高频丙类功率放大器.docx
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高频丙类功率放大器
实验一：
高频丙类功率放大器
前言
在高频范围内为获得足够大的高频输出功率，必须采用高频放大器，高频功率放大器主要用于发射机的未级和中间级，它将振荡产生的信号加以放大，获得足够高频功率后，再送到天线上辐射出去。
另外，它也用于电子仪器作未级功率放大器。
高频功率放大器要求功率高，输出功率大。
丙类放大器它是紧紧围绕如何提高它的效率而进行的。
高频功率放大器的工作频率范围一般为几百KHZ—几十MHZ。
一般都采用LC谐振网络作负载，且一般都是工作于丙类状态，如果要进一步提高效率，也可工作于丁类或戊类状态。
一．实验目的及要求
（一）实验目的
1．进一步了解高频丙类功率放大器的工作原理和调试技术。
2．熟悉负载变化对放大器工作状态的影响及各指标的测试方法。
3．掌握输入激励电压，集电极电压，基极偏置电压变化对放大器工作状态的影响。
（二）实验要求
1．认真阅读本实验教材及有关教材内容
2．熟悉本实验步骤，并画出所测数据表格。
3．熟悉本次实验所需仪器使用方法。
（三）实验报告要求
1．写出本次实验原理及原理框图
2．认真整理记录测试数据及绘出相应曲线图。
3．对测试结果与理论值进行比较分析，找出产生误差的原因，提出减少实验误差的方法。
4．详细记录在调谐和测试过程中发生的故障和问题，并进行故障分析，说明排除过程和方法。
5．本次实验收获，体会以及改进意见。
二．实验仪器及实验板
1．双踪示波器（CA8020）一台
2．高频信号发生器（XFG-7）一台
3．晶体管直流稳压电源一块
4．数字万用表一块
5．超高频毫伏表（DA22）一台
6．直流毫安表一块
7．高频丙类功率放大器实验板一块
三．实验原理及公式推导
高频谐振放大器的主要作用是使电路输出功率大，效率高；主要特点是用谐振回路来实现阻抗变换，并且为了提高效率常工作在丙类状态。
高频功率放大器一般有两种：
1.窄带高频功率放大器；2.宽带高频功率放大器。
前者由于频带比较窄，故常用选频网络作为负载回路，所以又称为谐振功率放大器。
而宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其它宽带高频功率放大器，以高效率，小失真得到较大输出功率。
因此一般都工作在丙类状态。
其导通角小于π，其通角小于π/2。
如图1所示是丙类功率放大器原理图。
图中LC谐振回路为集电极的负载，Ec为集电极直流电源，Eb为基极负偏置电源。
Ub是高频输入信号，Ub=Ubmcosωt。
可见，只有输入信号电压足够大时，即Ub>Eb+Eb1（Eb1为晶体管截止偏压）时晶体管才导通。
显然电流的通脚<π/2，集电极电流Ic呈脉冲形状，这个电流经集电极谐振回路选出Ic的基波分量Ic1，再经过变压器耦合，在RL上得到一个放大的基波功率。
从而实现了丙类功率放大。
高频功率放大器是由输入回路，晶体管负载和电源几部分组成。
1．高频丙类功率放大器的输出功率和效率。
为了便于计算脉冲电流Ic,将晶体管的动态转移特性曲线ic-Ubc用折线gm表示。
如图2所示，由图2所知：
ic=gm（Ubθ—E＇b）
=gm（UbmCosωt+Eb＇—bE＇b）
gm为跨导。
当ωt=θ时，ic=0。
E＇b+--Eb
Ubm
cosθ=
当ωt=0时，ic=icmax=gm（Ubm+Eb＇—bE＇b）
E＇b+--Eb
Ubm
=gmUbm（1-）
=gmUbm（1-cosθ）
由
（1）
（2）（3）式得出：
ic=icmax
因为丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲，是以ω为角频率的周期性函数。
故可用付里叶级数求系数方法来表示它的直流、基波分量，各次谐波分量的数值。
由付氏级数的系数求得：
sinθ-θcosθ
π（1-cosθ）
1
2π
+x
Ico=icdωt=icmax
-x
θ-sinθcosθ
π（1-cosθ）
1
π
+x
ICim=iccosωtdωt=icmax
-x
2（sinθcosθ-ncosnθ）
π[n（n2-1）（1-cosθ）
1
π
+x
Ic2m=iccosnωtdωt=icmax
-x
式中可写成：
Ico=icmaxα0（θ）
ICim=icmaxα1（θ）α0（θ）、α1（θ）、αn（θ）为余弦脉冲电
Icnm=icmaxαn（θ）流ie的分解系数。
因此ic分解为付氏级数为：
ic=Ico+ICimcos2wt+Ic2mcos2wt+…Icnmcos2wt
在功率放大器中，主要研究它的输出功率和效率。
为什么要工作丙类状态，从三极管输出功率来看。
1
2π
+θ
Po=icEcdt
-θ
直流电源供给功率：
1
2π
1
2π
1
2π
-πQQ
Pdc=Ecicdut=Ecicdut=icdut=EcIco
+πQQ
三级管输出功率
1
2π
U2cim
Re
1
2π
Pout=I2CimRe=
Re为折合到集电极谐振回路初级的阻抗。
集电极效率：
Ucim·Icio
Ec·Ico
1
2
Pout
Pdc
ηt==
1
2
Icim
Ico
1
2
=§=§g1（θ）
可以看出减少管耗Pc,或者提高ζ和g1（θ）都可以提高放大器的效率。
这是因为：
1。
要减少集电极损耗功率Pc，则要求减少Uce。
当管内有较大电流ic时，Uce应尽量减少，最好在ic整个流通时间内Uce均很小，或者当Uce较大时，要尽量减少集电极电流ic。
2．要提高集电极效率，则要求提高集电极电流电压利用系数ζ。
Uc1m增大，ζ可增大，因为Uc1m增大使Uce减小。
（Uce=Ec-Uc1mcosωt），所以，当ic较大时，Uce的减少使得管子集电极损耗Pc减少，从而提高效率。
3．要提高效率，也可增大g1（θ）。
θ的减少，可使g1（θ）增大，于是提高效率。
θ减少，意味着减少ic与Uce均不为零的时间，从而可用甲，乙，丙3种工作状态的集电极电压，电流波形来说明，如图3所示。
图3甲、乙、丙类三种工作状态
甲类在一个周期中都有ic流通，因而Uce正半周，也有ic，所以管耗大，效率低。
乙类ic只有半个周期流通，而且，当放大器的负载为电阻时，ic流通半周正好与Uce负半周相对应，此时，Uce小，因而效率比甲类高。
丙类工作时波形，ic流通时间小于半个周期，当集电极谐振回路对激励信号谐振时，ic仅在Uce负半周瞬时值较大时流过，此时Uce较小，所以丙类比乙类效率高。
当θ<π/2，是否可能接近于零，得到最高效率呢？
当θ→0时，使得输出功率也显著下降，为了兼顾输出功率和不使激励功率过大，因而θ不能太小，从而限制效率提高。
一般情况下θ=π/3-7π/18时，相应的集电极效率较大，
η在80%-90%之间。
2．丙类功率放大器的负载特性
丙类功率放大器的负载特性是指在Ec,Eb,Ubm不变的条件下，各种电流输出电压，功率和效率等随Re变化的曲线。
因为高频功率放大器的工作状态取决于Rc,Ubm,Eb和Ec四个参数。
如果保持Ubm,Eb和Ec不变，则工作状态仅取决于Rc。
（1）负载变化对工作状态的影响
如果保持Ubm,Eb和Ec不变则Re变化影响工作状态的变化如图3
从图3看出：
1.动特性表示Re较小时，这时Uc1m也较小，动态负载线A1在线性放大区，这种状态称为欠压状态。
在欠压状态，ic呈余弦脉冲。
2.动特性随Rc增加，动态负载线A2在临界线上，称这种状态为临界状态，此时ic还是呈余铉脉冲。
3.动特性随Rc继续增大，A3也进入饱和区，此时ic呈凹脉冲，这种状态称过压状态，在过压状态，随Rc增大，ic的幅度也迅速下降，但它的基波输出电压振幅基本不变，即Uc1m≈Ec。
（2）负载Re变化对Ico,Icm，Uc1m,Pout,Po和η的影响。
当维持Ubm,Eb和Ec不变时，放大器Ico,Icm，Uc1m,Pout,Po，Pc和η随负载阻抗Re变化。
因为，Uc1m=Ic1m*Re。
如图5：
在欠压区：
Ic1m与Ico基本不变，仅随Re增加略有下降，Uc1m也随Re增加而直线增加，Pc管耗下降。
把放大器看成恒流源。
在过压区：
Uc1m几乎不变，Ico和Ic1m则随Re的增大也急剧下降。
把放大器看成恒流源。
从图4看出：
集电极电源输入功率Po=Eo*Ico。
由于Ec不变，因而Po与Re关系曲线和Ico曲线的形状相同。
放大器输入功率Pout=1/2Ic1m*Uc1m，Pout与Re关系是根据Uc1m、Ic1m两条曲线相乘求出来。
在临界状态时，Pout达到最大值，放大器效率也较高。
这就是希望放大器工作在临界工作状态的原因。
集电极损耗功率Pc=Po–Pout，故Pc曲线由Po与Pout曲线相减得出。
在欠压区，当Re减小，Pc上升很快；当Re=0时，Pc达到最大值，可能使晶体管烧坏。
（这种情况是短路）放大器的效率η=Pout/Po.在欠压状态时，Po变化小，所以η随Pout增加而增加，到临界状态后，Pout下降没有Po快，在过压状态时，Pout主要是随Ic1m急剧下降而下降，因而η也略有下降，故在靠近临界的弱过压状态η出现最大值。
3．放大器各级电压对工作状态的影响
（1）Ubm对工作状态的影响
在讨论激励电压幅度Ubm的变化对放大器工作状态影响，设Ec,Eb,Re不变。
当Ubm较小时，Ubemax=Eb+Ubm也较小，从ic-Ubc动态特性看出：
放大器工作在
欠压状态，集电极电流为尖顶余弦脉冲。
当Ubm增大时，Icmax,Ic1m也增大，，而引起Uce=Ec-Ic1m*Rc的减少。
从而使放大器由欠压状态过渡到过压状态。
如图6所示：
（a）为ic-Ubc此称平面上ic的动特性。
（b）为集电极电流脉冲波形。
（c）Ic1m,Ico,Icm-Ubm的关系。
从图6可看出：
在欠压状态时，随着Ubm的增加，将引起icmax增加，于是Ic1m,Ico和Uc1m与Ubm几乎成正比增加。
在过压状态时，随着Ubm的继续增加，虽然电流脉冲高度继续增大，但其凹度增大。
所以Ic1m,Ico在过压区增加不大。
在欠压区，Uc1m与Ubm成线性关系。
（2）Eb变化对工作状态影响
设Ec,Ubm,Re不变。
由于Ubemax=Eb+Ubm。
所以Eb变化与Ubm变化一样，都要引用Ubemax的变化。
当Ec，Ubm,Re不变时，|Eb|减小相当于Ubm的增大。
这样，当Eb反向偏置向正向
偏置变化时，icmax增大，放大器从欠压状态转入过压状态。
因此，Eb变化对集电极
电流脉冲波以及Ico,Ic1m和Uc1m的影响与Ubm变化引起的影响类似。
如图7，在欠压状态改变Eb,可控制高频输出电压，这就是基极偏压调幅的原理。
Eb1（3）集电极电源Ec对放大器的影响
设Eb,Ubm,Re不变。
当Eb,Ubm不变时，Ubemax=Eb+Ubm也不变，若Re不变，则ic-Uce坐标平面上的ic的动特性的斜率也不变。
假设放大器原来工作在临界状态，则当Ec增大，ic动特性向右平行移动，放大器将工作与欠压状态。
反之，Ec减小，ic动特性向左平行移动，放大器工作于过压状态。
如图8所示。
当Ec>Ec2时，放大器工作在欠压状态。
由于Ubemax不变，所以Ec减小而使得Ucem减小时，icmax略有下降，θ变化也很小，故Ic1m,Ico随Ec减小而略有下降。
这
样，欠压状态，Ec对Ic1m不能有效控制。
当Ec集电极电流脉冲的凹度就越深，这样，Ic1m,Ico
随Ec降低而明显减小，并且Ec=0时，Ic1m,Ico均为0。
由于过压状态改变Ec能明显改变Ic1m的大小，从而也能改变高频输出电压Uc1m，这就是集电极调幅的原理。
通过上述分析，得出下列结论：
第一.在欠压区，输出功率随Re增大而增大，集电极损耗功率随Re减小而增大，（Pc=Po-Pout）,当Re较小时，有可能使Pc上升超过晶体管的最大管耗Pcmax而损坏
晶体管，因此，在调试放大器功率电路时，为了防止集电极谐振回路失谐而损坏晶体管，
常采用降低电流电压Ec值的办法便于放大器工作在过压状态下进行调试。
第二．在过压区，Ico随Re的减少而迅速增加，这对集电极谐振回路的调谐提供了一个标准。
在调谐时，适当降低Ec的值，使放大器工作在过压状态。
调节谐振回路，当Ico为最小时，说明电路谐振于工作频率。
四．实验电子线路
如图8所示，输入信号频率为4MHZ，电源电压为Ec=15V,输入信号由高频信号发生器产生，经过BG1,BG2三极管放大推动未级功放管BG3。
BG1集电极输出信号经L1、C7、C8组成的T型匹配电路接BG3基极。
输出是由L和C10组成的谐振回路，谐振于4MHZ频率。
当开关K1拨在“天线”时,其负载就是天线。
当开关K1拨到R时，表示以电阻作为输出负载。
本实验要求在75Ω负载电阻上，使信号Ub=0.6V，输出功率最大值。
丙类功率放大器电路图
五．实验内容及步骤
（一）仔细阅读本实验线路图；
（二）熟悉需测试点的位置，高频信号发生器输出Ubm信号的幅度选在0.6V左右；
（三）丙类攻放工作状态的调整
1．将开关K1拨到“R”时，K2拨到“4”，75Ω电阻作为输出负载，电源Ec
15V减少到10V，适当的减小输入信号幅度，先分别谐振输出和输入耦合电路，使放大器满足谐振和匹配，可用观察Ico为最小或RL上的输出信号幅度为最大的办法进行谐调。
2．若电路已调到谐振，则可将Ec加大至15V，并增加输入信号幅度或Ub=0.6V,使得输出功率最大。
PL=U2/RL。
（四）研究直流电源电压Ec对PL的影响。
保持Ec1=12V，输入Ubm=0.6V幅度不变。
将Ec由3V逐渐增加至15V,测出相应的VL值。
填入下表。
并作出PL-Ec曲线分析图与Ec-Ico曲线分析图。
Ec（V）
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
VL（V）
Ico（mA）
PL（Mw）
（五）研究输入信号幅度Ubm对PL和集电极效率η的影响。
保持Rc=75Ω、Ec=15V不变，改变Ubm值，测出相应的VL和Ico值；根据测出的结果作出Ubm-PL和Ubm-η曲线图，并进行定性分析。
Ubm（V）
0．5
0．55
0．6
0．65
0．7
0．8
0．9
1．0
VL（V）
Ico（mA）
PL（mW）
η（%）
（六）研究RL对PL的影响
保持Ubm不变=0.6V。
将开关K2从“1”-“8”顺次转动；此时RＬ值从小到大，测出相应的UL值,填入下表并画RL-PL曲线图。
RL（Ω）
VL（V）
PL（mW）
﹡（七）观察高频辐射现象
将开关K1拨至天线，用75Ω天线代替，75Ω负载电阻，观察天线靠近和远离示波器输入端。
增大或减小输出功率（改变Ubm和Ec时高频辐射现象）。
六．实验预习报告要求：
（一）复习高频丙类功率放大器的工作原理。
（二）认真阅读本实验指导内容
（三）回答下列问题：
1．判断本实验电路是属于窄带还是宽带高频功率放大器，判断的依据是什么。
2．本实验电路应工作于（甲，乙，丙，丁）类工作状态。
3．高频功率放大器的工作状态取决于，，，四个参数。
4．输入电压为正弦波时，输入电流为波，输出电流为波，输出电压为波。
5．丙类功放有，，三种工作状态，其中状态称为恒压区，状态称为恒流区。
6．调谐时，LC的谐振频率应调到为MHz。
7．谐时即RL变化，其它条件不变时，三极管管耗在（欠、过压）状态下较大，为保护三极管的安全工作，一般采用（减小，增加）,Ec的方法使放大器工作于（欠，过压）状态。
调谐时，负载两端电压UL为（最大，最小）时，或直流电流Ic（最大，最小）时，谐振完毕。
恢复电源电压正常工作值。
8．在其它条件不变时，Ec逐渐增加，放大器的工作状态将由状态状态变化。
（过压，欠压，临界）。
在过压状态时，负载两端的电压UL将随Ec的增加而（增加，减小，基本不变）。
在欠压后，负载时，UL将随Ec的增加而（增大，减小，基本不变）。
Ico随Ec的增加而（增大，减小，基本不变）。
9．其他条件不变，Ubm增大时，放大器的工作状态由状态到状态（过压，欠压，临界）。
在过压里，负载两端的电压UL随Umin的增加而（增加，减小，基本不变）。
Ico的值随Umin的增加而（增加，减小，基本不变）。
在欠压状态下，UL随Umin的增加而（增加，减小，基本不变）。
Ico的值随Umin的增加而（增加，减小，基本不变）。
10．其它条件不变时，RL变化，放大器的工作状态由到状态（过压，欠压，临界）。
七．实验报告要求：
1．分别列出所测数据（表格形式）。
并用坐标纸画出所对应的曲线。
2．对所得出的曲线的特性进行分析，，即变化参数对工作状态的影响。
3．对实验中所遇到的问题进行分析，总结。
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