高頻諧振功率放大器特性的實驗研究

孫小芳　龔冬梅　黃世梅

摘 要：高頻諧振功率放大器是一種能量轉換電路，它是將電壓供給的直流能量轉換成高頻交流輸出。作為通信系統中發送裝置的重要組件，它是以諧振電路為負載的放大器。這種放大器一般工作在丙類狀態，其輸出功率大，效率高。文章在理論基礎上，通過實驗的方法對高頻丙類功率放大電路的負載特性、放大特性、集電極特性進行分析。

關鍵詞：諧振功率放大器；負載特性；集電極調制特性；振幅特性

引言

高頻諧振功率放大器是采用具有選頻網絡作為負載的功率放大器，它是無線電發送設備的重要組成部分，其主要技術指標是輸出功率、效率及諧波抑制度。諧波抑制度是指經過選頻網絡后使諧波分量盡量小，以避免干擾其它頻道。根據放大器電流導通角的大小不同可以分為甲類，乙類和丙類等類型。由于高頻功率放大器的輸出功率是由電壓供給功率中轉換而來的，因此在滿足了功率輸出要求的同時，希望盡可能提高功率的轉換效率，通常選擇放大器工作在丙類狀態[1-2]。文章在理論基礎上，通過實際電路分析高頻丙類功率放大電路特性。

1 電路的基本原理及分析

高頻諧振功放以選頻網絡作為負載，廣泛應用于通信、無線電等各種電子設備中，其導通角θ小于900，效率高，通常用作末級放大。基本原理圖如圖1所示。

其中，Vbb為基極偏壓，Vcc為集電極直流電源電壓。Vbb為反偏壓，以便使電路處于丙類狀態。ub為激勵電壓。圖2為晶體管的轉移特性，是描述集電極電流ic和基極電壓Ub的關系曲線。圖中的波形表示了功率放大器工作在丙類狀態，在丙類狀態下，uBE=-Vbb+UbmCOSωt，且uBE>Vbz時才有集電極電流通過。顯然，在一個工作周期內ic是余弦脈沖，其導通時間在-θ～+θ之間。因此，集電極耗散功率小，效率高。用傅里葉級數展開ic得：

ic=IC0+IC1mCOSωt+IC2MCOS2ωt+…+ICnMCOSnωt

圖3是高頻功放實驗電路圖。其中，Q1為推動級，用來給Q2構成的丙類功放電路提供足夠的激勵電壓。R6、L4等元件構成了自給負偏置電路。R7～R11為負載電阻。利用按鍵開關SW1可以方便地把不同的負載電阻分別接入電路中，以完成負載特性的實驗。功放輸出級電路單獨供電，可通過改變電源電壓，以觀察集電極調制特性。R6是取樣電阻，以便觀察脈沖電流波形。

2 諧振功率放大器電路的調試原則

理論上，回路調到諧振時，回路兩端的電壓達到最大，集電極負載為純阻。因此測量回路電壓值就可以表明回路的諧振情況；以此同時，集電極直流電流IC0也應該達到最小。但實際上，當晶體管工作于高頻工作狀態下，由于其內部電容Cbc存在反饋，集電極電流的最小和回路兩端的最大電壓UL不能在同一時刻出現，所以，文章使用的實驗電路中，我們不僅僅采用直流電壓表監視集電極脈沖電流的直流分量，同時還通過采樣電阻R6，利用示波器直接監視脈沖電流iC的方法來實現最好的調試效果。由諧振功率放大器的原理可知，諧振功率放大器工作在過壓、臨界、欠壓三種狀態時，其脈沖電流iC分別是頂部凹陷的余弦脈沖、平頂或頂部微凹的余弦脈沖、尖頂的余弦脈沖。為了獲得較大的效率η以及使輸出功率P0達到最大，本電路選取最佳負載電路為75Ω，調試使諧振功放工作于臨界狀態。也就是說，當負載為39Ω和51Ω時電路工作在欠壓狀態，負載為150Ω和390Ω時電路工作在過壓狀態。

3 電路調試與實驗結果

3.1 諧振功率放大電路調整

接通負載電阻R9（75Ω）。仔細調整C2，使推動級的輸出電壓最大約2VP-P（頻率為6.5MHz）。此時，電路諧振。仔細調整C10，使輸出回路諧振。在輸出端可以觀測到幾乎不失真的正弦波形。此時在R6兩端也可以觀測到一個平頂或頂部微凹脈沖電流波形（表明電路工作在臨界狀態）。否則，必須微調C10、C6和C9。（注意：推動級輸出電壓大小是否合適取決于當負載為75Ω時，在調諧狀態下電路是否處于臨界狀態，如果不是，則需要根據實際情況調整其大小，也就是說，此時若電路已經處于過壓狀態，應適當調小輸入電壓；而如果此時電路讓仍在欠壓狀態，應適當調大輸入電壓的幅度。）

3.2 諧振功放負載特性測試

在3.1的基礎上，改變負載電阻依次為R7～R11，在Q2射級（R6兩端）應該觀察到從欠壓到過壓的余弦脈沖電流波形。記錄不同負載條件下所獲得的輸出電壓U0 （P-P）、電源提供給功放管集電極的電壓VC2（本電路為12V）和脈沖電流的直流分量ICO。測試三種狀態下的集電極直流電流時，用萬用表直流電壓檔測量發射極電阻上的壓降，然后再換算成電流。即：IC0=VE/RE（已知RE=10Ω）。結果填入表1中。根據公式我們可以很容易的計算出效率和輸出功率P0的大小。（直流總功率PS=ICO×VC2；負載輸出功率P0=VOP-P2/8RL，如果輸出電壓采用高頻毫伏表測量，此時負載功率P0=VO2/RL；功放級效率η=P0/PS。）

在臨界狀態，輸出功率最高，在弱過壓狀態可以得到最高的效率。因此，諧振功放電路的理想工作狀態是工作在臨界或者弱過壓狀態。

改變RL，用示波器觀測R12上的集電極電流波形如下：

3.3 振幅特性

當其他因素不變的情況下，只改變Ui的幅值，可以看出隨著輸入信號由小到增大，脈沖電流將由欠壓經臨界狀態再向過壓狀態變化。在欠壓區輸出信號的振幅基本隨著Ui線性變化。因此，為了使輸出反應輸入信號的變化情況，須工作在欠壓狀態，這類似于基極調制特性。如果該功放用作限幅器，電路應工作在過壓區，此時盡管Ui增大，輸出幅度基本保持恒定。

3.4 集電極調制特性

將負載置于51Ω，輸入信號電壓及Eb保持不變，只改變Vc2從11～6V，同樣可以根據脈沖電流的形狀判斷出電路從欠壓狀態到過壓狀態的變化過程。由此可以驗證諧振功率放大器的集電極調制特性。并且，在過壓區，Vc2對輸出電壓表現出較大的控制作用，這也就是集電極調幅的理論依據。

4 結束語

文章通過實際電路分析高頻諧振功率放大器負載特性可知，當電路工作在臨界狀態時，負載可獲得最大的輸出功率和較大的效率；集電極調制特性實驗可知，在過壓區由于輸出電壓基本隨著集電極電壓線性變化，因此可以應用于集電極調幅中；振幅特性表明，在過壓區，諧振功率放大器可以用作限幅器，此時，輸出電壓基本上不隨輸入電壓增加而改變。

參考文獻

[1]陳雅琴.通信電路實驗與系統設計[M].清華大學出版社，2011，2.

[2]孫宵霄.高頻丙類功率放大電路的設計[J].牡丹江師范學院學報，2008，2.

作者簡介：孫小芳（1975，6-），女，實驗師，本科，從事電子信息技術實驗的研究。