《高頻電子線(xiàn)路》實(shí)訓(xùn)報(bào)告

題目：高頻諧振功率放大器的性能研究

設(shè)計(jì)過(guò)程：

1．高頻功率放大器簡(jiǎn)介

高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對(duì)頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000

Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無(wú)調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百Hz一直到幾百、幾千甚至幾萬(wàn)MHz），但相對(duì)頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺(tái)（535－1605

kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10

kHz，如中心頻率取為1000

kHz，則相對(duì)頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對(duì)頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn)，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類(lèi)、甲乙類(lèi)或乙類(lèi)（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類(lèi)（某些特殊情況可工作于乙類(lèi)）。

2.高頻功率放大器的分類(lèi)

高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱(chēng)為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線(xiàn)變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱(chēng)為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。

諧振功率放大器的特點(diǎn)：

①放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。

②輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。

③基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類(lèi)狀態(tài)。

④輸入余弦波時(shí)，經(jīng)過(guò)放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。

3.功率放大器的三種工作狀態(tài)

高頻功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、丙類(lèi)等，提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類(lèi)、丙類(lèi)狀態(tài)，但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很?chē)?yán)重的非線(xiàn)性失真。低頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)很大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類(lèi)狀態(tài)；采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類(lèi)狀態(tài)；高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類(lèi)狀態(tài)，通過(guò)諧振回路的選頻作用，可以濾除放大器的集電極電流中的諧波成分，選出基波從而消除非線(xiàn)性失真。因此，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。

工作狀態(tài)

半導(dǎo)通角

理想效率

負(fù)

載

應(yīng)

用

甲類(lèi)

qc=180°

50%

電阻

低頻

乙類(lèi)

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低頻，高頻

甲乙類(lèi)

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低頻

丙類(lèi)

qc＜90°

h＞78.5%

選頻回路

高頻

丁類(lèi)

開(kāi)關(guān)狀態(tài)

90%~100%

選頻回路

高頻

表1-1

不同工作狀態(tài)時(shí)放大器的特點(diǎn)

4.放大器電路分析

（1）諧振功放基本電路組成如圖1-2所示為高頻功率放大器的基本電路。為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇工作在丙類(lèi)狀態(tài)下工作。我們知道，在一元件（呈電阻性）的耗散功率等于流過(guò)該元件的電流和元件兩端電壓的乘積。由圖可知基極直流偏壓VBB

使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對(duì)于NPN型管來(lái)說(shuō)，只有在激勵(lì)信號(hào)為正值的一段時(shí)間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。

晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用，諧振回路中LC是晶體管的負(fù)載，電路工作在丙類(lèi)工作狀態(tài)。

圖1-2

高頻功率放大器基本電路

圖1-2

諧振功率放大器各級(jí)電壓和電流波形

（2）集電極電流余弦脈沖分解

當(dāng)晶體管特性曲線(xiàn)理想化后，丙類(lèi)工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)。

晶體管的內(nèi)部特性為：

ic

=

gc

(eb–VBZ)

它的外部電路關(guān)系式：

eb

=

–VBB

+

Vbmcoswt

ec

=

VCC

–Vcmcoswt

當(dāng)wt=0時(shí)，ic

=

ic

max

因此，ic

max

=

gcVbm(1–cos

qc)

若將尖頂脈沖分解為傅里葉級(jí)數(shù)，得

ic

=Ic0+Icm1coswt+Icm2cos2wt+…+Icmncosnwt+…

由傅里葉級(jí)數(shù)的求系數(shù)法得

其中

5.諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性

（1）諧振功放的三種工作狀態(tài)

在非線(xiàn)性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：

①欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線(xiàn)的右方

②過(guò)壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線(xiàn)之左的飽和區(qū)

③臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過(guò)壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線(xiàn)上。

i

c

i

c

I

m

0

180

°

＜

°

w

t

B

A

C

D

負(fù)載增大

V

CC

Q

V

c

1.欠壓狀態(tài)

2.臨界狀態(tài)

3.過(guò)壓狀態(tài)

R

p

V

c

V

c

圖1-3

電壓、電流隨負(fù)載變化波形

（2）諧振功率放大器的外部特性

如果VCC、VBB、Vb

這幾個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻R

決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。

①欠壓狀態(tài)：B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R*

Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。

②臨界狀態(tài)：負(fù)載線(xiàn)和Eb

max正好相交于臨界線(xiàn)的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線(xiàn)狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損

耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個(gè)狀態(tài)。

③過(guò)壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。

R

Recr

IC1m

VC1m

IC0

欠壓

過(guò)壓

圖1-4

諧振放大器的負(fù)載特性

集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對(duì)應(yīng)于VCEmin的動(dòng)態(tài)點(diǎn)必定在VBE＝VBEmax的那條特性曲線(xiàn)上移動(dòng)；當(dāng)VCC由大減小時(shí)，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過(guò)壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。

VC1m

Ic1m

Ic0

過(guò)壓

臨界

欠壓

過(guò)壓

臨界

欠壓

VCC

VCC

h

P1

P0

圖1-5

諧振放大器的集電極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖2-7所示。當(dāng)Vbm一定，VBB自負(fù)值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應(yīng)的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)。

放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類(lèi)似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過(guò)壓；進(jìn)入過(guò)壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。

VC1M

IC1M

IC0

h

P0

P1

欠壓

臨界

過(guò)壓

欠壓

臨界

過(guò)壓

Vbm

Vbm

圖1-6

諧振放大器的放大特性

6.電路的設(shè)計(jì)

（1）丙類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)

因?yàn)橐螳@得的效率>60%，放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài)，取=70°,所以諧振回路的最佳電阻為

=551.25Ω

集電極基波電流振幅

≈0.019A

集電極電流最大值為

=0.019/0.436=43.578mA

其直流分量為

=*=43.578*0.253=11.025mA

電源供給的直流功率為

PD=Ucc*Ico=132.3mW

集電極損耗功率為

P=

PD

–

PC

=32.3mW

轉(zhuǎn)換效率為

η=

PC

/

PD

=100/132.3=75.6%

當(dāng)本級(jí)增益=13dB即20倍放大倍數(shù)，晶體管的直流β=10時(shí)，有：

輸入功率為

P1=P0/AP=5mW

基極余弦電流最大值為

IBM

=

ICM

/β

≈

4.36Ma

基極基波電流振幅

=4.360.436=1.9mA

所以輸出電壓的振幅為

UBM

=2

P1/

IB1M≈5.3V

（2）諧振回路和耦合回路參數(shù)計(jì)算

丙類(lèi)功放輸入、輸出回路均為高頻變壓器耦合方式，其中基極體電阻Rbb<25Ω,則輸入阻抗

≈87.1Ω

則輸出變壓器線(xiàn)圈匝數(shù)比為

≈6.4

在這里，我們假設(shè)取N3=13和N1=2，若取集電極并聯(lián)諧振回路的電容為C=100pF，則

≈7.036μH

采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁環(huán)來(lái)繞制輸出變壓器，因?yàn)橛?/p>

其中

μ=100H/m,A=,=25mm,L

=7.036μH

所以計(jì)算得N2=7

仿真結(jié)果：

（1）

multisim仿真高頻諧振功率放大電路原理圖

圖1-7高頻諧振功率放大器仿真電路圖

（2）

仿真示波器測(cè)得輸入與輸出信號(hào)電壓波形

用高頻信號(hào)源提供2MHz的輸入信號(hào)，幅度在1V左右，觀測(cè)到放大后的不失真的輸入信號(hào)。當(dāng)輸出信號(hào)幅度最大，失真最小時(shí)，認(rèn)為功放已經(jīng)調(diào)諧了。

圖1-8調(diào)諧波