高频丙类功率放大器实验项目的设计与实践

侯长波，彭艳华，李浩哲

（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

高频丙类功率放大器实验项目的设计与实践

侯长波，彭艳华，李浩哲

（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

为加深学生对高频丙类功率放大器工作原理的理解，经过三年的实验教学确定了成熟的丙类功率放大器实验方案。首先，从电路原理图设计、元器件选型等方面进行具体设计，之后通过实际测试研究了激励电压、负载、电源电压变化对工作状态的影响，并结合理论分析了实验结果，最后研究和探讨了实验过程中碰到的问题。实验结果表明，该方案清晰地再现了丙类功率放大器的工作过程，教学效果良好，可为其他高校开设丙类功率放大器实验提供一定的借鉴和帮助。

通信电子线路；高频；丙类；功率放大器；实验方案

高频丙类功率放大器是通信电子电路课程教学的重点内容，也是一种广泛应用于无线电发送设备的基本单元电路。由于具有高工作频率、器件非线性等特点，在讲解丙类功率放大器时，通常采用折线法分析激励电压、负载变化、电源电压等对工作状态的影响，概念抽象，学生难以理解，使得丙类功率放大器成为通信电子线路教学的难点。

为了加深学生对丙类功率放大器工作过程的理解，很多高校都开设了丙类功率放大器的实验，一种模式是采用电路仿真软件Multisim来验证理论的正确性［1－5］，通过仿真再现丙类功率放大器教学中的过压、临界、欠压3种状态；另一种模式是采用实验箱来进行验证性实验［6］，更侧重于功能性验证；也有高校开展了丙类功率放大器技术的研究［7］和教学方法的研究［8］。为了在实验教学中引入丙类功率放大器，哈尔滨工程大学通信电子线路课程组在深入研究丙类功率放大器原理的基础上，经过三年的实验教学实践，确定了成熟的实验方案，实验实测波形和数据清晰地再现了丙类功率放大器的工作过程，教学效果良好。

本文论述高频丙类功率放大器实验项目的设计与实践，首先介绍实验电路原理图及设计要点，然后介绍实验过程及数据分析，重点研究了激励电压、负载、电源电压变化对工作状态的影响，最后分析实验过程中会碰到的问题。希望本文给其他高校开设丙类功率放大器实验提供一定的借鉴和帮助。

1 实验电路原理图及设计要点

实验电路原理图如图1所示，J4是激励信号输入接口；C2为输入端的耦合电容；Q1是功率三极管；L1、C1、R2、R1组成自给负偏置电路［9］，可通过J2输入负偏置电压，研究负偏置电压VBB对工作状态的影响；T1为高频变压器，T1、C5组成集电极谐振负载；电阻R3、R4、R5为负载电阻，可通过跳线J1选择，R3为标准负载电阻，阻值为150Ω，R4和可变电阻R5串联构成可变负载网络，可改变回路QL值，用来研究负载变化对工作状态的影响；R1为发射极电流的采样电阻；TP1测试点用来观察发射极电流的波形；J3为电源输入接口，C3、C4为集电极电源滤波电容，其中C3为无极性电容，滤除电源本身的中高频率噪声，而电解电容C4则滤除低频噪声。

图1 实验电路原理图

元器件选型及参数设计分析如下：

1）三极管Q1的选型是整个电路设计的关键。由参考文献［10］可知，晶体管的工作情况与频率有密切关系，通常把晶体管工作频率划分为以下3个区域：低频区f＜0.5fβ、中频区0.5fβ＜0.2fT、高频区0.2fT＜f＜fT。其中，f是晶体管的工作频率，fβ为截止频率，fT为特征频率，fβ与fT之间的关系为fT≈βfβ。对于晶体管来说，折线法只适用于工作频率低的场合，频率进入中频和高频区后，由于晶体管的内部物理过程，实际数值与计算值有很大的不同，实际输出电流会小很多，而且有额外相移。图2（a）是低频大信号丙类工作时的发射极电流脉冲波形，它的导通角为θe，脉冲为尖顶余弦状（欠压或临界时）。随着工作频率升高到一定程度后，发射极电流出现了负脉冲，如图2（b）所示，负脉冲的高度Iθ与宽度2θ都随频率的升高而增加。

为了能观察到与理论教学相接近的余弦脉冲，必须充分考虑上述因素，本文选用恩智浦的射频三极管BFG591，典型参数为：fT＝7 GHz，hFE＝［60，250］，ICmax＝200 mA，其对应的低频工作区f＜14 MHz。

图2 大信号丙类工作时的发射极电流脉冲

2）变压器T1的选型。变压器可采用磁环自己绕制，也可以选用中周变压器。本文重点研究采用丙类功率放大器的工作过程，同时也考虑到中周变压器更加可靠耐用，因此最终选用中周变压器TTF2－2，其内部结构如图3所示，技术参数如表1所示。TTF2－2初级等效为180 pF与电感并联，中心频率可通过调节磁芯位置来调节，为避免频繁调节磁芯造成中周变压器损坏，初级通过并联5～30 pF可调电容来微调谐振频率。

图3 TTF2－2内部结构图

表1 TTF2－2技术参数

3）自给负偏置电路设计考虑。L1是扼流电感，在工作频率时阻抗很大，而对于直流的负偏置电压近似短路；C1是为了旁路交流信号对负偏置电压的影响，在工作频率时阻抗很小，可认为虚地；R1是发射极采样电阻，取值要合适，取值过大会增大丙类功率放大器的功率损耗，降低整机效率，取值过小则会造成发射极电流脉冲采样信号幅度太小。

2 实验步骤及数据分析

2.1 连接电路

连接直流电源，电源电压VCC＝12.0 V，以万用表测量为准，选择谐振功放输出负载电阻R3＝150Ω。

2.2 调谐特性的测试（中心频率450±30 kHz）

将高频信号发生器的输出峰峰值调至约1.8 V，接至功率放大器的输入端J4，示波器通道1观察输入信号，通道2观察发射极余弦脉冲，通道3观察功率放大器输出。由晶体管y参数等效电路可知，当电路谐振时，输出和输入信号相移近似180°，因此可通过观察输出和输入信号相移来确定电路是否调谐。当电路调谐于450 kHz，输入信号频率为430，450，470 kHz时，波形分别如图4～图6所示。（CH1为输入信号，是波形图最上面波形；CH2为发射极余弦信号，是波形图中间波形；CH3为输出信号，是波形图最下面波形，后同）

图4 输入信号频率430 kHz时波形图

图5 输入信号频率450 kHz时波形图

图6 输入信号频率470 kHz时波形图

2.3 研究激励电压变化对工作状态的影响

在负载电阻RL＝150Ω，高频信号发生器的输出频率为功率放大器谐振频率时，改变激励电压幅度，观察发射极电流的脉冲形状，记录欠压、临界、过压3种工作状态下的波形分别如图7～图9所示，功率放大器的输入和输出幅度值如表2所示。

表2 激励电压对工作状态影响

图7 欠压工作状态波形图－激励电压变化

图8 临界工作状态波形图－激励电压变化

图9 过压工作状态波形图－激励电压变化

［11］可知激励电压对丙类功率放大器工作状态影响的动态特性曲线如图10所示，在激励电压Ubm＝1.87 V时，电路处于欠压状态。随着激励电压的增加导通角逐渐变大，由于动态特性斜率与导通角θe存在反比关系，必然导致斜率变小。因此，在欠压状态下的动态特性A1B1－B1C1变为临界条件下的A2B2－B2C2。同样，当激励电压增加到2.23 V时，进入过压状态。总的来说，随着激励电压的增加，放大器的工作状态由欠压逐渐向临界和过压状态过渡，实测结果与理论吻合。

图10 激励电压对工作状态的影响

2.4 研究负载变化对工作状态的影响

在高频信号源输出幅度为步骤2.3中临界状态下信号源输出幅度，改变负载电阻大小，记录欠压、临界、弱过压、过压工作状态下的波形分别如图11～图14所示，不同负载值对应的电源电流、输出电压和效率如表3所示。

表3 负载特性对工作状态影响

图11 欠压工作状态波形图－负载变化

图12 临界工作状态波形图－负载变化

图13 弱欠压工作状态波形图－负载变化

图14 过压工作状态波形图－负载变化

由参考文献［11］可知丙类功率放大器的负载特性曲线如图15所示，随着负载电阻RP的增大，功率放大器的工作状态由欠压状态变为临界状态，然后进入过压状态。在欠压和临界状态，由于集电极电流为尖顶脉冲，电流脉冲的直流分量IC0、基波分量Ic1m不变。输出电压振幅Ucm＝Ic1mRP线性增加，因此实测得到在负载电阻由106.9Ω变为150.0Ω时，输出电压值由4.07 VPP增加到了5.53 VPP。进入过压状态后因为集电极电流波形有凹陷，使得Ucm增加缓慢，实测数据中输出电压值的变化情况与之吻合。同理，在欠压和临界状态IC0、Ic1m不变，随着RP增加，电源输出功率P＝基本保持不变，输出功率P0线性增加，集电极效率ηC随之增加，进入过压区后，P＝快速减小。ηC在弱过压区由于P0下降得比P＝慢，导致ηC略增，进入强过压区后ηC就会下降。对应实测数据可以发现，ηC从欠压到临界状态增加较快，到弱过压状态达到61%的最大效率后开始下降。

图15 丙类功率放大器负载特性

2.5 研究电源电压对工作状态的影响

在RL＝150Ω，高频信号源输出幅度为步骤2.3中临界状态下信号源输出幅度时，改变输入电源电压的大小，记录欠压、临界、弱过压以及过压工作状态下的波形分别如图16～图18所示，不同状态下电源电压及输出电压如表4所示。

表4 电源电压对工作状态影响

图16 欠压工作状态波形图－电源电压变化

图17 临界工作状态波形图－电源电压变化

图18 过压工作状态波形图－电源电压变化

由参考文献［11］可知电源电压VCC对工作状态的影响如图19所示。当电源电压由12.0 V增加到12.7 V时，IQ、uBEmax、动态特性斜率、集电极最大电流、导通角都保持不变，使得原动态特性向右平移，对应图中V″CC向V′CC变化，工作状态由临界变成欠压。同理，在VCC减小到10.2 V过程中IQ、 uBEmax、θe保持不变，放大器一定进入过压状态，这样集电极最大电流就会减小，从而引起回路两端基波电压振幅减小。在过压状态下，因为回路两端基波电压振幅随电源电压减小而减小，动态特性斜率的绝对值要随电源电压减小而略有增加，但是仍然是过压状态，对应相当于动态特性向左移。总的来说，在电源电压有由V″CC增加到V′CC时，动态特性从A2B2－B2C2变为A1B1－B1C1，同样的减小到VCC时，动态特性变为过压的A3B3－B3C3。

图19 电源电压对工作状态的影响

3 实验中碰到的问题及研究

1）发射极余弦脉冲下凹不对称。

由于在讲解丙类功率放大器时，将晶体管特性曲线理想化，采用折线法进行分析；但实际的晶体管特性曲线并非如此，在放大区集电极电流和基极电流受集电极电压影响，在饱和区集电极电流受基极电压影响，模型比较复杂，因此实际的余弦脉冲下凹，不可能完全对称。

2）过压状态下，功率放大器输出正弦波有失真。

过压状态下，集电极余弦脉冲波形有下凹，是由于三极管由放大区进入了饱和区，造成失真的信号的频率也为基波频率，其傅里叶级数分解的基波频率同样会通过谐振负载放大后输出，因此输出波形会失真。

3）实验过程中射频宽带三极管BFG591损坏。

由于BFG591的ICmax＝200 mA，因此在实验过程中，一定要注意激励电压幅度不要大于（UBE＋0.2× 10）VP，也即输入激励信号峰峰值不要大于5.4VPP。

4 结束语

本文完整论述了丙类功率放大器实验项目的设计及实施过程，首先从电路原理图设计、元器件选型等方面进行具体设计分析，然后研究了激励电压、负载以及电源电压的变化对丙类功率放大器工作状态的影响，实测波形清晰直观地再现了丙类功率放大器的工作过程，同时对于测试过程中出现的问题进行深层分析。该实验教学效果良好，可为其他高校开设丙类功率放大器实验项目提供一定参考和借鉴。

参考文献

［1］郑文.基于Multisim的高频功率放大器仿真分析［J］.实验科学与技术，2014，12（1）：22－23．

［2］史庆军.基于Multisim2001的高频丙类谐振功率放大器仿真研究［J］.佳木斯大学学报（自然科学版），2008，26（2）：197－199．

［3］辛修芳，彭爱莲.基于Multisim2001丙类功率放大器的仿真研究［J］.重庆高教研究，2010，29（2）：36－38．

［4］庄海军.基于软件仿真的高频功率放大器设计［J］.信息化研究，2008，34（11）：33－34．

［5］雷连英.高频丙类功率放大器的仿真分析［J］.科技信息，2010（31）：85－85．

［6］张凤山，粟田禾.高频丙类功放实验常见问题及应对方法［J］.实验室科学，2013，16（4）：47－49．

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［8］吴元亮，徐勇，关宇，等.丙类功率放大器多向融合探究式教学案例［C］／／中国电子教育学会高教分会2014年年会论文集.2014：112－117．

［9］陈文华.丙类功率放大器自给偏置效应产生原因的分析［J］.科技情报开发与经济，2007，17（33）：143－144．

［10］张肃文.高频电子线路［M］.5版.北京：高等教育出版社，2009．

［11］阳昌汉.高频电子线路［M］.2版.北京：高等教育出版社，2013：67－70．

Design and Practice of High－frequency Class C Power Am plifier Experimental Project

HOU Changbo，PEN Yanhua，LIHaozhe
（College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to deepen students＇understanding of the operating principle of high frequency class C amplifier，themature experimental program is proposed after three years of experimental teaching.Firstly，the design of the circuitschematic diagram and the selection of components selection are designed specifically.Then，the impact on the operating state is researched through actual testing when the excitation voltage，load，supply voltage variations changed.Moreover the experimental results are analyzed with the theory.Finally，the problems encountered in the experiment are analyzed and discussed.The experimental results show that the project clearly reproduced the work process of the class C power amplifier，and the favorable teaching effectwas obtained.Itmay be helpful for the other universities to open the class C power amplifier experiments．

communications electronic circuit；high frequency；class C；power amplifier；experimental program

TN722；G642.423

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.005

2016－01－15；修改日期：2016－03－28

教育部产学合作协同育人项目立项（201601004024）；哈尔滨工程大学2016年本科教学改革研究重点项目（JG2016BZD19）。

侯长波（1968－），男，硕士，讲师，主要从事电路与电子系统方面的研究工作。