实验一 非线性丙类功率放大器实验
一、实验目的
1. 特性；
2. 响；
3. 4.
1. 2. 3. 4.
了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态了解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比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点、功率、效率； 掌握丙类放大器的计算与设计方法。
观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点； 测试丙类功放的调谐特性； 测试丙类功放的负载特性；
观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响。
二、实验内容
三、实验基本原理
放大器按照电流导通角θ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?越小，放大器的效率?越高。
甲类功率放大器的?＝180o，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的电流导通角??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??90o，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1-1所示，该实验电路由两级功率放大器组成。其中Q3（3DG12）、T6组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中RA3、R14、R15组成静态偏置电阻，调节RA3可改变放大器的增益。W1为可调电阻，调节W1可以改变输入信号幅度，Q4（3DG12）、T4组成丙类功率放大器。R16为射极反馈电阻，T4为谐振回路，甲类功放的输出信号通过R13送到Q4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Q4基极－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S1拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路Q值。
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5-1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： vEQ?IEQR15 ICQ??IBQvBQ?vEQ?0.7V vCEQ?VCC?ICQR15
（2） 负载特性
如图1-1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
'PH 行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0可表示为：P0?
o
?B
式中，PH为输出负载上的实际功率，?B为变压器的传输功率，一般为?B＝0.75～0.85。
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RH称为最佳负载电阻。集电极的输出功率PC的表达式为：
2
11Vcm
PC?VcmIcm?
22RH
式中，Vcm为集电极输出的交流电压振幅；Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别为：
'
Vcm?VCC?ICQR15?VCES 式中，VCES称为饱和压降，约1V。
1
Icm?ICQ
图1-2 甲类功放的负载特性
如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则N
N
'
12
?
?B
R
'H
H
R
式中，RH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2-1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： AP?P0
Pi
其中，Pi为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为Vim?2RiPi
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IEO（≈ICO）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vi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vc1,电流ic1。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：Vc1m?Ic1mR0
'
Vc1m为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；Ic1m式中，
为集电极基波电流振幅；R0为集电极回路的谐振阻抗。
图1-3 丙类功放的基极、集电极电流和电压
1121Vc21m
PC?Vc1mIc1m?Ic1mR0?
222R0
式中，PC为集电极输出功率。
PD?VCCICO
式中，PD为电源VCC供给的直流功率；ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。 放大器的效率?为： ??
1Vc1mIc1m
??
2VCCICO
（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，如果电流导通脚选定，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2-4所示。
2
1-4 谐振功放的负载特性大器 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Icm。
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
(VCC?VCES)2
为最佳负载电阻，用R0表示，即： R0?
2P0
当Rq﹤R0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。当Rq﹥R0时，放大器处于过压状态，如B点所示，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：VCC?Vcm?VCES
四、主要技术指标及测试方法
1. 输出功率
高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。对于图2-1所示的电路中，由于负载RL与丙类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，则集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频放大
121Vc2器的输出功率，即：P?1VI1m ?IR?
C
2
c1mc1m
2
c1m0
2R0
测量功率放大器主要技术指标的连接电路如图2-5所示，其中高频信号发生器提供激励信号电
压与谐振频率，示波器监测波形失真，直流毫安表mA测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载RL的端电压。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。可以通过高频毫伏表V及直流毫安表mA的指针来判断集电极回路是否谐振，即电压表V的指示为最大，毫安表mA的指示为最小时集电极回路处于谐振。当然也可以用扫频仪测量回路的幅频特性曲线，使得中心频率处的幅值最大，则集电极回路处于谐振。
2
放大的输出功率可以由下式计算： P?VL 式中，VL为高频电压表V的测量值。
0
RL
2. 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电感、电容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。所以通常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率，用?表示，即： ??
PC P0
利用图2-5所示电路，可以通过测量来计算功率放大器的效率，集电极回路谐振时，?
3
EC示波器检测点LRLV功0.01uF率放大+v0-CERF高频扼流圈GNDVsIco直流毫安表REGND器GNDmA+VCC图1-5 高频功放的测试电路
2
的值由下式计算：??PC?VL/RL 式中，VL为高频电压表V的测量值。
P0ICOVCC
3. 功率增益
放大器的输出功率P0与输入功率Pi之比称为功率增益，用AP（单位：dB）表示。（A
P
?
P0）
Pi
五、实验步骤
1. 测试调谐特性
在前置放大电路出入J3处输入频率f=9MHz(Vp-p≈0.3V)的高频信号，调节W11，使TP6处信号的电压幅值为最大，S1全部开路，改变输入信号频率，从9MHz～15MHz（以1MHz为步进）记录TP6处的输出电压值，填入表1-1。
表1-1 fi 9MHz 10MHz 11MHz 12MHz 13MHz 14MHz 15MHz V0
2. 测试负载特性
（Vp-p≈0.3V）的高频信号，调节W1使TP6在前置放大电路中输入J3处输入频率f＝11.8MHz
处信号幅值最大，调节信号频率使回路调谐（调谐标准：TH4处波形为对称双峰）。
将负载电阻转换开关S1依次从1—4拨动，用示波器观测相应的Vc值和Ve波形，描绘相应的ie波形，分析负载对工作状态的影响。
表1-2
RL(Ω) 820 330 VcP-P(V) VeP-P(V) ie的波形
100
∞
3. 实测功率、效率计算
用示波器观测，将丙放各参量填入表1-3，并进行功率、效率计算。
表1-3 实测 实测计算
f=10.7MHz
Vb Ve VceVimVcmIc0P0P1PCη
甲 放
VCC=
丙RL=∞ 5 V
放 RL=100Ω
其中：Vi：输入电压峰－峰值；V0：输出电压峰－峰值；I0：发射极直流电压÷发射极电阻值；P0：电源给出直流功率（P0?UCCICO）；PC：为管子损耗功率（PC?iC?CE）； P1：输出功
4
率 (P1
1Vcm) ?
2R0
2
六、实验报告要求
1. 整理实验数据，并填写表1-1、1-2、1-3。
2. 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。 3. 用实测参数分析丙类功率放大器的特点。
七、实验仪器
1. 2. 3. 4. 5.
高频实验箱HD-GP- Ш 1台 双踪示波器 1台 频率特性测试仪（可选） 1台 万用表 1个
高频电压表（可选） 1
台
5
高频电子线路实验指导(20131129)
