高頻丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

侯長(zhǎng)波，彭艷華，李浩哲

（哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

高頻丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

侯長(zhǎng)波，彭艷華，李浩哲

（哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

為加深學(xué)生對(duì)高頻丙類功率放大器工作原理的理解，經(jīng)過三年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)確定了成熟的丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)方案。首先，從電路原理圖設(shè)計(jì)、元器件選型等方面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，之后通過實(shí)際測(cè)試研究了激勵(lì)電壓、負(fù)載、電源電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響，并結(jié)合理論分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后研究和探討了實(shí)驗(yàn)過程中碰到的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案清晰地再現(xiàn)了丙類功率放大器的工作過程，教學(xué)效果良好，可為其他高校開設(shè)丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)提供一定的借鑒和幫助。

通信電子線路；高頻；丙類；功率放大器；實(shí)驗(yàn)方案

高頻丙類功率放大器是通信電子電路課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是一種廣泛應(yīng)用于無線電發(fā)送設(shè)備的基本單元電路。由于具有高工作頻率、器件非線性等特點(diǎn)，在講解丙類功率放大器時(shí)，通常采用折線法分析激勵(lì)電壓、負(fù)載變化、電源電壓等對(duì)工作狀態(tài)的影響，概念抽象，學(xué)生難以理解，使得丙類功率放大器成為通信電子線路教學(xué)的難點(diǎn)。

為了加深學(xué)生對(duì)丙類功率放大器工作過程的理解，很多高校都開設(shè)了丙類功率放大器的實(shí)驗(yàn)，一種模式是采用電路仿真軟件Multisim來驗(yàn)證理論的正確性［1－5］，通過仿真再現(xiàn)丙類功率放大器教學(xué)中的過壓、臨界、欠壓3種狀態(tài)；另一種模式是采用實(shí)驗(yàn)箱來進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)［6］，更側(cè)重于功能性驗(yàn)證；也有高校開展了丙類功率放大器技術(shù)的研究［7］和教學(xué)方法的研究［8］。為了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入丙類功率放大器，哈爾濱工程大學(xué)通信電子線路課程組在深入研究丙類功率放大器原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過三年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，確定了成熟的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)波形和數(shù)據(jù)清晰地再現(xiàn)了丙類功率放大器的工作過程，教學(xué)效果良好。

本文論述高頻丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，首先介紹實(shí)驗(yàn)電路原理圖及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，然后介紹實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析，重點(diǎn)研究了激勵(lì)電壓、負(fù)載、電源電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響，最后分析實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)碰到的問題。希望本文給其他高校開設(shè)丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)提供一定的借鑒和幫助。

1 實(shí)驗(yàn)電路原理圖及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖1所示，J4是激勵(lì)信號(hào)輸入接口；C2為輸入端的耦合電容；Q1是功率三極管；L1、C1、R2、R1組成自給負(fù)偏置電路［9］，可通過J2輸入負(fù)偏置電壓，研究負(fù)偏置電壓VBB對(duì)工作狀態(tài)的影響；T1為高頻變壓器，T1、C5組成集電極諧振負(fù)載；電阻R3、R4、R5為負(fù)載電阻，可通過跳線J1選擇，R3為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，阻值為150Ω，R4和可變電阻R5串聯(lián)構(gòu)成可變負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，可改變回路QL值，用來研究負(fù)載變化對(duì)工作狀態(tài)的影響；R1為發(fā)射極電流的采樣電阻；TP1測(cè)試點(diǎn)用來觀察發(fā)射極電流的波形；J3為電源輸入接口，C3、C4為集電極電源濾波電容，其中C3為無極性電容，濾除電源本身的中高頻率噪聲，而電解電容C4則濾除低頻噪聲。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

元器件選型及參數(shù)設(shè)計(jì)分析如下：

1）三極管Q1的選型是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由參考文獻(xiàn)［10］可知，晶體管的工作情況與頻率有密切關(guān)系，通常把晶體管工作頻率劃分為以下3個(gè)區(qū)域：低頻區(qū)f＜0.5fβ、中頻區(qū)0.5fβ＜0.2fT、高頻區(qū)0.2fT＜f＜fT。其中，f是晶體管的工作頻率，fβ為截止頻率，fT為特征頻率，fβ與fT之間的關(guān)系為fT≈βfβ。對(duì)于晶體管來說，折線法只適用于工作頻率低的場(chǎng)合，頻率進(jìn)入中頻和高頻區(qū)后，由于晶體管的內(nèi)部物理過程，實(shí)際數(shù)值與計(jì)算值有很大的不同，實(shí)際輸出電流會(huì)小很多，而且有額外相移。圖2（a）是低頻大信號(hào)丙類工作時(shí)的發(fā)射極電流脈沖波形，它的導(dǎo)通角為θe，脈沖為尖頂余弦狀（欠壓或臨界時(shí)）。隨著工作頻率升高到一定程度后，發(fā)射極電流出現(xiàn)了負(fù)脈沖，如圖2（b）所示，負(fù)脈沖的高度Iθ與寬度2θ都隨頻率的升高而增加。

為了能觀察到與理論教學(xué)相接近的余弦脈沖，必須充分考慮上述因素，本文選用恩智浦的射頻三極管BFG591，典型參數(shù)為：fT＝7 GHz，hFE＝［60，250］，ICmax＝200 mA，其對(duì)應(yīng)的低頻工作區(qū)f＜14 MHz。

圖2 大信號(hào)丙類工作時(shí)的發(fā)射極電流脈沖

2）變壓器T1的選型。變壓器可采用磁環(huán)自己繞制，也可以選用中周變壓器。本文重點(diǎn)研究采用丙類功率放大器的工作過程，同時(shí)也考慮到中周變壓器更加可靠耐用，因此最終選用中周變壓器TTF2－2，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。TTF2－2初級(jí)等效為180 pF與電感并聯(lián)，中心頻率可通過調(diào)節(jié)磁芯位置來調(diào)節(jié)，為避免頻繁調(diào)節(jié)磁芯造成中周變壓器損壞，初級(jí)通過并聯(lián)5～30 pF可調(diào)電容來微調(diào)諧振頻率。

圖3 TTF2－2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 TTF2－2技術(shù)參數(shù)

3）自給負(fù)偏置電路設(shè)計(jì)考慮。L1是扼流電感，在工作頻率時(shí)阻抗很大，而對(duì)于直流的負(fù)偏置電壓近似短路；C1是為了旁路交流信號(hào)對(duì)負(fù)偏置電壓的影響，在工作頻率時(shí)阻抗很小，可認(rèn)為虛地；R1是發(fā)射極采樣電阻，取值要合適，取值過大會(huì)增大丙類功率放大器的功率損耗，降低整機(jī)效率，取值過小則會(huì)造成發(fā)射極電流脈沖采樣信號(hào)幅度太小。

2 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)分析

2.1 連接電路

連接直流電源，電源電壓VCC＝12.0 V，以萬用表測(cè)量為準(zhǔn)，選擇諧振功放輸出負(fù)載電阻R3＝150Ω。

2.2 調(diào)諧特性的測(cè)試（中心頻率450±30 kHz）

將高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出峰峰值調(diào)至約1.8 V，接至功率放大器的輸入端J4，示波器通道1觀察輸入信號(hào)，通道2觀察發(fā)射極余弦脈沖，通道3觀察功率放大器輸出。由晶體管y參數(shù)等效電路可知，當(dāng)電路諧振時(shí)，輸出和輸入信號(hào)相移近似180°，因此可通過觀察輸出和輸入信號(hào)相移來確定電路是否調(diào)諧。當(dāng)電路調(diào)諧于450 kHz，輸入信號(hào)頻率為430，450，470 kHz時(shí)，波形分別如圖4～圖6所示。（CH1為輸入信號(hào)，是波形圖最上面波形；CH2為發(fā)射極余弦信號(hào)，是波形圖中間波形；CH3為輸出信號(hào)，是波形圖最下面波形，后同）

圖4 輸入信號(hào)頻率430 kHz時(shí)波形圖

圖5 輸入信號(hào)頻率450 kHz時(shí)波形圖

圖6 輸入信號(hào)頻率470 kHz時(shí)波形圖

2.3 研究激勵(lì)電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

在負(fù)載電阻RL＝150Ω，高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率為功率放大器諧振頻率時(shí)，改變激勵(lì)電壓幅度，觀察發(fā)射極電流的脈沖形狀，記錄欠壓、臨界、過壓3種工作狀態(tài)下的波形分別如圖7～圖9所示，功率放大器的輸入和輸出幅度值如表2所示。

表2 激勵(lì)電壓對(duì)工作狀態(tài)影響

圖7 欠壓工作狀態(tài)波形圖－激勵(lì)電壓變化

圖8 臨界工作狀態(tài)波形圖－激勵(lì)電壓變化

圖9 過壓工作狀態(tài)波形圖－激勵(lì)電壓變化

［11］可知激勵(lì)電壓對(duì)丙類功率放大器工作狀態(tài)影響的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖10所示，在激勵(lì)電壓Ubm＝1.87 V時(shí)，電路處于欠壓狀態(tài)。隨著激勵(lì)電壓的增加導(dǎo)通角逐漸變大，由于動(dòng)態(tài)特性斜率與導(dǎo)通角θe存在反比關(guān)系，必然導(dǎo)致斜率變小。因此，在欠壓狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性A1B1－B1C1變?yōu)榕R界條件下的A2B2－B2C2。同樣，當(dāng)激勵(lì)電壓增加到2.23 V時(shí)，進(jìn)入過壓狀態(tài)?？偟膩碚f，隨著激勵(lì)電壓的增加，放大器的工作狀態(tài)由欠壓逐漸向臨界和過壓狀態(tài)過渡，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論吻合。

圖10 激勵(lì)電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響

2.4 研究負(fù)載變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

在高頻信號(hào)源輸出幅度為步驟2.3中臨界狀態(tài)下信號(hào)源輸出幅度，改變負(fù)載電阻大小，記錄欠壓、臨界、弱過壓、過壓工作狀態(tài)下的波形分別如圖11～圖14所示，不同負(fù)載值對(duì)應(yīng)的電源電流、輸出電壓和效率如表3所示。

表3 負(fù)載特性對(duì)工作狀態(tài)影響

圖11 欠壓工作狀態(tài)波形圖－負(fù)載變化

圖12 臨界工作狀態(tài)波形圖－負(fù)載變化

圖13 弱欠壓工作狀態(tài)波形圖－負(fù)載變化

圖14 過壓工作狀態(tài)波形圖－負(fù)載變化

由參考文獻(xiàn)［11］可知丙類功率放大器的負(fù)載特性曲線如圖15所示，隨著負(fù)載電阻RP的增大，功率放大器的工作狀態(tài)由欠壓狀態(tài)變?yōu)榕R界狀態(tài)，然后進(jìn)入過壓狀態(tài)。在欠壓和臨界狀態(tài)，由于集電極電流為尖頂脈沖，電流脈沖的直流分量IC0、基波分量Ic1m不變。輸出電壓振幅Ucm＝Ic1mRP線性增加，因此實(shí)測(cè)得到在負(fù)載電阻由106.9Ω變?yōu)?50.0Ω時(shí)，輸出電壓值由4.07 VPP增加到了5.53 VPP。進(jìn)入過壓狀態(tài)后因?yàn)榧姌O電流波形有凹陷，使得Ucm增加緩慢，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中輸出電壓值的變化情況與之吻合。同理，在欠壓和臨界狀態(tài)IC0、Ic1m不變，隨著RP增加，電源輸出功率P＝基本保持不變，輸出功率P0線性增加，集電極效率ηC隨之增加，進(jìn)入過壓區(qū)后，P＝快速減小。ηC在弱過壓區(qū)由于P0下降得比P＝慢，導(dǎo)致ηC略增，進(jìn)入強(qiáng)過壓區(qū)后ηC就會(huì)下降。對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，ηC從欠壓到臨界狀態(tài)增加較快，到弱過壓狀態(tài)達(dá)到61%的最大效率后開始下降。

圖15 丙類功率放大器負(fù)載特性

2.5 研究電源電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響

在RL＝150Ω，高頻信號(hào)源輸出幅度為步驟2.3中臨界狀態(tài)下信號(hào)源輸出幅度時(shí)，改變輸入電源電壓的大小，記錄欠壓、臨界、弱過壓以及過壓工作狀態(tài)下的波形分別如圖16～圖18所示，不同狀態(tài)下電源電壓及輸出電壓如表4所示。

表4 電源電壓對(duì)工作狀態(tài)影響

圖16 欠壓工作狀態(tài)波形圖－電源電壓變化

圖17 臨界工作狀態(tài)波形圖－電源電壓變化

圖18 過壓工作狀態(tài)波形圖－電源電壓變化

由參考文獻(xiàn)［11］可知電源電壓VCC對(duì)工作狀態(tài)的影響如圖19所示。當(dāng)電源電壓由12.0 V增加到12.7 V時(shí)，IQ、uBEmax、動(dòng)態(tài)特性斜率、集電極最大電流、導(dǎo)通角都保持不變，使得原動(dòng)態(tài)特性向右平移，對(duì)應(yīng)圖中V″CC向V′CC變化，工作狀態(tài)由臨界變成欠壓。同理，在VCC減小到10.2 V過程中IQ、 uBEmax、θe保持不變，放大器一定進(jìn)入過壓狀態(tài)，這樣集電極最大電流就會(huì)減小，從而引起回路兩端基波電壓振幅減小。在過壓狀態(tài)下，因?yàn)榛芈穬啥嘶妷赫穹S電源電壓減小而減小，動(dòng)態(tài)特性斜率的絕對(duì)值要隨電源電壓減小而略有增加，但是仍然是過壓狀態(tài)，對(duì)應(yīng)相當(dāng)于動(dòng)態(tài)特性向左移?？偟膩碚f，在電源電壓有由V″CC增加到V′CC時(shí)，動(dòng)態(tài)特性從A2B2－B2C2變?yōu)锳1B1－B1C1，同樣的減小到VCC時(shí)，動(dòng)態(tài)特性變?yōu)檫^壓的A3B3－B3C3。

圖19 電源電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響

3 實(shí)驗(yàn)中碰到的問題及研究

1）發(fā)射極余弦脈沖下凹不對(duì)稱。

由于在講解丙類功率放大器時(shí)，將晶體管特性曲線理想化，采用折線法進(jìn)行分析；但實(shí)際的晶體管特性曲線并非如此，在放大區(qū)集電極電流和基極電流受集電極電壓影響，在飽和區(qū)集電極電流受基極電壓影響，模型比較復(fù)雜，因此實(shí)際的余弦脈沖下凹，不可能完全對(duì)稱。

2）過壓狀態(tài)下，功率放大器輸出正弦波有失真。

過壓狀態(tài)下，集電極余弦脈沖波形有下凹，是由于三極管由放大區(qū)進(jìn)入了飽和區(qū)，造成失真的信號(hào)的頻率也為基波頻率，其傅里葉級(jí)數(shù)分解的基波頻率同樣會(huì)通過諧振負(fù)載放大后輸出，因此輸出波形會(huì)失真。

3）實(shí)驗(yàn)過程中射頻寬帶三極管BFG591損壞。

由于BFG591的ICmax＝200 mA，因此在實(shí)驗(yàn)過程中，一定要注意激勵(lì)電壓幅度不要大于（UBE＋0.2× 10）VP，也即輸入激勵(lì)信號(hào)峰峰值不要大于5.4VPP。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完整論述了丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)施過程，首先從電路原理圖設(shè)計(jì)、元器件選型等方面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析，然后研究了激勵(lì)電壓、負(fù)載以及電源電壓的變化對(duì)丙類功率放大器工作狀態(tài)的影響，實(shí)測(cè)波形清晰直觀地再現(xiàn)了丙類功率放大器的工作過程，同時(shí)對(duì)于測(cè)試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深層分析。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，可為其他高校開設(shè)丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供一定參考和借鑒。

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［11］陽(yáng)昌漢.高頻電子線路［M］.2版.北京：高等教育出版社，2013：67－70．

Design and Practice of High－frequency Class C Power Am plifier Experimental Project

HOU Changbo，PEN Yanhua，LIHaozhe
（College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to deepen students＇understanding of the operating principle of high frequency class C amplifier，themature experimental program is proposed after three years of experimental teaching.Firstly，the design of the circuitschematic diagram and the selection of components selection are designed specifically.Then，the impact on the operating state is researched through actual testing when the excitation voltage，load，supply voltage variations changed.Moreover the experimental results are analyzed with the theory.Finally，the problems encountered in the experiment are analyzed and discussed.The experimental results show that the project clearly reproduced the work process of the class C power amplifier，and the favorable teaching effectwas obtained.Itmay be helpful for the other universities to open the class C power amplifier experiments．

communications electronic circuit；high frequency；class C；power amplifier；experimental program

TN722；G642.423

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.005

2016－01－15；修改日期：2016－03－28

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目立項(xiàng)（201601004024）；哈爾濱工程大學(xué)2016年本科教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（JG2016BZD19）。

侯長(zhǎng)波（1968－），男，碩士，講師，主要從事電路與電子系統(tǒng)方面的研究工作。