高频功率放大器.docx

高频功率放大器.docx

《高频功率放大器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频功率放大器.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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

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2-2ic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。