基于丙类谐振功放负载特性分析与调试的探讨(精)

第7卷第2期漯河职业技术学院学报

V o. l 7N o 2 2008年3月

Journa l o f Luohe V ocationa lT echno l ogy Co ll ege

M ar 2008

收稿日期:2007-11-25

(, 男, , 基于丙类谐振功放负载特性分析与调试的探讨

万琰

(漯河职业技术学院机电工程系, 河南漯河462002

摘要:基于丙类谐振功放电路负载特性特点, 分析并探讨了负载特性对功放电路输出功率和效率的影响。提出了丙类谐振功放电路调试方法, 为电路设计组装提供参考。

关键词:丙类功放; 负载特性; 调试

中图分类号:TN751 文献标识码:A 文章编号:1671-7864(2008 02-0029-02

在现代社会通讯技术得到广泛的发展, 无论是广播通信, 还是其他通信, 为了传送信号, 特别是为了远距离传送信号, 要求发射机发射信号具有足够的功率; 同时另一方面, 发射机输出的功率是由电源功率供给转换而来。为节能降耗, 在满足功率输出要求的同时, 必须提高输出效率。传统的甲类( max =50% 及乙类( m ax =78% 功率放大器效率较低, 为进一步提高功率, 高频功率放大器多选择在丙类工作状态。也就是丙类谐振功率放大器。

1 丙类谐振功放基本原理

所谓丙类工作状态是指一个信号周期内, 晶体管集电极在小于半个周期(通角<90 才有电流流过。电路设置丙类状态的目的是降低晶体管基极工作点, 减少管耗, 提高输出功率和效率。

图1为丙类谐振功放原理。为保证丙类工作状态, 图中V BB 为负压, u b =U b m cos t u BE =u b +V BB 晶体管工作在截止和线性放大两种状态下。因此, 晶体管各极电流i b , i c , i e 均为周期余弦脉冲, 可用傅里叶级数展开, 其中i c 傅里叶级数展开为:

i c (t =I c0+I c1m cos t +I c2m cos2 t +I cnm cos n t + 式中I c0, I c1m , I c2m , , I cnm 分别为集电极电流的直流分量, 基波分量及各次谐波分量的振幅。利用集电极LC 选频回路作用, 选频出基波分量, 保证了集电极输出与输入之间线性放大关系。同时通过LC 电路的谐振阻抗的调节, 使电路呈现最佳负载阻抗值, 即所谓的调匹配。从而实现丙类谐振功放高效大功率输出要求。

图1 丙类谐振功放基本原理图

2 丙类谐振功放负载特性分析

由图1可知, V BB , u b , V CC 以及负载电阻R ! 的大小均会对电路的输出功率和效率产生影响。由于晶体管集电极为谐振负载, 为追求高效率和大功率, 在电路设计调试中需要改变, 同时R ! 的大小也对晶体管的安全有着直接的影响。下面对丙类谐振功放负载特性进行分析。

利用折线方法画出电路的特性曲线, 如图2所示。其中Q 点由V BB 、V on 、V CC 确定不变, 线AQ 1、线AQ 2、线AQ 3的倒数为R ! 的大小。由图中可以看出, 当线AQ 由右向左移动时, 电路的状态将发生变化。

在线AQ 1区:R ! 较小, V c m 较小, P 0较小, 较低; 在线AQ 2区:R ! 较大, V cm 较大, P 0较大, 较大; 在AQ 3区:R ! 较大, V cm 略增大, P 0较大也较大; 但i c 出现凹陷。把线AQ 1区、线AQ 2区、AQ 3区分别称之为欠压、临界和过压状态。因

此, 在临近临界的过压状态集电极效率最高, 输出功率最大, 为最佳工作状态。这为我们进行电路设计和调试提供依据。

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年

图2 丙类谐振功放特性曲线示意图

3 丙类谐振功放调试方法

高频功放电路是无线发射机最关键也是最难调试的单元电路之一。一方面实际负载常是天线, 而天线易受周围环境的影响, 有时在安装过程中无法知道其阻抗大小; 另一方面实际负载往往是通过复杂的阻抗变换和滤波网络构成谐振负载R ! 。因此, 丙类谐振功放基本调试包括调谐振状态、调功率匹配以及电路统调等。

由图1可知, 当电路发生谐振时, 输出电压u c

与激励电压u b 相位差为180 , 集电极电流电流最大值与电压最小值在同一时

刻出现, 功耗最小, 效率和功率最大。相对应地, 失谐时, 功耗增大, 效率和功率降低。在谐振状态调好后调整负载, 使谐振电阻等于电路最佳负载电阻, 使效率和功率最大。这是因为, 若R L 过小, 其值等效L C 电路后使R ! 过小, 此时输出电压下降, 集电极功耗增加。反之, 当R L 过大, 使R ! 过大, 如负载开路时, 放大管的反向峰值电压过大, 可能使功放管击穿。

如图3所示, 为丙类谐振功放调试电路, 图中两块电流表分别监测电路的谐振状态和负载调配情况, 具体调试方法如下。

在未调试之前, 首先将电源V CC 和输入电压u b

减小, 目的是为保证功放管安全。

接通电源, 迅速调节C 1, 同时观察接在L C 下方电流表的量值, 使电流值为最小。此时, 电路已调到谐振状态。由前面分析可知, LC 电路的总电阻R ! 增大, 电路进入过压状态集电极电流将减小, 电流表的量值实质为其直流分量I C0, I C0值最小, 表明电路处谐振状态。调谐完成之后, 再逐渐恢复电源V CC 和输入电压u b 。

接下来进行负载调节。图3中C 2和天线构成串联谐振电路, 调节C 2可以改

变串联谐振电阻大

, ,

即电流表表的量值最大。此时串联谐振电阻折合到LC 电路的电阻也最大, 将

导致LC 电路的总电阻R ! 减小, 电路将退出原过压状态, L C 下方电流表的量值I

C0增大。

最后要进行电路统调工作。从上面调节过程可以看出, C 1的调节, 使LC 电路的总电阻R ! 增大; 而负载C 2的调节, 又使LC 电路的总电阻R ! 减小; 为使电路效率最高, 输出功率最大, 只有在临近临界的过压状态时, 才是最佳工作状态。因此, 需要对C 1、C 2进行统调。具体方法可用示波器观测集电极电流波形, 在第一步调节(调节C 1 后, 电路进入过压状态, 集电极电流为凹陷波形; 在第二步调节(调节C 2 时, 集电极电流将退出凹陷, 慢慢转入尖顶脉冲波形, 当集电极电流凹陷波形退出到尖顶脉冲波形时, 电路处在最佳的临界的过压状态。

在调试过程中必须注意, 影响管耗增大的原因很多, 如集电极失谐、元器件参数偏差、晶体管最大反向击穿电压、前后级失配等因素, 其少许变化, 将会引起管耗成倍增加, 甚至因过热而损坏功放管。