倍频

实验一： 倍频电路与高频谐振功率放大器 实验目的：

通过本实验，进一步了解和掌握丙类倍频电路和高频丙类谐振功率放大器的工作原理，了解和掌握倍频器中LC选频回路Q值变化对电路性能的直接影响关系，了解与掌握激励信号的幅值、负载电阻RL的阻抗变化对放大器性能的影响。通过实验、能够使学生初步掌握对高频电路的调整技巧，学会使用基本仪器对高频电路的测量及对电路的分析。

1.1 倍频器与高频谐振功率放大器工作原理

(1) 丙类倍频器工作原理

倍频器是把输入的信号频率f0成整数倍增到n f0的倍频电路。比较常用的电路有2倍

频、3倍频、5倍频等倍频电路形式,它常常被用于发射机、接收机电路或其它电路的中间级。 倍频器按其工作原理可分为两大类：

第一类是参量倍频器：它利用具有PN结元器件的结电容量的非线性变化，从而得到输入信号的n次谐波频率分量。常见的变容管倍频器、阶跃管倍频器就属于这种类型。

第二类是丙类倍频器：它利用晶体管的非线性效应，把正弦波变换成正弦脉冲波，由于脉冲波中含有丰富的谐波份量，通过LC选频回路将信号的n次谐波选出、从而完成对信号的n次倍频功能。这类倍频器的电路形式与丙类谐振放大器之间没有太大的区别、所以又称为丙类倍频器。本实验中所采用的倍频器就属于这种电路类型。

图1-1 是本次实验用丙类倍频倍电原理图。

从图中可以看出该电路和丙类谐振功放级电路在电路结构上非常相类似、不同之处仅在于倍频器选用的两级LC选频网络的固有谐振频率选择在输入信号f0的三倍频上。选用二级LC选频,以提高选频效果。 LC选频回路公式为：

f0?12?LC

（U1）表示前级送来的载波信号，它经由L3、C13、C14组成的并联谐振回路选频后、经电容分压加载到倍频管BG3基极。

由于U1信号具有较大的电压幅值，完全可以使倍频管BG3工作在丙类状态下。

我们知道，当晶体管工作在开关状态时、其集电极

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输出信号电压为脉冲波,

并且含丰富的谐波分量。如果我们在集电极回路里串入LC并联选频回路，并且将LC回路的固有谐振频率调整在输入信号U1的N次谐波频率nf点上，使其对nf处于谐振状态,而对nf以外的其它谐波分量，由于LC回路处于失谐状态，可以等效为交流短路，所以它们不会被LC谐振回路选出。 因此倍频器的输出端、只有U1的N次谐波频率nf的信号输出。

从而完成对输入信号的N倍频过程。

由于LC并联谐振回路的有载Q值由于工艺原因，往往不可能做的很高，所以经过一次

LC选频后的三倍频波形、还可能包含有较强的基波和二次谐波份量。 当用示波器在倍频电路输出端(J3)观察(参考图1-8) 时，就会发现，倍频输出波形中含有明显的基频寄生调幅。为了使倍频器的输出信号成为较为标准的等幅正弦波信号，电路中设计了二次选频回路。两级LC并联谐振回路的固有谐振频率均调谐在输入信号U1的三次谐波上，使倍频器的输出信号质量有了明显的改善。用示波器在 (J4) (参考图1-8) 可以观察到经过第二次选频回路的输出波形、波形巳近似等幅波。波形幅值应大于1.5V 值。

图1-2 是倍频器电路的输入、输出波形图。

从图中可以看到经过二次选频回路后输出信号波形较单次LC选频时有了明显改善。

为了减少后级电路对倍频电路的影响，第二级LC选频回路采用了电容分压输出方式和负载电位器W1耦合。有效的减小了对倍频电路的影响。

电位器 W1(参考图1-8)是为了控制注入到激励放大管BG4基极信号的强度而设计的。改变W1的电阻分压比、可以有效的控制激励放大器BG4的输出信号

P-P

ubm的幅度值，从而达到控制末级谐振功

放级注入信号强度的目地。

调整W1的中心位置、可以有效的控

制激励级的信号电压输出幅度。从而改变末级谐振功率放大器的激励功率。

激励信号ubm的大小,将直接影响到末级谐振功率放大管BG5的工作状态。 为了保证末级功放级具有较高的工作效率，必需使末级功放管的基极激励信号ubm保持在一个最佳的激励电平下。 激励信号过大或过小会造成末级管工作在欠压和过压状态下。只有在

ubm信号

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最合适的时候，末级管才能工作在临界状态下。这时功放管的工作效率最高，放大器输出的功率也达到最大值、而放大管本身的功耗也最小。这时、我们称功放管为最佳工作状态。

(2) 丙类谐振功率放大器工作原理

高频谐振功率放大器一般多用于发射机的末级电路，是发射机电路的主要组成部分。同时高频谐振功放电路的电流消耗，往往要占到整机耗电量的决大部分。所以功率放大器工作状态的优劣、以及工作效率的高低、就显的相当重要。 凡是采用谐振选频网络作为输出电路的功率放大器、统称为谐振放大器。其中又分为甲类谐振功率放大器” 、“乙类谐振功率放大器” 、“丙类谐振功率放大器” 等几种常用类型。从电路的特点来看，三种电路型式各有优缺点。设计电路时，我们可以根据它们的各自特点、分别选用不同的电路。

图1-3是放大器工作在三种不同状态时的输入、输出波形图。从图中可以明显的看出三种工作状态、各有优缺点。

甲类工作状态具有所需输入信号幅度小、输出信号不失真等优点，但工作效率较低。

乙类、丙类工作状态虽然工作效率较高，但是存在着输出信号失真大、所需输入信号幅度大等缺点。

从工作效率来讲、由于丙类放大器电压导通角较小。所以丙类工作状态是三种放大器中效率最高的。而作为发射末级功率放大电路，功耗和效率是主要问题、因此

我们往往更加注重电路的工作效率。为了更好的提高效率、发射机的高频末级功率放大器、一般均会采用丙类工作方式。而高频发射电路的激励放大级、一般采用乙类放大电路。

本实验仅就较为常用的“丙类谐振功率放大器” 电路工作原理和调整方法进行简介。

图1-4是本次实验用的丙类谐振功率放大器电原理图：

从图中可以看出，放大器基极没有设置直流偏置电路、仅在晶体管基极设置了一个下偏置电阻R11，从电路形式来看，这是一个典型

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的丙类放大器电路。 当没有载波信号输入时，放大器处在截止状态，集电极C和发射极E之间，没有电流IC流过，由于晶体管处在截止状态，所以集电极没有交流信号输出。

当有载波信号（一定幅度的）输入至放大器基极B时，将会在电阻R11上产生自给偏压、此时放大器将会随着输入信号的频率进行开关工作。放大器的集电极将会输出经过放大的正弦脉冲波。如果在集电极采用串联LC谐振回路取出信号，并且将LC回路的固有谐振频率准确的调谐在放大器的输入频率点f 0上，输出波形将被还原成为标准的正弦波信号。

谐振放大器性能的优劣、主要由三个特性决定：

即：激励特性：调谐特性：负载特性：如果以上三个特性均调整在最佳状态，那就说明放大器的各项性能良好，工作效率较高。或者说谐振放大器电路已处于最佳工作状态。 怎样才能判断放大电路的调谐和调整己处在最佳状态呢? 这就需要我们对谐振功率放大器的激励特性、调谐特性、负载特性、有一个基本的了解，并且对放大器正常工作时的电压、电流、功率的变化规律有一个比较全面的了解。才能够熟练掌握它的变化规律，从而在调试中做到心中有数、达到事半功倍的效果。

图1-5 是谐振放大器的调谐特性图 从中可以看出、当回路和输入的信号谐振时，集电极回路电流lc0达到最小值，发射极电流

le0也同时达到最小值，而基极电流lb0处在最大值。由于三极管的放大作用，所以在集电极观察到的变化比较明显，而在基极和发射极，电流的变化就不象集电极那么明显了。

需要说明的是、谐振放大器的输出信号一般经过LC耦合回路进行滤波和阻抗匹配后才能和负载连接。由于晶体管极间 电容

cbc的反馈、和电路中容性和感性元件的相移作用，放大器的负载往往不能等效为纯阻

性，在调整时、u0的最大值和lc0的最小值，往往不会同时出现，而存在有一定的差值。但是这并不会影响我们对电路的分析结果。

谐振功率放大器还有另外一个较重要的特性，就是放大器的负载特性。

谐振功率放大器的负载特性，是指当放大器的激励信号

ubm、供电电压vCC等参数值保

持不变时、放大器性能随负载电阻RL变化的特性。

图1-6 是谐振放大器的负载特性曲线图。从图中可以明显的看出，当放大器的负载电阻RL小于临界电阻值R0时，放大器工作在欠压状态区。放大器的工作效率随RL阻值的增大而提高。当RL阻值大于最佳负载电阻值R0时，放大器工作在过压状态区，高频输出信号

4

幅度Uo并没有随负载电阻RL的增大而成比例的增加，而是变为缓慢增加。

根据公式：

电源输入功率：PD = lc·VCC 高频输出功率：P0 = U

2R 集电极功耗：PC = PD-P0 电路工作效率： ? =

PP0·10000

D其结果必然造成放大器的工作效率明显下降。

由图 1-6 给出了谐振放大器在不同状态下的几条特性曲线中，可以看出，当谐振放大器的负载电阻RL=R0时，放大器工作在临界状态，此时放大器输出交流功率P0达到最大值，放大器的工作效率也较高。

故临界状态为谐振功率放大器的最佳工作状态、与之相对应的负载电阻R0称之为最佳负载电阻。此时对应的电路工作效率应该是最高值。输出功率最大。 所以一般应尽可能的将放大器调整至临界工作状态。影响 放大器状态的原因很多，主要有以 下几个影响因素：

Po, Pd, Pc,η

η （1）集电极直流电压VEC的变化：

当放大器的其它参数固定不变，

集电极供电电压VEC由小到大

变化时，放大器的工作状态会

由过压→临界→欠压。

Pd

（2）激励电压Ubm的变化：

Po 当放大器其它参数固定时，激励电

电ubm由小到大变化时，放大器

Pc 工作状态由欠压→临界→过压。

欠压 Ro 过压 （3）集电极负载电阻RL的变化：

临界 当放大器的其它参数固定时。负载 电阻RL由小到大变化时，放大器 的工作状态由欠压→临界→过压。 图 1-6 谐振放大器的负载特性

利用负载特性所反映出放大器电流电压和功率的变化关系，可以帮助我们认识丙类谐振放大器的不同特点。

根据各种谐振放大器的不同工作状态特点，使各种放大器得到合理的应用。

例如作为高频功放末级：要求输出足够大的功率和具有较高的工作效率，显然采用临界工作状态是比较合理的。

放大器工作在过压状态时具有较高的效率，并且具有一定的恒压性质，由于它能向后一级提供较为稳定的激励电压，因此它比较适用于中间激励级。

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