高频功率放大器

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课程名称： 高频电路原理

实验名称：高频小信号放大器与高频功率放大器的仿真

一、实验目的：

1.进一步掌握高频小信号调谐放大器和高频功率放大器的工作原理和基本电路结构。

2.掌握高频小信号调谐放大器和高频功率放大器的调试方法。

3.掌握高频小信号调谐放大器各项技术参数（电压放大倍数，通频带，矩形系数）的测试方法。

4.熟练掌握multisim软件的使用方法，并能够通过仿真而了解到电路的一些特性以及各电路原件的作用

二、实验原理

J6J5J4J1+12+12图1-1（a） 单调谐小信号放大图1-1（b）双调谐小信号放大 R415KR5470R154.7KR16470C2104C6104C1中周内电容C5104C11104C19104C12中周内电容C1510pC13104C14中周内电容Q13DG6Q23DG6TH1TH2TH6TH7T3T2T1TP6TP3C23104W3100KW4100KR2210KR2315K

（一）单调谐放大器

小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图1-1（a）所示。该电路由晶体管Q1、选频回路T1二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率fS＝12MHz。基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的静态工作点。可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以改变放大器的增益。

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大倍数Av0，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。

放大器各项性能指标及测量方法如下：

1.谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，对于图1-1（a）所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为

LCf210

5.4 宽带高频功率放大器

以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，因其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，因此又称为窄带高频功率放大器。这种放大器比较适用于固定频率或频率变换范围较小的高频设备，如专用的通讯机、微波激励源等。除了LC谐振回路以外，常用于高频功放电路负载还有普通变压器和传输线变压器两类。这种以非谐振网络构成的放大器能够在很宽的波段内工作且不需调谐，称之为宽带高频功率放大器。

以高频变压器作为负载的功率放大器最高工作频率可达几百千赫至十几兆赫，但当工作频率更高时，由于线圈漏感和匝间分布电容的作用，其输出功率将急剧下将，这不符合高频电路的要求，因此很少使用。以传输线变压器作为负载的功率放大器，上限频率可以达到几百兆赫乃至上千兆赫，它特别适合要求频率相对变化范围较大和要求迅速更换频率的发射机，而且改变工作频率时不需要对功放电路重新调谐。本节重点分析传输线变压器的工作原理，并介绍其主要应用。

5.4.1 传输线变压器

1. 传输线变压器的结构及工作原理

传输线变压器是将传输线（双绞线、带状线、或同轴线）绕在高导磁率铁氧体的磁环上构成的。如图5-24（a）所示为1:1传输线变压器的结构示意图。

传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件，它是

以传输线方式和变压器方式同时进行能量传输。对于输入信号的高频频率分量是以传输线方式为主进行能量传输的；对于输入信号的低频频率分量是以变压器方式为主，频率愈低，变压器方式愈突出。

如图5-24 (b)为传输线方式的工作原理图，图中，信号电压从1、3端输入，经传输线变压器的传输，在2、4端将能量传到负载LR上。如果信号的波长与传输线的长度相比拟，两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路，如图5-24 (d)所示。若认为分布参数为理想参数，信号源的功率全部被负载所吸收，而且信号的上限频率将不受漏感、分布电容及高导磁率磁芯的限制，可以达到很高。

1.丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的负载？谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？

答：这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用谐振回路作为集电极的负载。调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量，从而得到不失真的输出电压。

2.已知谐振功率放大器输出功率Po＝4W，ηC＝60％，VCC＝20V，试求Pc和Ic0。若保持Po不变，将ηC提高到80％，试问Pc和Ic0减小多少？

解：已知Po＝4W，ηC＝60％，VCC＝20V，则

PDC=Po/ηC =4/0.6≈6.67W

Pc= PDC －Po=6.67－4=3.67W

Ic0= PDC / VCC =6.67/20（A） ≈333.3mA

若保持Po不变，将ηC提高到80％ ，则

Po/ηC－Po=4/0.8－4=5－4=1W

3.67－1=2.67W

（A）=83mA

3．已知谐振功率放大器VCC＝20V，Ic0＝250mA，Po＝4W，Ucm＝0.9VCC，试求该放大器的PDC、Pc、ηC和Ic1m为多少？

解：已知VCC＝20V，Ic0＝250mA，Po＝4W，Ucm＝0.9VCC，则

PDC= VCC× Ic0＝20×0.25=5W

Pc= PDC－Po=5－4=1W

ηC = Po / PDC =4/5=80%

Ucm＝0.9VCC=0.9×20=18V

Ic1m＝2Po /Ucm＝2×4/18≈444.4mA 4．已知谐振功率放大器VCC＝30V，Ic0＝100mA，Ucm＝28V，θ＝600，g1(θ)＝1.8，试求Po、RP和ηC为多少？

解：已知VCC＝30V，Ic0＝100mA，Ucm＝28V，θ＝600，g1(θ)＝1.8，则

PDC= VCC× Ic0＝30×0.1=3W

ξ＝Ucm / VCC＝28/30≈0.93

武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书

1 1.原理说明

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组成部件。根据放大器电流导通角θ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θ愈小放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180o，效率η最高也只能达50%，而丙类功放的θ<90o,效率η可达到80%。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。

高频功率放大器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，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；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。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

1.1高频功放的主要技术指标

1.1.1 功率关系：

功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率OP，使之一部分转变为交流信号功率1P输出去,一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率CP。

根据能量守衡定理：1oCPPP

直流功率：

输出交流功率：2211111222ccccLLUPUIIRR

CU -----回路两端的基频电压 c1I ----- 基频电流 LR ----回路的负载阻抗。

1.1.2 放大器的集电极效率

1101122ccoCCcUIPPUI

其中集电极电压利用系数：1ccLCCCCUIRUU 0ocCCPIU武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书

2 波形系数：1100()()ccII 为通角  的函数； 越小γ越大。

1.1.3 谐振功率放大器临界状态的计算