高频谐振功率放大器特性的实验研究

孙小芳　龚冬梅　黄世梅

摘 要：高频谐振功率放大器是一种能量转换电路，它是将电压供给的直流能量转换成高频交流输出。作为通信系统中发送装置的重要组件，它是以谐振电路为负载的放大器。这种放大器一般工作在丙类状态，其输出功率大，效率高。文章在理论基础上，通过实验的方法对高频丙类功率放大电路的负载特性、放大特性、集电极特性进行分析。

关键词：谐振功率放大器；负载特性；集电极调制特性；振幅特性

引言

高频谐振功率放大器是采用具有选频网络作为负载的功率放大器，它是無线电发送设备的重要组成部分，其主要技术指标是输出功率、效率及谐波抑制度。谐波抑制度是指经过选频网络后使谐波分量尽量小，以避免干扰其它频道。根据放大器电流导通角的大小不同可以分为甲类，乙类和丙类等类型。由于高频功率放大器的输出功率是由电压供给功率中转换而来的，因此在满足了功率输出要求的同时，希望尽可能提高功率的转换效率，通常选择放大器工作在丙类状态[1-2]。文章在理论基础上，通过实际电路分析高频丙类功率放大电路特性。

1 电路的基本原理及分析

高频谐振功放以选频网络作为负载，广泛应用于通信、无线电等各种电子设备中，其导通角θ小于900，效率高，通常用作末级放大。基本原理图如图1所示。

其中，Vbb为基极偏压，Vcc为集电极直流电源电压。Vbb为反偏压，以便使电路处于丙类状态。ub为激励电压。图2为晶体管的转移特性，是描述集电极电流ic和基极电压Ub的关系曲线。图中的波形表示了功率放大器工作在丙类状态，在丙类状态下，uBE=-Vbb+UbmCOSωt，且uBE>Vbz时才有集电极电流通过。显然，在一个工作周期内ic是余弦脉冲，其导通时间在-θ～+θ之间。因此，集电极耗散功率小，效率高。用傅里叶级数展开ic得：

ic=IC0+IC1mCOSωt+IC2MCOS2ωt+…+ICnMCOSnωt

图3是高频功放实验电路图。其中，Q1为推动级，用来给Q2构成的丙类功放电路提供足够的激励电压。R6、L4等元件构成了自给负偏置电路。R7～R11为负载电阻。利用按键开关SW1可以方便地把不同的负载电阻分别接入电路中，以完成负载特性的实验。功放输出级电路单独供电，可通过改变电源电压，以观察集电极调制特性。R6是取样电阻，以便观察脉冲电流波形。

2 谐振功率放大器电路的调试原则

理论上，回路调到谐振时，回路两端的电压达到最大，集电极负载为纯阻。因此测量回路电压值就可以表明回路的谐振情况；以此同时，集电极直流电流IC0也应该达到最小。但实际上，当晶体管工作于高频工作状态下，由于其内部电容Cbc存在反馈，集电极电流的最小和回路两端的最大电压UL不能在同一时刻出现，所以，文章使用的实验电路中，我们不仅仅采用直流电压表监视集电极脉冲电流的直流分量，同时还通过采样电阻R6，利用示波器直接监视脉冲电流iC的方法来实现最好的调试效果。由谐振功率放大器的原理可知，谐振功率放大器工作在过压、临界、欠压三种状态时，其脉冲电流iC分别是顶部凹陷的余弦脉冲、平顶或顶部微凹的余弦脉冲、尖顶的余弦脉冲。为了获得较大的效率η以及使输出功率P0达到最大，本电路选取最佳负载电路为75Ω，调试使谐振功放工作于临界状态。也就是说，当负载为39Ω和51Ω时电路工作在欠压状态，负载为150Ω和390Ω时电路工作在过压状态。

3 电路调试与实验结果

3.1 谐振功率放大电路调整

接通负载电阻R9（75Ω）。仔细调整C2，使推动级的输出电压最大约2VP-P（频率为6.5MHz）。此时，电路谐振。仔细调整C10，使输出回路谐振。在输出端可以观测到几乎不失真的正弦波形。此时在R6两端也可以观测到一个平顶或顶部微凹脉冲电流波形（表明电路工作在临界状态）。否则，必须微调C10、C6和C9。（注意：推动级输出电压大小是否合适取决于当负载为75Ω时，在调谐状态下电路是否处于临界状态，如果不是，则需要根据实际情况调整其大小，也就是说，此时若电路已经处于过压状态，应适当调小输入电压；而如果此时电路让仍在欠压状态，应适当调大输入电压的幅度。）

3.2 谐振功放负载特性测试

在3.1的基础上，改变负载电阻依次为R7～R11，在Q2射级（R6两端）应该观察到从欠压到过压的余弦脉冲电流波形。记录不同负载条件下所获得的输出电压U0 （P-P）、电源提供给功放管集电极的电压VC2（本电路为12V）和脉冲电流的直流分量ICO。测试三种状态下的集电极直流电流时，用万用表直流电压档测量发射极电阻上的压降，然后再换算成电流。即：IC0=VE/RE（已知RE=10Ω）。结果填入表1中。根据公式我们可以很容易的计算出效率和输出功率P0的大小。（直流总功率PS=ICO×VC2；负载输出功率P0=VOP-P2/8RL，如果输出电压采用高频毫伏表测量，此时负载功率P0=VO2/RL；功放级效率η=P0/PS。）

在临界状态，输出功率最高，在弱过压状态可以得到最高的效率。因此，谐振功放电路的理想工作状态是工作在临界或者弱过压状态。

改变RL，用示波器观测R12上的集电极电流波形如下：

3.3 振幅特性

当其他因素不变的情况下，只改变Ui的幅值，可以看出随着输入信号由小到增大，脉冲电流将由欠压经临界状态再向过压状态变化。在欠压区输出信号的振幅基本随着Ui线性变化。因此，为了使输出反应输入信号的变化情况，须工作在欠压状态，这类似于基极调制特性。如果该功放用作限幅器，电路应工作在过压区，此时尽管Ui增大，输出幅度基本保持恒定。

3.4 集电极调制特性

将负载置于51Ω，输入信号电压及Eb保持不变，只改变Vc2从11～6V，同样可以根据脉冲电流的形状判断出电路从欠压状态到过压状态的变化过程。由此可以验证谐振功率放大器的集电极调制特性。并且，在过压区，Vc2对输出电压表现出较大的控制作用，这也就是集电极调幅的理论依据。

4 结束语

文章通过实际电路分析高频谐振功率放大器负载特性可知，当电路工作在临界状态时，负载可获得最大的输出功率和较大的效率；集电极调制特性实验可知，在过压区由于输出电压基本随着集电极电压线性变化，因此可以应用于集电极调幅中；振幅特性表明，在过压区，谐振功率放大器可以用作限幅器，此时，输出电压基本上不随输入电压增加而改变。

参考文献

[1]陈雅琴.通信电路实验与系统设计[M].清华大学出版社，2011，2.

[2]孙宵霄.高频丙类功率放大电路的设计[J].牡丹江师范学院学报，2008，2.

作者简介：孙小芳（1975，6-），女，实验师，本科，从事电子信息技术实验的研究。