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(zhuǎn)換電路，它是將電壓供給的直流能量轉(zhuǎn)換成高頻交流輸出。作為通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件，它是以諧振電路為負(fù)載的放大器。這種放大器一般工作在丙類狀態(tài)，其輸出功率大，效率高。文章在理論基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)高頻丙類功率放大電路的負(fù)載特性、放大特性、集電極特性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：諧振功率放大器；負(fù)載特性；集電極調(diào)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(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載的功率放大器，它是無線電發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，其主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率、效率及諧波抑制度。諧波抑制度是指經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)后使諧波分量盡量小，以避免干擾其它頻道。根據(jù)放大器電流導(dǎo)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(zhuǎn)換而來的，因此在滿足了功率輸出要求的同時(shí)，希望盡可能提高功率的轉(zhuǎn)換效率，通常選擇放大器工作在丙類狀態(tài)[1-2]。文章在理論基礎(chǔ)上，通過實(shí)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(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，廣泛應(yīng)用于通信、無線電等各種電子設(shè)備中，其導(dǎo)通角θ小于900，效率高，通常用作末級(jí)放大?；驹韴D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(tài)。ub為激勵(lì)電壓。圖2為晶體管的轉(zhuǎn)移特性，是描述集電極電流ic和基極電壓Ub的關(guān)系曲線。圖中的波形表示了功率放大器工作在丙類狀態(tài)，在丙類狀態(tài)下，uBE=-Vbb+UbmCOSωt，且uBE>Vbz時(shí)才有集電極電流通過。顯然，在一個(gè)工作周期內(nèi)ic是余弦脈沖，其導(dǎo)通時(shí)間在-θ～+θ之間。因此，集電極耗散功率小，效率高。用傅里葉級(jí)數(shù)展開ic得：

ic=IC0+IC1mCOSωt+IC2MCOS2ωt+…+ICnMCOSnωt

圖3是高頻功放實(shí)驗(yàn)電路圖。其中，Q1為推動(dòng)級(jí)，用來給Q2構(gòu)成的丙類功放電路提供足夠的激勵(lì)電壓。R6、L4等元件構(gòu)成了自給負(fù)偏置電路。R7～R11為負(fù)載電阻。利用按鍵開關(guān)SW1可以方便地把不同的負(fù)載電阻分別接入電路中，以完成負(fù)載特性的實(shí)驗(yàn)。功放輸出級(jí)電路單獨(dú)供電，可通過改變電源電壓，以觀察集電極調(diào)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(diào)試原則

理論上，回路調(diào)到諧振時(shí)，回路兩端的電壓達(dá)到最大，集電極負(fù)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(shí)，集電極直流電流IC0也應(yīng)該達(dá)到最小。但實(shí)際上，當(dāng)晶體管工作于高頻工作狀態(tài)下，由于其內(nèi)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(shí)刻出現(xiàn)，所以，文章使用的實(shí)驗(yàn)電路中，我們不僅僅采用直流電壓表監(jiān)視集電極脈沖電流的直流分量，同時(shí)還通過采樣電阻R6，利用示波器直接監(jiān)視脈沖電流iC的方法來實(shí)現(xiàn)最好的調(diào)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(tài)時(shí)，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?shù)挠嘞颐}沖。為了獲得較大的效率η以及使輸出功率P0達(dá)到最大，本電路選取最佳負(fù)載電路為75Ω，調(diào)試使諧振功放工作于臨界狀態(tài)。也就是說，當(dāng)負(fù)載為39Ω和51Ω時(shí)電路工作在欠壓狀態(tài)，負(fù)載為150Ω和390Ω時(shí)電路工作在過壓狀態(tài)。

3 電路調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 諧振功率放大電路調(diào)整

接通負(fù)載電阻R9（75Ω）。仔細(xì)調(diào)整C2，使推動(dòng)級(jí)的輸出電壓最大約2VP-P（頻率為6.5MHz）。此時(shí)，電路諧振。仔細(xì)調(diào)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(shí)在R6兩端也可以觀測到一個(gè)平頂或頂部微凹脈沖電流波形（表明電路工作在臨界狀態(tài)）。否則，必須微調(diào)C10、C6和C9。（注意：推動(dòng)級(jí)輸出電壓大小是否合適取決于當(dāng)負(fù)載為75Ω時(shí)，在調(diào)諧狀態(tài)下電路是否處于臨界狀態(tài)，如果不是，則需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整其大小，也就是說，此時(shí)若電路已經(jīng)處于過壓狀態(tài)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小輸入電壓；而如果此時(shí)電路讓仍在欠壓狀態(tài)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)大輸入電壓的幅度。）

3.2 諧振功放負(fù)載特性測試

在3.1的基礎(chǔ)上，改變負(fù)載電阻依次為R7～R11，在Q2射級(jí)（R6兩端）應(yīng)該觀察到從欠壓到過壓的余弦脈沖電流波形。記錄不同負(fù)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(tài)下的集電極直流電流時(shí)，用萬用表直流電壓檔測量發(fā)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(jié)果填入表1中。根據(jù)公式我們可以很容易的計(jì)算出效率和輸出功率P0的大小。（直流總功率PS=ICO×VC2；負(fù)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(shí)負(fù)載功率P0=VO2/RL；功放級(jí)效率η=P0/PS。）

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

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(dāng)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(hào)由小到增大，脈沖電流將由欠壓經(jīng)臨界狀態(tài)再向過壓狀態(tài)變化。在欠壓區(qū)輸出信號(hào)的振幅基本隨著Ui線性變化。因此，為了使輸出反應(yīng)輸入信號(hào)的變化情況，須工作在欠壓狀態(tài)，這類似于基極調(diào)制特性。如果該功放用作限幅器，電路應(yīng)工作在過壓區(qū)，此時(shí)盡管Ui增大，輸出幅度基本保持恒定。

3.4 集電極調(diào)制特性

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

4 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1]陳雅琴.通信電路實(shí)驗(yàn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2011，2.

[2]孫宵霄.高頻丙類功率放大電路的設(shè)計(jì)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，2.

作者簡介：孫小芳（1975，6-），女，實(shí)驗(yàn)師，本科，從事電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的研究。