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丙类功率放大器

1 丙类功率放大器原理
利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。如图１所示。它是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的，效率最高也可达到50%，而丙类功放的，效率也可达到80%。甲类功率放大适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功率功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本实验所使用的电路为丙类谐振功率放大器，实验所研究的是丙类功率放大器的工作原理及基本特性。

+

–

u

b

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b

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–

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–

+

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c
e

C

–

+

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c

L

输出

i
e

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c

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be

图1 谐振功率放大器原理电路

1.1丙类谐振功率放大器的功率与效率
功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率的条件下，转换的效率越高，输出的交流功率越大。
1.1.1集电极电源提供的直流功率

式中为余弦脉冲的直流分量。

式中，为余弦脉冲的最大值；为余弦脉冲的直流分解系数。

式中，为晶体管的导通电压； 为晶体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。
1.1.2集电极输出基波功率

式中，为集电极输出电压振幅；为余弦电流脉冲的基波分量；为谐振电阻。

1.1.3集电极效率

式中, 为集电极电压利用系数；为余弦脉冲的基波分解系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出功率和高效率，通常取。
1.2丙类谐振功率放大器的负载特性
当功率放大器的电源电压，基极偏置电压。输入激励电压确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻。谐振功率放大器的交流特性如图2所示。由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降，集电极电流脉冲接近最大值 。此时集电极输出的功率和效率都较高，放大器处于临界工作状态。所对应的值称为最佳负载电阻值，用表示，即

图2 谐振功率放大器负载特性

图3 谐振功率放大器参数随负载的变化曲线

当变小时，放大器处于欠压工作状态，如C点所示。集电极输出电流较大，集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当变大时，放大器处于过压工作状态，如B点所示。集电极电压虽然较大，但集电极电流波形凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是

式中，为集电极输出电压的幅度；为电源电压；为晶体管饱和压降。
负载特性所反映的电压、功率和效率的变化关系，可以帮助我们认识功率放大器的不同特点，并且根据不同工作状态的特点，使放大器得到合理的运用，满足高频设备提出的要求。
根据上述分析，在、、不变的条件下，对不同的，丙类放大器的电流、电压、功率和效率的负载特性由图3所示。在这里要特别提出注意的是：当时，动态线将是一条通过并与横坐标垂直的直线，如图2所示。此时回路没有选频作用，流过晶体管的电流为最大，而集电极回路两端的交流电压很小，因此放大器功率输出也很小。转化为集电极的耗散功率可能超过晶体管的最大允许损耗功率而损坏晶体管。这就是常见的负载短路。
1.3丙类谐振功率放大器的偏置电路
常用的三种电路下图4所示。其中图(a)是利用基极电流在基区扩展电阻上的降压作用为偏置电压。它的缺点是偏压小，而且随晶体管而变，不能保持稳定的偏压。优点是电路简单，在大功率丙类功放中得到广泛应用。图(b)是利用基极电流的直流分量在上的降压得到偏置电压，是高频旁路电容。它的优点是偏置电压随输入信号电压的大小起自动调节作用。图(c)是利用发射极电流的直流分量在上建立偏压，是高频旁路电容。避免上产生交流负反馈，其时间常数应大于至它可以自动维持放大器的稳定工作，当激励信号加大时加大，负偏压加大，使得相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以使放大器工作状态变化不大。缺点是由于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 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。

（c）发射极自给偏压
（b）基极自给偏压
（a） 零偏压

图4 基极偏置电路

2丙类功率放大器电路设计
图1为高频功率放大器的原理电路。本实验主要研究小功率放大器。
2.1 实验电路参数计算
已知条件：, 晶体管3DG12的参数为,,管子饱和压降,,。
主要技术指标：输出功率,工作频率,效率，负载。
2.1.1确定放大器的工作状态
为了获得较高的效率和最大的输出功率，选丙类放大器的工作状态为临界状态，，由下式得出谐振回路的最佳负载电阻为

由下式得集电极基波电流振幅为

由下式得集电极电流脉冲的最大值为

由下式的得直流分量为

由下式得直流功率为

功率放大器的总效率为

2.1.2计算谐振回路的参数
在抽头并联振荡回路中，当回路处于谐振时，输入端电阻，输出电阻为,根据功率相等得：

则

令，则，，根据下式

得：

2.1.3基极偏置电路
加入后，。取,则,根据下式

已知得

参数确定后的实验电路如下图5所示：

图5 参数确定后的实验电路

3丙类功率放大器电路的仿真与分析
3.1仿真软件介绍
随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品与计算机系统紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。电子线路设计自动化技术使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序设计直至印制电路电路板的设计，彻底改变了过去“定量估计”、“实验调整”的传统设计方法。本实验将利用EWB电路仿真系统软件对各章节的有关电路进行仿真实验及性能分析。
3.1.1 EWB基本窗体组成
如下图6所示,EWB窗体页面:
图6 EWB窗体

3.1.2元件操作
元件的选用。打开元件库，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖曳到工作区。
元件的移动要用鼠标的拖曳。
元件的旋转、反转、复制和删除。用鼠标单击元件符号，选定元件，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹出菜单，选定需要的动作。
元件参数设置。选定该元件，从右键弹出菜单，选“component properties”(元件特性)或双击该元件，便会弹出相应的元件特性对话框，根据需要设元器件的标签、编号、数值和模型参数。
3.1.3导线的操作
连接。用鼠标指向一元件的端点，出现小圆点后，按下左键并拖曳导线到另一元件的端点，出现小圆点后松开鼠标左键。
删除和改动。选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选“delete”.或者用鼠标将导线的端点拖曳离开它与元件的连接点。
3.1.4仪器仪表的使用
打开指示器件库，可以选定电压表或电流表，用鼠标拖曳到电路工作区，通过旋转操作可以改变其引出线的方向。双击电压表或电流表可以在弹出的对话框中设置工作参数；打开仪器库，可以选择数字多用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪、逻辑分析器和逻辑转换仪等。用鼠标将相应图标拖曳到工作区的欲放位置，双击图标即可打开器面板，根据实验电路的需要对其进行相应的设置。仪器的移动和删除的方法与元件的移动、删除方法相同。
3.2丙类功率放大器电路的仿真与分析
由第二章可得仿真电路如下图7所示：
图7 实验电路

3.2.1高频功放的负载特性
放大器的输出电压随负载电阻的变化趋势，此时函数信号发生器状态如图8所示，当，图像分别如下图9、图10、图11所示，即输出电压随负载电阻的增大而增大。

图8 函数信号发生器状态

图9 时，示波器波形

图10 时，示波器波形

图11 时，示波器波形

3.2.2高频功放的振幅特性
高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅时,功率放大器输出电压变化特性,当, ，,图像分别如下图12、图13、图14所示，其中途中右上角小图为信号发生器参数图。

图12 时，示波器波形

图13 时，示波器波形

图14 时，示波器波形

3.2.3 高频功放的集电极调制特性
改变，但、、不变，当集电极供电电压由小至大变化时放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。当,,示波器图像分别如图15、图16、图17所示：

图15 时，示波器波形

图16 时，示波器波形

图17 时，示波器波形

3.3丙类谐振功率放大器的调整与测试
3.3.1谐振状态的调整方法
功率放大器能否工作在设计的状态，给出较大的输出功率，除了设计合理外，正确的调谐与调整是十分重要的。这里我们只做简单的介绍。
设计计算高频谐振功率放大器的前提是假定谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载阻抗为纯电阻。但回路的初始状态或者在调谐过程中，会出现回路失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时可能损坏晶体管。为保证管子安全工作，调谐时，可以先将电源电压降低到规定值的,找到谐振点后，再把恢复到正常值，然后再微调一下回路参数就可以了。
在回路调谐时，一般是以放大器的输出功率最大，最小为标准。但是，当晶体管在高频区工作时，一方面由于集电极电流滞后于激励电压，另一方面由于晶体管内反馈的作用，使得在谐振时，最小与输出功率最大不能同时发生。在本实验中，可以直接观察负载电阻上的基波输出幅度，以判断是否在谐振状态。谐振时输出幅度为最大。这里要注意的是接在上的仪器的输入阻抗要大，输入电容要小，尽量减小对回路的影响。
3.3.2主要技术指标的测试
输出功率：高频功率放大器的输出功率是指在放大器的负载上得到的最大不失真功率。因为负载与功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式，实现了阻抗匹配，忽略回路传输过程中的损耗，则集电极回路的谐振阻抗上的功率等于负载上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频功率放大器的输出功率即：

测量功率放大器时高频信号发生器提供激励信号，示波器监测波形，直流毫安表测量集电极的直流电流，高频毫伏表测量负载上的电压。只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。通过观察高频毫伏表的指针来判断集电极回路是否谐振，即毫伏表的指示为最大值时集电极回路处于谐振。也可以用扫频仪测量。
放大器的输出功率可以由下式计算

式中为高频毫伏表测量的电压的有效值。
效率：高频功率放大器的总效率由晶体管集电极的效率和输出网络的传输效率决定。而输出网络的传输效率通常是由于电容、电感在高频工作时产生一定损耗而引起的。放大器的能量转换效率主要由集电极的效率所决定。因此常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率，用表示，即

式中，为高频毫伏表的测量值；为直流毫安表的测量值。
总结
在完成这个设计之后，我也有一定的思考，重新将自己的设计细细看了几遍，同时也把做同样设计的几个同学的设计借来观摩了一番。在进行对比和分析之后，又有很多所得。
一开始进行设计的时候，我基本上都是按照指导资料上的例子进行设计，甚至就是按照它的步骤再做一遍。当然在初步接触设计时，这样做可以让我很快了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。但是等到自己设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，这样可能会在设计中碰到更多的问题，但是这样也能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可以把一些知识融会贯通这一点我想在任何一门课程的学习，在今后任何一行工作都是很重要的。如果没有探索性，我们只会走着前人走过的路，踩着前人踏过的脚印。
在这个设计过程中，探索性主要可以体现在绘图所用的软件，这个软件有它们很大的优势，在学习使用过程中我也深有体会，EWB功能很强大，基本上能满足我在设计中的任何要求。本次课程设计,主要进行了丙类功率放大器的设计,期间对丙类功率放大器原理进行了深入研究,并学习了EWB软件,通过本次课程设计,我们掌握了丙类功率放大器的设计方法和基本原理,对于自己的学习成果给予了肯定。对于自己设计的丙类功率放大器，可以完成相应功率信号的功率放大，在无线发射系统中得到应用，但是当负载阻抗变化时，会出现输出频率的变化，应在使用过程中注意。
通过本次设计，锻炼并培养了我们细心且大胆的创新能力，并且在以后的学习中要加强交流，让自己更进一步。

参考文献
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