丙类谐振功率放大器的原理分析

学号：20095044008

学年论文

学院物理电子工程学院

专业电子科学与技术

年级2009级

姓名杨进

设计题目丙类谐振功率放大器的原理分析

指导教师仓玉萍职称讲师

2012 年 5 月 22 日

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

引言 (1)

1.谐振功率放大器的特点 (2)

2.丙类功率谐振放大器的理论分析 (2)

2.1电路原理 (2)

2.2电路的参数值的估计 (4)

3.丙类功率放大器性能分析和工作状态的确定 (6)

3.1对功放进行理论分析 (7)

3.2对功放性能进行分析和工作状态的确定 (7)

结论 (9)

参考文献 (10)

丙类谐振功率放大器的原理分析

姓名：杨进学号：20095044008

单位：物理电子工程学院专业：电子科学与技术

指导老师：仓玉萍职称：讲师

摘要：本文分析了丙类功率放大器的电路原理，估计了下电路的相关参数值。对丙类功率放大器的性能进行了分析讨论并对其工作状态做出了基本的确定。

关键词：丙类谐振功率放大器.

Class C of the principle of resonant power amplifier Abstract：This paper analyzes the c class power amplifier circuit principle, estimated the circuit under related parameters of the value. In this kind of power amplifier performance are discussed and the work of the state made a basic sure.

Key Words: Class C power amplifier for the resonant.

引言

高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器; 窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器。

功率放大器的任务是供给负载足够大的信号功率，其主要性能指标是输出功率和效率。丙类谐振功率放大器可获得高效率的功率放大。

放大器按晶体管集电极电流流通时间的不同，可分为甲类，乙类，丙类等工作状态，其中丙类工作状态（导通角小于90度的状态）效率最高，但这时晶体管集电极电流波形失真严重。采用LC谐振网络作为放大器的负载，可克服工作在丙类状态所产生的失真，但谐振网络通频带较窄，所以丙类谐振功率放大

器适用于窄带高频信号的功率放大。本文主要讨论丙类谐振功率放大器的基本原理。

1. 谐振功率放大器的特点

谐振功率放大器主要有四个特点：①放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流；②输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配；③基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态；④输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。

2. 丙类功率谐振放大器的理论分析

2.1电路原理 2.1.1工作原理

如图1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压BE u 是利用发射极电流的直流分量

0E I 在发射极直流负反馈电阻10R 上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放

大器的输入信号i u 为正弦波时，集电极电流c i 为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压1C u 、电流1

C i 。

图1 功率放大器电路（丙类）原理图

2.1.2主要的技术指标 (1)直流电源CC V 提供的直流功率

0C CC V I V P

式中，0C I 为集电极电流C

i 的直流分量。电流C

i 经傅立叶级数分解，可得峰值cm I 与分

解系数)

(θαn

的关系式

Icm I cnm n /)(=θα

故有

)

(0

0θαcm C I I =

分解系数)

(θαn

与θ的关系如图2所示。

图2 分解系数)(θαn

与

θ的关系图

(2)集电极输出的基波功率

o

m c o m c m c m c C R U R I I U P /21

2121121211===

式中，m c U 1为集电极基波电压的振幅，m c I 1为集电极基波电流的振幅；o R 为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有H o R R =，三者间的关系为

o m c m c R I U 11=

式中，)(11θαcm m c I I =，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。 (3)功率增益

i C P P P A /=

式中，i P 为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅m b I 1、基波输入电压振幅m b U 1及输入电阻i R 的关系为

i

m b i m b m b m b i R I R U I U P 12121121

/2121===

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05

实验电流中，i R 可表示为ie i h R ≈。 可得

m b m b m

c m c P I U I U A 1111=

(4)放大器的效率

)

()(21)()(21 210

1

110

11θαθαξθαθαη?

?=??=??==

CC

m c C m

c CC m c V C V U I I V U P P

式中，CC m c V U /1=ξ称为电压利用系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取80~600

=θ。 2.2电路的参数值的估计 2.2.1确定放大器的工作状态

谐振功放的三种工作状态

在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：

①欠压工作状态：

集电极最大点电流在临界线的右方 ②过压工作状态：

集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区 ③临界工作状态：

是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。

如图3为电压、电流随负载变化的波形图。

图3 电压、电流随负载变化波形

高频放大器的工作状态是由负载阻抗R p、激励电压V b、供电电压V CC、V BB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。

2.2.2谐振回路及耦合回路的设计

输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上。

如图1所示，丙类谐振功放的输出回路采用变压器耦合方式，其作用可以归纳为：

①实现阻抗匹配，使负载电阻L R能与放大器的最佳负载H R匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大。

②与谐振回路配合，抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频带内频谱分量存在。

耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式，其等效电路如图所示。为了

减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响，变压器初级采用部分接入方式耦合。 回路的谐振频率为

LC πω210=

或

LC f 1

0=

谐振阻抗与变压器线圈匝数比为

012452R R U R P N N L

cm L o == L L Q R L N N 04523ω=

2.2.3基极偏置电路的设计

丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路如图8所示。图8(a)是利用基极电流在基区体电阻'b b r 上的降压作为偏置电压。其电路简单，但偏压小，且易随晶体管'b b r 而变，不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。图(b)是利用基极电流的直流分量在b R 上的降压得到偏置电压，b C 为高频旁路电容。其优点是偏置电压

随输入信号的大小自动调节。图(c)是利用发射极电流的直流分量在e R 上建立偏压，

e C 为高频旁路电容。为了避免e R 上产生交流负反馈，需设置时间常数0e /)5~3(R ω>e C 。它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时，负偏压加大，似的0e I 相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以是放大器工作状态变化不大。缺点是由于e R 上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率。因此e R 不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。

3. 丙类功率放大器性能分析和工作状态的确定

3.1对功放进行理论分析

3.1.1输出特性上的动态线近似作法

高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。

所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。

对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量I C0和基频分量I cm1。

根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于V BZ 的一条直线来表示(V BZ 为截止偏压)。如图4为晶体管实际特性和理想折线。

图4 晶体管实际特性和理想折线

3.2对功放性能进行分析和工作状态的确定 3.2.1负载特性

如果V CC 、V BB 、V b 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随R p 而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。如图5为谐振放大器的负载特性。

①欠压状态：B 点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R 的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。

②临界状态：负载线和Eb max 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。

③过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp 的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。

b V BZ

E c

图5 谐振放大器的负载特性

3.2.2放大特性

放大特性是指V BB 、V CC 和R 一定，放大器性能随V bm 变化的特性，如图6所示。固定V BB 、增大V bm 和上述固定V bm 、增大V BB 的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着V bm 的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。

图6 谐振放大器的放大特性

3.2.3调制特性

（1）集电极调制特性

当V BB 、Vbm 和R 一定，放大器性能随V CC 变化的特性。如图7所示。由于V BB 和Vbm 一定，也就是V BEmax 和I C 脉冲宽度一定，因而对应于V CEmin 的动态点必定在V BE ＝V BEmax 的那条特性曲线上移动；当V CC 由大减小时，相应的V CEmin 也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，I C 波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。

图7 谐振放大器的集电极调制特性

(2)基极调制特性

基极调制特性是指V CC 、V bm 和R 一定，放大器性能随V BB 变化的特性。如图8所示。当V bm 一定， V BB 自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因V BEmax 增大而使其高度增加，因而I C0和I C1m （相应的Vcm ）增大，结果使V CEmin 减小，放大器由欠压进入过压状态。

图8 谐振放大器的基极调制特性

结论

本文通过对丙类谐振功率放大器的特性分析研究，进一步学习了丙类谐振功率放大器的设计方法。比较细致的观测和分析了丙类谐振功率放大器的负载特性、放大特性和调制特性等特性，从而达到优化电路参数的目的，使得电路的各项性能指标满足预期的要求。

c0

CC

CC

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