非线性丙类功率放大器实验

XX学院实验报告

实验名称：非线性丙类功率放大器实验

实验室名称：通信虚拟仿真实验室实验时间：20XX年12月10日

实验设备及环境：

块

1、信号源模块

块

2、频率计模块

块

3、8号板

台

4、双踪示波器

台

、频率特性测试仪（可选）

5块

6、万用表

实验目的：

1、了解丙类功率放大器的基本工作原埋，掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的

动态特性。

2、施高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状

态的影响。

3、比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点

4、掌握丙类放大器的计算与设计方法。

实验原理及内容：

1、观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点

2、测试丙类功放的调谐特性

3、测试丙类功放的负载特性

4、观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响

放大器按照电流导通角9的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大

器电流导通角8越小，放大器的效率〃越高。

甲类功率放大器的（A180’,效率〃最高只能达到50%,适用于小信号低功率放大，一般

作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

非线性丙类功率放大器E勺电流导通角90,效率可达到80%,通常作为发射机末级功

放以获得较大的输出功率和较高的效率。特点：非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高

频信号（信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小），基极偏置为负值，电流导通角。<90',

为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。

电路原理图如图7-1所示，该实验电路由两级功率放大器组成。其中N4、Ts组成甲类功

率放大器，工作在线性放大状态，其中RM、RIS、限组成静态偏置电阻。N4>丁6组成丙类功

率放大器。R18为射极反馈电阻，T6为谐振回路，甲类功放的输出信号通过R”送到M基极作

为丙放的输入信号，此时只有当甲放输出信号大于丙放管M基极一射极间的负偏压值时，Q4

才导通工作。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变Si拨码开关的位置可改变并

1

联电阻值，即改变回路Q值。

图大

下面介绍甲类功放和丙类功放的工作原理及基本关系式。

1、甲类功率放大器

1）静态工作点

如图7-1所示，甲类功率放大器工作在线性状态，电路的静态工作点由下列关系式确定:

甘应二/5酒5

VQQ-、鸵+0.7P

vop=Vg-

2）负载特性

如图7T所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定，两级间通过变

压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P。可表示为：

式中，印为输出负载上的实际功率，体为变压器的传输效率，一般为％=也75〜。.85

图7-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流

负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻R”称为最佳负载电阻。集电极的输出功率Pc的表

达式为：

式中，几为集电极输出的交流电压振幅；匚为交流电流的振幅，它们的表达式分别为:

2

曝二%7■/m4广%S

式中，V密称为饱和压降，约IV

16

式中，为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。

3）功率增益

与电压放大器不同的是功率放大器有一定的功率增益，对于图77所示电路，甲类功率

放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号进行功率放大,

功率放大增益Ap的表达式为

4一殳月

其中，R为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压U加及输入电阻R的关系为

2、丙类功率放大器

1）基本关系式

丙类功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量ko（^lco）在射极电

阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号为正弦波时，集电

极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压Vcl,电流icio

图7-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本

关系式：

式中，吟*为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；1为集电极基波电流振幅；及

3

为集电极回路的谐振阻抗。

pc-；匕加乙加=

▲LLAQ

式中，Pc为集电极输出功率

PD=V@8

式中，PD为电源Vcc供给的直流功率；1c。为集电极电流脉冲ic的直流分量。

放大器的效率〃为

图7-3丙类功放的基极/集电极电流和电压波形

2）负载特性

当放大器的电源电压+VCC，基极偏压Vb，输入电压（或称激励电压）Vsm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Rq。谐振功率放大器

的交流负载特性如图7-4所示。

由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时，管子的集电极电压正好等于管

子的饱和压降VCES，集电极电流脉冲接近最大值1cm。

此时，集电极输出的功率PC和效率〃都较高，此时放大器处于临界工作状态,Rq所对应

的值称为最佳负载电阻，用Ro表示，即

2尸。

当Rq<Ro时，放大器处于欠压状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极

电压较小，因此输出功率和效率都较小c当Rq>Ro时，放大器处于过床状态，如B点所示.

4

集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，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。判断放大器是否为

临界工作状态的条件是：

—2

实验步骤及数据记录:

1、连线框图如图7-5所示

2、在前置放大电路输入端P5处输入频率了=10.7MHz（测试点TP7,Vp-p^300mV）的

高频信号，调节中周T5,使TP15处信号约为3.5V。调节T6,使TP9幅度最大。

调谐特性的测试

将Si设为“0000”，以0.5MHz为步进从9MHz〜15MHz改变输入信号频率，记录TP9

处的输出幅度，填入表7-1。

10.5MH11.5MH

Fi9MHz9.5MHz10MHz11MHz12MHz

zz

5

Vo240mv320mv400mv4.08v2.32v400v320mv

表7-1

负载特性的测试

将信号源调至10.7M,RF幅度为300mV。8号板负载电阻转换开关S1（第4位没用到）依

次拨为“1110”，“0110”和“0100”，用示波器观测用应的Vc（TP9处观测）值和Ve（TP8

处观测）波形，描绘相应的ie波形，分析负载对工作状态的影响。表中的R19=51欧，R20=75

欧，R21=100欧，R100=300欧。

R19（轻欠R21（轻过R100（重过

等效负载R19//R20R20(临界)

压）压）压）

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、观察激励电压变化对工作状态的影响

先将TP8调成对称的凹陷波形，然后使输入信号由大到小变化，用示波器观察ie波形的

变化（观测ie波形即观测Ve波形,ie=Ve/Ri6+R17），用示波器在TP8处观察

实验报告要求：

1、对实验参数和波形进行分析，说明输入激励电压、负载电阻对工作状态的影响。

（1）当增大输入激励电压Vbb时、放大器工作状态由欠压状态一临界状态一过压状态过

渡。高频功率放大器工作在欠压状态时，基波电压振幅UC与基极偏置电压Ubb成线性变化。

（2）随着R从小变大，放大器将由欠压状态一临界状态一过压状态过渡。过压区与欠压

IX,集电极输出功率都比较小，要使高频功率放大器给出足够大的功率，只有工作在临界状

态才能保持最好的能量关系。

2、分析丙类功率放大器的特点。

（1）功放管的发射结处于反偏下。

（2）功放管的导通角小于180度。

（3）输出的电压不会产生失真。

（4）电路有较强的选频特性，放大器的通频带较窄。

实验总结：

通过这次实验，我了解了在丙类谐振功率放大器中，根据晶体管工作是否进入饱和区，

可将其分为欠压、临界和过压工作状态。临界状态输出功率最大，效率也较高，通常应选择

在此状态工作。过压状态的特点是效率高、损耗小，并且输出电压受负载电阻RL的影响小，

近似为交流恒压源特性。欠压状态时电流负载电阻RL的影响小，近似为交流恒流源特性，但

6

由于效率低、集电极损耗大。

成绩评定:

实验丙类高频谐振功率放大器

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，它是无线电发射机中的重要单元

电路。根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管集电极电流导通角0的范围可分为甲类、甲乙类、

乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角8越小，放大器的效率n越高。如甲类功放

的。二180°,效率n最高也只能达到50版而丙类功放的0<90°,其效率n可达85%。甲类功率放大器

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放以获得较大的

输出功率和较高的效率。

本次实验主要研究以甲类谐振功率放大器为推动级，以丙类谐振功率放大器为末级的混合功率放

大器。

一、实验目的

1、熟悉丙类高频功率放大器的工作原理，初步了解工程估算的方法。

2、学习丙类高频谐振功率放大器的电路调谐及测试技术。

3、研究丙类高频谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。

4、理解基极偏置电压、集电极电源电压、激励电压对放大器工作状态的影响。

5、了解丙类高频谐振功率放大器的设计方法。

二、实验仪器

1、局频实验箱1台

2、高频信号发生器1台

3、双踪高频示波器1台

4、扫频仪1台

7

5、万用表1块

6、高频功率放大器实验板1块

三、预习要求

1、复习高频谐振功率的工作原理及四种特性。

2、分析实验电路，理解各元件的作用及各组成部分的工作原理。

四、实验内容

1、电路调谐及调整（调谐技术）。

2、静态测试（测试静态工作点）。

3、动态测试（研究负载特性）。

五、实验原理

实验电路如图2-1所示，它是由两级小信号谐振放大器组成的推动级和末级丙类谐振功率放大器

构成，其中VT1和VT2组成甲类功率放大器，晶体管VT3组成丙类谐振功率放大器，这两类功率放大

器的应用十分广泛，下面简要介绍它们的工作原理及基本计算方法。

（一）、甲类功率放大器

1、静态工作点

如图2-1所示，晶体管VU组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中R1利R2为基极偏

置电阻；R5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点。处为交直

流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态.1：作点由下列关系式确定：

(2-3)

8

2、动态特性

所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对象。如图

2-1所示，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。以第一级甲类功放为例，它与第二级甲

类功放通过变压器进行耦合，因比其交流输出功率可表示为：

.鼻(2-5)

式中，为输出负载上的实际功率，作为变压器的传输效率，一般为'厂~"阳。

图2-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB

的中点，此时集电极的负载电阻人与称为最佳匹配负载。集电极的输出功率3小

的表达式为

25y(2-6)

式中，“•为集电极输出的交流电压振幅，…•,为交流电流的振幅，它们的表达式分别为

'竺一.不。A4+Rz\-IF内”(2-7)

式中，LW称为饱和压降，一股为IV左右。

(2-8)

如果变压器的初级线圈匝数为N1,次级线圈匝数为N2,由式(2-5)、(2-6)可得

(2-9)

式中，T为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。

9

3、功率增益

与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图27所示电路，甲类功放不仅要为下

一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大，功率增益L的表达式为

占—(2-10)

式中，色为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅匚3及输入电阻吊的关系为

工总(2-11)

式中，凡可表示为

.当M/；：✓+I：1+人。(2-12)

式中，％为晶体管共射极组态的输入电阻，高频工作时.，可认为它近似等于晶体管的基区体电阻公。

X为晶体管共射极组态的电流放大系数，在高频情况下它是复数，可近似取值为晶体管直流电流放大

系数片

(二)丙类功率放大器

1、工作原理

如图2-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压心是利用发射极电流的直流分量;却在发射极直

流负反馈电阻治,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站为正弦波时,

集电极电流酎为余弦脉冲波。利用谐振回路L5c5的选频作用可输出基波谐振电压〃门、电流洒。图2-3

画出了丙类谐振功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

2、功率与效率

丙类谐振功率放大器是依靠激励信号对功放管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成

负载回路的交流功率的作用。在直流功率相同的条件下，转换的效率越高，输出的交流功率越大。

10

⑴直流电源］々:提供的直流功率

(2-13)

式中，缶-为集电极电流的直流分量。电流Q经傅立叶级数分解，可得峰值，'与分解系数端」”的

关系式

j=h企〃;

(2-14)

故有

(2-15)

分解系数小尸与e的关系如图2-4所示。

图2-5所示为功放管特性曲线折线化后的输入电压二3与集电极脉冲电流以的波形关系，由图可

得

(2-16)

式中，“卡为晶体管导通电压（硅管约为0.6V,错管约为0.2V）；

匚"为激励电压（输入电压）的振幅。

,工为基极直流偏置电压，一般取0~0.2V。在自给偏置电路中，其值可由下式确定

--2cc>Ri(2-1

7)

式中，入、为功放管发射极直流负反馈电阻，在图2T所示电路中，门一占」。

11

当:・“大于晶体管的导通电压;I时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集电极脉冲电流〃与基

极脉冲电流W成线性关系，满足关系式

:e—a(2-18)

(2)集电极输出的基波功率

\\212

Hr二—।，'"几:IF=-rA»*=-T?,JRo

2二.”2T6(2-19)

式中，'二门为集电极基波电压的振幅，Q"为集电极基波电流的振幅；K为集电极负载电阻，最佳时

配状态下有力一◎,三者间的关系为

氐同一上门提7(2-20)

式中，二:，一；、山,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

，心(2-21)

式中，,为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅八回、基波输入电压振幅匚行及输入电

阻角的关系为

5,：--17%//我：

(2-22)

实验电流中，黑可表示为三、"'±。

由公式公T9)和(2-22)可得

12

.区IsALn

A/=—―；—

［加/i*(2-23)

⑷放大器的效率

产C*1«MEic\m

Fy2Vcz/CD

,-皿©二』⑻(2-24)

式中，4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S=60”•二

3、偏置电路及耦合回路

⑴偏置电路

丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路如图2-7所示。图2-7(a)是利用基极电流在基区体电阻

心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、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船上的降压得到偏置电压，

L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⑹是利用发射极电流的直流

分量在乩上建立偏