93,J94,J95，从IN91 处输入20.945MHZ 信号，信号大小为70mV,
用示波器探头在TT91 处观察输出波形，微调T91、T92，使输出波形不失真且最大。
4、从IN91 处输入信号，信号大小从70mV 开始增加,用示波器探头在TT92 上观
察电流波形，直至观察到有下凹的电流波形为止。此时，将示波器探头放在TT91 处，
微调T91、T92，使输出波形不失真且最大。然后改变输入信号大小，观察Q92 发射
极上的电流波形，使功放处于临界工作状态。
5、观察放大器的三种工作状态
回路谐振后，输入信号大小不变，改变负载RL，会使RP′发生变化，分别连接
J93、J94、J95，使负载电阻依次为51Ω→75Ω→168Ω→240Ω→560Ω依次变化，
并用示波器探头在TT92 上观察不同负载时的电流波形。同时，在TT92 处观察不同
负载时的输出电压波形。
6、测量负载特性
用高频电压表测量负载电阻上的电压，改变负载电阻RL（参照步骤4），记下相
应的电流ICQ 和电压VL，并且计算当RL=51Ω时的功率和效率。
7、改变激励电压的幅度，观察对放大器工作状态的影响。
使RL =560Ω（连J95），用示波器观察Q92 发射极上的电流波形，改变输入信号
大小，观察放大器三种状态的电流波形。
六、实验报告内容
1、画出放大器三种工作状态的电流波形。
2、计算当RL=51Ω和560Ω时，放大器的输出功率和效率。
3、绘出负载特性曲线。
七、实验仪器
1、BT-3G 频率特性测试仪（选项） 一台
2、高频电压表（选项） 一台
3、双踪示波器（40MHz） 一台
4、万用表 一块
5、调试工具 一套
6、高频信号源（最大功率10dBm,最高频率30MHz） 一台