高频功率放大器)

实验二  高频丙类功率放大器 一. 实验目的 1． 通过实验，加深对于高频谐振功率放大器工作原理的理解。 2． 研究丙类高频谐振功率放大器的负载特性，观察三种状态的脉冲电流波形。 3． 了解基极偏置电压、集电极电压、激励电压的变化对于工作状态的影响。 4． 掌握丙类高频谐振功率放大器的计算与设计方法。 二、 实验教学重点及难点 丙类功放静态工作点（基极电压）与甲类放大器区别，负载变化对输出功率的影响，输出匹配滤波器选择及设计， 三、 参考资料 1、王卫东    模拟电子技术基础      电子工业出版社  2010-5 2、王卫东    高频电子线路          电子工业出版社  2009-3 3、卓圣鹏    高频电路设计与制作  科学出版社  2006-8 四、 教学过程 1、讲解实验原理 2、介绍各实验仪器 3、讲解实验内容与步骤 4、实验报告要求 5、布置思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 五、实验原理 1.高频谐振功率放大器的工作原理 谐振功率放大器是以选频网络为负载的功率放大器，它是在无线电发送中最为重要、最为难调的单元电路之一。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等类型。丙类功率放大器导通角θ＜900，集电极效率可达80%，一般用作末级放大，以获得较大的功率和较高的效率。 图2-1丙类放大器原理图        图2-2 ic与ub关系图 图2-1中，Vbb为基极偏压，Vcc为集电极直流电源电压。为了得到丙类工作状态，Vbb应为负值，即基极处于反向偏置。ub 为基极激励电压。图2-2示出了晶体管的转移特性曲线，以便用折线法分析集电极电流与基极激励电压的关系。Vbz是晶体管发射结的起始电压（或称转折电压）。由图可知，只有在ub 的正半周，并且大于Vbb和Vbz绝对值之和时，才有集电极电流流通。即在一个周期内，集电极电流ic只在-θ～+θ时间内导通。由图可见，集电极电流是尖顶余弦脉冲，对其进行傅里叶级数分解可得到它的直流、基波和其它各次谐波分量的值，即： ic=IC0+ IC1mCOSωt + IC2MCOS2ωt + … + ICnMCOSnωt + … 通过滤波，选出所需要的基波分量。 求解方法在此不再叙述。为了获取较大功率和有较高效率，一般取θ=700～800左右。 2.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 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。图3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： 式中， 为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅； 为集电极基波电流振幅； 为集电极回路的谐振阻抗。 式中，PC为集电极输出功率 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 图2-3 丙类功放的基极/集电极电流和电压波形 3.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，如果电流导通角选定，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。 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所对应的值称为最佳负载电阻，用R0表示，即 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： 图2-4 谐振功放的负载特性 4.高频功率放大器电路分析 图2-5  高频丙类功放驱动级电路原理图 图2-5给出了高频谐振功率放大器驱动级的原理图。本实验电路与小信号调谐放大器有一定的相似性。可参考实验一的分析方法 图2-6  驱动电路与可调电源电路 功放输出级电路连接了+6～+12V可调电源，以完成集电极调制特性的实验。特别注意丙类状态与甲类放大器静态工作点的不同。 5.高频功放电路的调谐与调整原则 理论分析表明，当谐振功率放大器集电极回路对于信号频率处于谐振状态时（此时集电极负载为纯电阻状态），集电极直流电流IC0为最小，回路电压UL最大，且同时发生。然而，由于晶体管在高频工作状态时，内部电容Cbc的反馈作用明显，上述IC0最小、回路电压UL最大的现象不会同时发生。因此，本实验电路，不单纯采用监视IC0的方法，而采用同时监视脉冲电流iC的方法调谐电路。由理论分析可知，当谐振放大器工作在欠压状态时，iC是尖顶脉冲，工作在过压状态时，iC是凹顶脉冲，而当处于临界状态下工作时，iC是一平顶或微凹陷的脉冲。这也正是高频谐振功率放大器的设计原则，即在最佳负载条件下，使功率放大器工作于临界状态或微过压状态，以获取最大的输出功率和较大工作效率。 六、实验仪器 1.双踪示波器2.扫频仪3.频谱仪 4.高频信号发生器5.高频毫伏表6.万用表 7.TPE-TXDZ实验箱（实验区域：C区 高频丙类功率放大器） 七．实验步骤及测试方法 1、测试高频谐振功率放大器的激励特性： 1、参见图2-5，图2-6，按下功放电路的电源开关，测量电源电压为12V。测试各级晶体管的工作点是否正常，注意：当没有信号输入时，功放管的基极电压是0V。 2、 连接电路，将滑动开关J3001的滑块拨向下端，使J3001的1-3端相连，这样就使得功放的输出连接成变压器耦合输出方式。将滑动开关J3002的滑块拨向中间位置，使负载电阻RL3002(51Ω)接入电路。 3、 将信号源的输出频率调整为40.7MHz，输出信号的峰峰值调整为200mV，通过连接电缆，将信号输出到P3002(M3001)端（高频功放驱动级输入端）。 4、 改变输入信号幅度，使Ubm由1Vpp开始，以1V为阶步进，观测50欧姆负载处输出信号，  将示波器探头（10：1）连接到M3004（丙类功放输出端）观测输出波形(Uo)，（若用频谱仪测量，必须断开负载电阻（51Ω））。 5、 将实测数据填入表2-1中，并根据测试数据绘制出Ubm- Uo特性曲线。并根据测试数据结果作出高频功放电路的激励特性结论。实验过程中，必须连接负载，且不可使功放级集电极电流过大（超过30mA），以免使末级功放管过热损坏。 表 2-1  激励电压与输出电压实测数据 Ubm (VP-P） 1 2 3 4 5 6 UO (VP-P）             IC (mA)                           测试条件：EC=12V，f0=40.7MHz 2、 测试高频谐振功率放大器的负载特性： 1、参见图2-5，2-6，按下功放电路的电源开关，测量电源电压为12V。测试各级晶体管的工作点是否正常，注意：当没有信号输入时，功放管的基极电压是0V。 2、 将信号源的输出频率调整为40.7MHz，输出信号的峰峰值调整为200~300mV，连接电路，使J3001的1-3端相连，这样就使得功放的输出连接成变压器耦合输出方式。将滑动开关J3002的滑块拨向中间位置， 使负载电阻51Ω接入电路。调整信号源输出幅度，使电路处于最佳状态（即临界或微过压状态），记录此时的输出幅值（用示波器测量），集电极电流，并记录。 表2-2  负载与输出电压实测数据 RL（Ω） 实测数据 计算结果 ICO(A) VL(P-P)(V) VCC(V) PS(mW) PL(mW) η(%) 51                           3、集电极调制特性的测试： 1、参见图2-5，2-6，按下功放电路的电源开关，测量电源电压为12V。测试各级晶体管的工作点是否正常，注意：当没有信号输入时，功放管的基极电压是0V。 2、将信号源的输出频率调整为40.7MHz，输出信号的峰峰值调整为200~300mV，连接电路，将功放管的输出连接变压器耦合输出方式。 使负载电阻51Ω接入电路。 3、调整信号源输出幅值，使功放电路调整至最佳状态，通过频谱仪观察。 4、调整可调电源的电位器，用万用表测试（黑表笔接地，红表笔接载C3017的上端），从6V变化至12V，测试输出电压幅值的变化，并记录在表2-3中。 表2-3  集电极调制特性实验记录表 Ucc 6 7 8 9 10 11 12 UO (VP-P）               IC (mA)                               4、Π形滤波器网络输出形式电路的实验（选做）： 1、将滑动开关J3001的滑块拨向上端，使J3001的1-2端相连，这样就使得功放的输出连接成Π形滤波器网络的输出形式。 2、 将滑动开关J3003的滑块拨向下端，接通负载电阻（51Ω）。 3、 可调电源调整为12V不变，将信号源的输出频率调整为40.7MHz，输出信号的峰峰值调整为200mV，通过连接电缆，将信号输出到P3002(M3001)端。 4、 将示波器探头2（10：1）连接到M3004观测输出波形(Uo)。调整输入信号幅值，使功放电路的输出电压幅值大约在10Vpp左右。 5、 将输入信号改为调幅信号，调制信频率为5KHz，调幅度≦30%，观察输出信号，若有失真，则需减小输入信号幅值。 6、 将滑动开关J3003的滑块拨向上端，断开负载电阻（51Ω），将50Ω同轴电缆通过连接器连接到Q9座上，将电缆的另一端连接到功率计或频谱分析仪上，观察信号频谱和输出功率。 7、 当进行有线传输实验时，应按下SW3002以接入60dB衰减。 8、对于调频信号的实验，在系统连接时再进行。 八．实验报告要求及思考题 1．据实验测量结果，计算各种情况下I0、P0、Pi、η。 2．说明电源电压、输出电压、输出功率的相互关系。 3.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 4．总结在功率放大器中对功率放大晶体管有哪些要求 5.若谐振放大器工作在过压状态，为了使其工作在临界状态，可以改变哪些因素？ 6.如何验证本电路工作于丙类？ 九．下次实验内容的预习要求： 1.复习LC振荡器的工作原理。