XX學院實驗報告

實驗名稱：非線性丙類功率放大器實驗

實驗室名稱：通信虛擬仿真實驗室實驗時間：20XX年12月10日

實驗設備及環(huán)境：

塊

1、信號源模塊

塊

2、頻率計模塊

塊

3、8號板

臺

4、雙蹤示波器

臺

、頻率特性測試儀（可選）

5塊

6、萬用表

實驗目的：

1、了解丙類功率放大器的基本工作原埋，掌握丙類放大器的調(diào)諧特性以及負載改變時的

動態(tài)特性。

2、施高頻功率放大器丙類工作的物理過程以及當激勵信號變化對功率放大器工作狀

態(tài)的影響。

3、比較甲類功率放大器與丙類功率放大器的特點

4、掌握丙類放大器的計算與設計方法。

實驗原理及內(nèi)容：

1、觀察高頻功率放大器丙類工作狀態(tài)的現(xiàn)象，并分析其特點

2、測試丙類功放的調(diào)諧特性

3、測試丙類功放的負載特性

4、觀察激勵信號變化、負載變化對工作狀態(tài)的影響

放大器按照電流導通角9的范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型。功率放大

器電流導通角8越小，放大器的效率〃越高。

甲類功率放大器的（A180’,效率〃最高只能達到50%,適用于小信號低功率放大，一般

作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。

非線性丙類功率放大器E勺電流導通角90,效率可達到80%,通常作為發(fā)射機末級功

放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。特點：非線性丙類功率放大器通常用來放大窄帶高

頻信號（信號的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小），基極偏置為負值，電流導通角。<90',

為了不失真地放大信號，它的負載必須是LC諧振回路。

電路原理圖如圖7-1所示，該實驗電路由兩級功率放大器組成。其中N4、Ts組成甲類功

率放大器，工作在線性放大狀態(tài)，其中RM、RIS、限組成靜態(tài)偏置電阻。N4>丁6組成丙類功

率放大器。R18為射極反饋電阻，T6為諧振回路，甲類功放的輸出信號通過R”送到M基極作

為丙放的輸入信號，此時只有當甲放輸出信號大于丙放管M基極一射極間的負偏壓值時，Q4

才導通工作。與撥碼開關相連的電阻為負載回路外接電阻，改變Si撥碼開關的位置可改變并

1

聯(lián)電阻值，即改變回路Q值。

圖大

下面介紹甲類功放和丙類功放的工作原理及基本關系式。

1、甲類功率放大器

1）靜態(tài)工作點

如圖7-1所示，甲類功率放大器工作在線性狀態(tài)，電路的靜態(tài)工作點由下列關系式確定:

甘應二/5酒5

VQQ-、鴕+0.7P

vop=Vg-

2）負載特性

如圖7T所示，甲類功率放大器的輸出負載由丙類功放的輸入阻抗決定，兩級間通過變

壓器進行耦合，因此甲類功放的交流輸出功率P。可表示為：

式中，印為輸出負載上的實際功率，體為變壓器的傳輸效率，一般為％=也75?。.85

圖7-2為甲類功放的負載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點Q應選在交流

負載線AB的中點，此時集電極的負載電阻R”稱為最佳負載電阻。集電極的輸出功率Pc的表

達式為：

式中，幾為集電極輸出的交流電壓振幅；匚為交流電流的振幅，它們的表達式分別為:

2

曝二%7■/m4廣%S

式中，V密稱為飽和壓降，約IV

16

式中，為變壓器次級接入的負載電阻，即下級丙類功放的輸入阻抗。

3）功率增益

與電壓放大器不同的是功率放大器有一定的功率增益，對于圖77所示電路，甲類功率

放大器不僅要為下一級功放提供一定的激勵功率，而且還要將前級輸入的信號進行功率放大,

功率放大增益Ap的表達式為

4一殳月

其中，R為放大器的輸入功率，它與放大器的輸入電壓U加及輸入電阻R的關系為

2、丙類功率放大器

1）基本關系式

丙類功率放大器的基極偏置電壓VBE是利用發(fā)射極電流的直流分量ko（^lco）在射極電

阻上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當放大器的輸入信號為正弦波時，集電

極的輸出電流ic為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓Vcl,電流icio

圖7-3畫出了丙類功率放大器的基極與集電極間的電流、電壓波形關系。分析可得下列基本

關系式：

式中，吟*為集電極輸出的諧振電壓及基波電壓的振幅；1為集電極基波電流振幅；及

3

為集電極回路的諧振阻抗。

pc-；匕加乙加=

▲LLAQ

式中，Pc為集電極輸出功率

PD=V@8

式中，PD為電源Vcc供給的直流功率；1c。為集電極電流脈沖ic的直流分量。

放大器的效率〃為

圖7-3丙類功放的基極/集電極電流和電壓波形

2）負載特性

當放大器的電源電壓+VCC，基極偏壓Vb，輸入電壓（或稱激勵電壓）Vsm確定后，如果電流

導通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻Rq。諧振功率放大器

的交流負載特性如圖7-4所示。

由圖可見，當交流負載線正好穿過靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移點A時，管子的集電極電壓正好等于管

子的飽和壓降VCES，集電極電流脈沖接近最大值1cm。

此時，集電極輸出的功率PC和效率〃都較高，此時放大器處于臨界工作狀態(tài),Rq所對應

的值稱為最佳負載電阻，用Ro表示，即

2尸。

當Rq<Ro時，放大器處于欠壓狀態(tài)，如C點所示，集電極輸出電流雖然較大，但集電極

電壓較小，因此輸出功率和效率都較小c當Rq>Ro時，放大器處于過床狀態(tài)，如B點所示.

4

集電極電壓雖然比較大，但集電極電流波形有凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了

兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。判斷放大器是否為

臨界工作狀態(tài)的條件是：

—2

實驗步驟及數(shù)據(jù)記錄:

1、連線框圖如圖7-5所示

2、在前置放大電路輸入端P5處輸入頻率了=10.7MHz（測試點TP7,Vp-p^300mV）的

高頻信號，調(diào)節(jié)中周T5,使TP15處信號約為3.5V。調(diào)節(jié)T6,使TP9幅度最大。

調(diào)諧特性的測試

將Si設為“0000”，以0.5MHz為步進從9MHz?15MHz改變輸入信號頻率，記錄TP9

處的輸出幅度，填入表7-1。

10.5MH11.5MH

Fi9MHz9.5MHz10MHz11MHz12MHz

zz

5

Vo240mv320mv400mv4.08v2.32v400v320mv

表7-1

負載特性的測試

將信號源調(diào)至10.7M,RF幅度為300mV。8號板負載電阻轉(zhuǎn)換開關S1（第4位沒用到）依

次撥為“1110”，“0110”和“0100”，用示波器觀測用應的Vc（TP9處觀測）值和Ve（TP8

處觀測）波形，描繪相應的ie波形，分析負載對工作狀態(tài)的影響。表中的R19=51歐，R20=75

歐，R21=100歐，R100=300歐。

R19（輕欠R21（輕過R100（重過

等效負載R19//R20R20(臨界)

壓）壓）壓）

RL（。）30.365175100300

VCP-P(V)22.643.043.203.36

Vep-p(mV)512mv456mv352mv288mv256mv

i1—

二二二W

ie的波形■

表7-2Vb=6Vf=10.7MHzVcc=5V

3、觀察激勵電壓變化對工作狀態(tài)的影響

先將TP8調(diào)成對稱的凹陷波形，然后使輸入信號由大到小變化，用示波器觀察ie波形的

變化（觀測ie波形即觀測Ve波形,ie=Ve/Ri6+R17），用示波器在TP8處觀察

實驗報告要求：

1、對實驗參數(shù)和波形進行分析，說明輸入激勵電壓、負載電阻對工作狀態(tài)的影響。

（1）當增大輸入激勵電壓Vbb時、放大器工作狀態(tài)由欠壓狀態(tài)一臨界狀態(tài)一過壓狀態(tài)過

渡。高頻功率放大器工作在欠壓狀態(tài)時，基波電壓振幅UC與基極偏置電壓Ubb成線性變化。

（2）隨著R從小變大，放大器將由欠壓狀態(tài)一臨界狀態(tài)一過壓狀態(tài)過渡。過壓區(qū)與欠壓

IX,集電極輸出功率都比較小，要使高頻功率放大器給出足夠大的功率，只有工作在臨界狀

態(tài)才能保持最好的能量關系。

2、分析丙類功率放大器的特點。

（1）功放管的發(fā)射結(jié)處于反偏下。

（2）功放管的導通角小于180度。

（3）輸出的電壓不會產(chǎn)生失真。

（4）電路有較強的選頻特性，放大器的通頻帶較窄。

實驗總結(jié)：

通過這次實驗，我了解了在丙類諧振功率放大器中，根據(jù)晶體管工作是否進入飽和區(qū)，

可將其分為欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)。臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高，通常應選擇

在此狀態(tài)工作。過壓狀態(tài)的特點是效率高、損耗小，并且輸出電壓受負載電阻RL的影響小，

近似為交流恒壓源特性。欠壓狀態(tài)時電流負載電阻RL的影響小，近似為交流恒流源特性，但

6

由于效率低、集電極損耗大。

成績評定:

實驗丙類高頻諧振功率放大器

利用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，它是無線電發(fā)射機中的重要單元

電路。根據(jù)放大器中晶體管工作狀態(tài)的不同或晶體管集電極電流導通角0的范圍可分為甲類、甲乙類、

乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導通角8越小，放大器的效率n越高。如甲類功放

的。二180°,效率n最高也只能達到50版而丙類功放的0<90°,其效率n可達85%。甲類功率放大器

適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器，丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的

輸出功率和較高的效率。

本次實驗主要研究以甲類諧振功率放大器為推動級，以丙類諧振功率放大器為末級的混合功率放

大器。

一、實驗目的

1、熟悉丙類高頻功率放大器的工作原理，初步了解工程估算的方法。

2、學習丙類高頻諧振功率放大器的電路調(diào)諧及測試技術。

3、研究丙類高頻諧振功率放大器的調(diào)諧特性和負載特性。

4、理解基極偏置電壓、集電極電源電壓、激勵電壓對放大器工作狀態(tài)的影響。

5、了解丙類高頻諧振功率放大器的設計方法。

二、實驗儀器

1、局頻實驗箱1臺

2、高頻信號發(fā)生器1臺

3、雙蹤高頻示波器1臺

4、掃頻儀1臺

7

5、萬用表1塊

6、高頻功率放大器實驗板1塊

三、預習要求

1、復習高頻諧振功率的工作原理及四種特性。

2、分析實驗電路，理解各元件的作用及各組成部分的工作原理。

四、實驗內(nèi)容

1、電路調(diào)諧及調(diào)整（調(diào)諧技術）。

2、靜態(tài)測試（測試靜態(tài)工作點）。

3、動態(tài)測試（研究負載特性）。

五、實驗原理

實驗電路如圖2-1所示，它是由兩級小信號諧振放大器組成的推動級和末級丙類諧振功率放大器

構(gòu)成，其中VT1和VT2組成甲類功率放大器，晶體管VT3組成丙類諧振功率放大器，這兩類功率放大

器的應用十分廣泛，下面簡要介紹它們的工作原理及基本計算方法。

（一）、甲類功率放大器

1、靜態(tài)工作點

如圖2-1所示，晶體管VU組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。其中R1利R2為基極偏

置電阻；R5為直流負反饋電阻；它們共同組成分壓式偏置電路以穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點。處為交直

流負反饋電阻，可以提高放大器的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài).1：作點由下列關系式確定：

(2-3)

8

2、動態(tài)特性

所謂動態(tài)特性，指放大器在激勵信號作用下的工作狀態(tài)，這里以負載特性為主要研究對象。如圖

2-1所示，前級放大器的負載由后級放大器的輸入阻抗決定。以第一級甲類功放為例，它與第二級甲

類功放通過變壓器進行耦合，因比其交流輸出功率可表示為：

.鼻(2-5)

式中，為輸出負載上的實際功率，作為變壓器的傳輸效率，一般為'廠~"陽。

圖2-2為甲類功放的負載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點Q應選在交流負載線AB

的中點，此時集電極的負載電阻人與稱為最佳匹配負載。集電極的輸出功率3小

的表達式為

25y(2-6)

式中，“?為集電極輸出的交流電壓振幅，…?,為交流電流的振幅，它們的表達式分別為

'竺一.不。A4+Rz\-IF內(nèi)”(2-7)

式中，LW稱為飽和壓降，一股為IV左右。

(2-8)

如果變壓器的初級線圈匝數(shù)為N1,次級線圈匝數(shù)為N2,由式(2-5)、(2-6)可得

(2-9)

式中，T為變壓器次級接入的負載電阻，及第二級甲類功放的輸入阻抗。

9

3、功率增益

與電壓放大器不同的是，功放應有一定的功率增益，對于圖27所示電路，甲類功放不僅要為下

一級功放提供一定的激勵功率，而且還需將前級輸入的信號進行功率放大，功率增益L的表達式為

占—(2-10)

式中，色為功放的輸入功率，它與功放的輸入電壓振幅匚3及輸入電阻吊的關系為

工總(2-11)

式中，凡可表示為

.當M/；：?+I：1+人。(2-12)

式中，％為晶體管共射極組態(tài)的輸入電阻，高頻工作時.，可認為它近似等于晶體管的基區(qū)體電阻公。

X為晶體管共射極組態(tài)的電流放大系數(shù)，在高頻情況下它是復數(shù)，可近似取值為晶體管直流電流放大

系數(shù)片

(二)丙類功率放大器

1、工作原理

如圖2-1所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓心是利用發(fā)射極電流的直流分量;卻在發(fā)射極直

流負反饋電阻治,上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏置電路。當放大器的輸入信號站為正弦波時,

集電極電流酎為余弦脈沖波。利用諧振回路L5c5的選頻作用可輸出基波諧振電壓〃門、電流灑。圖2-3

畫出了丙類諧振功率放大器的基極與集電極間的電流、電壓波形關系。

2、功率與效率

丙類諧振功率放大器是依靠激勵信號對功放管電流的控制，起到把集電極電源的直流功率轉(zhuǎn)換成

負載回路的交流功率的作用。在直流功率相同的條件下，轉(zhuǎn)換的效率越高，輸出的交流功率越大。

10

⑴直流電源］々:提供的直流功率

(2-13)

式中，缶-為集電極電流的直流分量。電流Q經(jīng)傅立葉級數(shù)分解，可得峰值，'與分解系數(shù)端」”的

關系式

j=h企〃;

(2-14)

故有

(2-15)

分解系數(shù)小尸與e的關系如圖2-4所示。

圖2-5所示為功放管特性曲線折線化后的輸入電壓二3與集電極脈沖電流以的波形關系，由圖可

得

(2-16)

式中，“卡為晶體管導通電壓（硅管約為0.6V,錯管約為0.2V）；

匚"為激勵電壓（輸入電壓）的振幅。

,工為基極直流偏置電壓，一般取0~0.2V。在自給偏置電路中，其值可由下式確定

--2cc>Ri(2-1

7)

式中，入、為功放管發(fā)射極直流負反饋電阻，在圖2T所示電路中，門一占」。

11

當:?“大于晶體管的導通電壓;I時，晶體管導通并工作于線性放大狀態(tài)，集電極脈沖電流〃與基

極脈沖電流W成線性關系，滿足關系式

:e—a(2-18)

(2)集電極輸出的基波功率

\\212

Hr二—?，'"幾:IF=-rA?*=-T?,JRo

2二.”2T6(2-19)

式中，'二門為集電極基波電壓的振幅，Q"為集電極基波電流的振幅；K為集電極負載電阻，最佳時

配狀態(tài)下有力一◎,三者間的關系為

氐同一上門提7(2-20)

式中，二:，一；、山,即集電極基波電流振幅等于集電極電流振幅與基波電流分解系數(shù)之

積。

(3)功率增益

，心(2-21)

式中，,為功放的基極基波輸入功率，它與基波輸入電流振幅八回、基波輸入電壓振幅匚行及輸入電

阻角的關系為

5,：--17%//我：

(2-22)

實驗電流中，黑可表示為三、"'±。

由公式公T9)和(2-22)可得

12

.區(qū)IsALn

A/=—―；—

［加/i*(2-23)

⑷放大器的效率

產(chǎn)C*1?MEic\m

Fy2Vcz/CD

,-皿?二』⑻(2-24)

式中，4稱為電壓利用系數(shù)。

功率放大器的設計原則是在高效率下獲得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高輸出功率和

高效率原則，通常取S=60”?二

3、偏置電路及耦合回路

⑴偏置電路

丙類諧振功率放大器常用的三種偏置電路如圖2-7所示。圖2-7(a)是利用基極電流在基區(qū)體電阻

心上的降壓作為偏置電壓。其電路簡單，但偏壓小，且易隨晶體管、而變，不能保持穩(wěn)定的電壓，

因此一般用于大功率丙類諧振功放。圖(b)是利用基極電流的直流分量在船上的降壓得到偏置電壓，

L為高頻旁路電容。其優(yōu)點是偏置電壓隨輸入信號的大小自動調(diào)節(jié)。圖⑹是利用發(fā)射極電流的直流

分量在乩上建立偏