实验三高频谐振功率放大器

利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ< 90º，效率η可达到80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

三、实验内容

参照正弦波振荡、变容二极管调频、功放和调频发射模块(断开JA1)组成高频谐振功率放大器

1．调节WA1，使QA1的静态工作点为I_CQ=7mA(V_E=2.2V)。

2．连接JA1，JA2，JA3，从TA101处输入10.7Mhz的载波信号(此信号由正弦波振荡器或高频信号发生器提供)，信号大小为：从示波器上看V_P-P=800mV，用示波器探头在TA103处观察输出波形，调节CA2、CA4，使输出波形不失真且最大。

3．从TA101处输入10.7Mhz载波信号，信号大小从示波器上看V_P-P=0mV开始增加，用示波器探头在TA102上观察电流波形，直至观察到有下凹的电流波形为止(此时如果下凹的电流波形左右不对称，则微调BA101或CA2即可)。如果再继续增加输入信号的大小，则可以观测到下凹的电流波形的下凹深度增加

4．测量负载特性

1) 测试条件：fo=10.7MHz，U_bm=1V左右。Vcc=12V。

2) 改变R_L的阻值，测出相应的I_co和U_RL 值填于表中，并计算P_L 、 P_D、η。在测试过程中要注意波形不失真。

其中: R_L :负载电阻

I_CO:集电极电流

U_RL:负载电阻上的电压（毫伏表不准也可以用示波器测量后进行换算）

P_D:直流功率(PD=U_ccI_co)

P_O(P_C):输出功率()

η：效率

5 改变激励电压的幅度，观察对放大器工作状态的影响。

使R_L =50Ω(连JA3、JA4、JA5)，用示波器观察QA2发射极上的电流波形，改变输入信号大小，观察放大器三种状态的电流波形。

四．实验步骤和数据

1．记录实验步骤和数据；

步骤

①调节WA1，使QA1的静态工作点为I_CQ=7mA(V_E=2.2V)。

②连接JA1，JA2，JA3，从TA101处输入10.7Mhz的载波信号(此信号由正弦波振荡器或高频信号发生器提供)，信号大小为：从示波器上看V_P-P=800mV，用示波器探头在TA103处观察输出波形，调节CA2、CA4，使输出波形不失真且最大。

数据

工作点

甲类

Vb=2.2V Vc=11.5V Ve=1.3V

丙类

Vb=0V Vc=12V Ve=0V

丙类

0.6V

基准线0V 0.5V

-0.8V 基准线0V

输入输出

Ul=2.6/2√2 V Rl=75Ω ucc=12V Ic0=18mA

2．计算放大器的输出功率和效率；

P_O(P_C):输出功率=0.023W

η：效率 =0.048=4.8%

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

①电源电压对工作状态的影响:当Vcc↓时,放大器工作状态由欠压状态→临界状态→过压状态过渡。高频功率放大器工作在过压状态时，基波电压振幅UC与集电极电源电压Vcc成线性变化。增加Vcc可以提高集电极电压利用系数，提升集电极电压输出功率。

②当增大输入激励电压Vbb时，放大器工作状态由欠压状态→临界状态→过压状态过渡。高频功率放大器工作在欠压状态时，基波电压振幅UC与基极偏置电压Ubb成线性变化。

③随着R从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态过渡。过压区与欠压区，集电极输出功率都比较小，要使高频功率放大器给出足够大的功率，只有工作在临界状态才能保持最好的能量关系。

结合数据和图形可以看出：RL↓→UC↓，Ve基本保持不变。基波电压UC为余弦波，当RL下降到一定值时，输出端波形开始产生失真。当RL在过压区时，UC变化减小，随着RL的增大仍有所增加。

三.实验波形

实际过压状态时TT1处的波形实际欠压状态时TT1处的波形

第一级输出曲线

第二级输出放大器曲线

分析:高频功率放大器工作在丙类过压状态时会产生凹形脉冲

第二级滤波后的输出曲线

分析:高频功率放大器的输出波形经过谐振器的滤波作用后从凹形脉冲变为正余弦曲线,所以完整的恢复了原始信号

五.思考题:

1画出放大器三种工作状态的电流波形:

2说明输入激励电压，负载电阻对工作状态的影响；

答：当Vbm较小的时候，放大器工作在欠压区,随着Vbm增大，放大器进入过压状态

3说明丙类放大器在输入信号不能完全通过的情况下，输出信号不失真的原理。

答:输出电流虽然是余弦脉冲，但是包含很多基频.在集电极采用并联谐振回路使其工作于基频,它对基频呈现很大的纯阻性.因此由于谐振回路的滤波作用,任然能得到正弦波形输出.

六.实验心得：

这次实验由于课时压缩的原因，导致时间很短而任务很大。因此对于提前预习来说是十分重要的。由于我上课的时候比较认真，所以对于书上的一些原理理解的还比较透彻，没有费很多时间。但是由于今年很少动过硬件仪器,所以开始有些不熟悉.后来在老师的指导下我很快就找到了这种感觉.于是我们在9点钟就第一个做出了结果,但是当时由于放大倍数不够理想,结果在调整的时候数据有没了.后来好不容易又找到了.这次实验中,我比较定性的分析和观察了谐振放大器,高频小信号放大器和高频功率放大器的性质/特点和工作方式.感觉还是挺有收获的.

第二篇：实验丙类高频谐振功率放大器

实验 丙类高频谐振功率放大器

利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，它是无线电发射机中的重要单元电路。根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管集电极电流导通角θ的范围可分为甲类、甲乙类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ越小，放大器的效率η越高。如甲类功放的θ=180⁰，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ<90⁰，其效率η可达85%。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器，丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

本次实验主要研究以甲类谐振功率放大器为推动级，以丙类谐振功率放大器为末级的混合功率放大器。

一、实验目的

1、熟悉丙类高频功率放大器的工作原理，初步了解工程估算的方法。

2、学习丙类高频谐振功率放大器的电路调谐及测试技术。

3、研究丙类高频谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。

4、理解基极偏置电压、集电极电源电压、激励电压对放大器工作状态的影响。

5、了解丙类高频谐振功率放大器的设计方法。

二、实验仪器

1、高频实验箱 1台

2、高频信号发生器 1台

3、双踪高频示波器 1台

4、扫频仪 1台

5、万用表 1块

6、高频功率放大器实验板 1块

三、预习要求

1、复习高频谐振功率的工作原理及四种特性。

2、分析实验电路，理解各元件的作用及各组成部分的工作原理。

四、实验内容

1、电路调谐及调整(调谐技术)。

2、静态测试(测试静态工作点)。

3、动态测试(研究负载特性)。

五、实验原理

实验电路如图2-1所示，它是由两级小信号谐振放大器组成的推动级和末级丙类谐振功率放大器构成，其中VT1和VT2组成甲类功率放大器，晶体管VT3组成丙类谐振功率放大器，这两类功率放大器的应用十分广泛，下面简要介绍它们的工作原理及基本计算方法。

(一)、甲类功率放大器

1、静态工作点

如图2-1所示，晶体管VT1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中R1和R2为基极偏置电阻；R5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点。R4为交直流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列关系式确定：

(2-1)

(2-2)

(2-3)

(2-4)

2、动态特性

所谓动态特性，指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对象。如图2-1所示，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定。以第一级甲类功放为例，它与第二级甲类功放通过变压器进行耦合，因此其交流输出功率可表示为：

(2-5)

式中，为输出负载上的实际功率，为变压器的传输效率，一般为。

图2-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻称为最佳匹配负载。集电极的输出功率

的表达式为

(2-6)

式中，为集电极输出的交流电压振幅，为交流电流的振幅，它们的表达式分别为

(2-7)

式中，称为饱和压降，一般为1V左右。

(2-8)

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，由式(2-5)、(2-6)可得

(2-9)

式中，为变压器次级接入的负载电阻，及第二级甲类功放的输入阻抗。

3、功率增益

与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图2-1所示电路，甲类功放不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大，功率增益的表达式为

(2-10)

式中，为功放的输入功率，它与功放的输入电压振幅及输入电阻的关系为

(2-11)

式中，可表示为

(2-12)

式中，为晶体管共射极组态的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基区体电阻。为晶体管共射极组态的电流放大系数，在高频情况下它是复数，可近似取值为晶体管直流电流放大系数。

(二)丙类功率放大器

1、工作原理

如图2-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在发射极直流负反馈电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏置电路。当放大器的输入信号为正弦波时，集电极电流为余弦脉冲波。利用谐振回路L5C5的选频作用可输出基波谐振电压、电流。图2-3画出了丙类谐振功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

2、功率与效率

丙类谐振功率放大器是依靠激励信号对功放管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成负载回路的交流功率的作用。在直流功率相同的条件下，转换的效率越高，输出的交流功率越大。

(1)直流电源提供的直流功率

(2-13)

式中，为集电极电流的直流分量。电流经傅立叶级数分解，可得峰值与分解系数的关系式

(2-14)

故有

(2-15)

分解系数与的关系如图2-4所示。

图2-5所示为功放管特性曲线折线化后的输入电压与集电极脉冲电流的波形关系，由图可得

(2-16)

式中，为晶体管导通电压(硅管约为0.6V，锗管约为0.2V)；

为激励电压(输入电压)的振幅。

为基极直流偏置电压，一般取0~0.2V。在自给偏置电路中，其值可由下式确定

(2-17)

式中，为功放管发射极直流负反馈电阻，在图2-1所示电路中，。

当大于晶体管的导通电压时，晶体管导通并工作于线性放大状态，集电极脉冲电流与基极脉冲电流成线性关系，满足关系式

(2-18)

(2)集电极输出的基波功率

(2-19)

式中，为集电极基波电压的振幅，为集电极基波电流的振幅；为集电极负载电阻，最佳匹配状态下有，三者间的关系为

(2-20)

式中，，即集电极基波电流振幅等于集电极电流振幅与基波电流分解系数之积。

(3)功率增益

(2-21)

式中，为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅、基波输入电压振幅及输入电阻的关系为

(2-22)

实验电流中，可表示为。

由公式(2-19)和(2-22)可得

(2-23)

(4)放大器的效率

(2-24)

式中，称为电压利用系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则，通常取。

3、偏置电路及耦合回路

(1)偏置电路

丙类谐振功率放大器常用的三种偏置电路如图2-7所示。图2-7(a)是利用基极电流在基区体电阻上的降压作为偏置电压。其电路简单，但偏压小，且易随晶体管而变，不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振功放。图(b)是利用基极电流的直流分量在上的降压得到偏置电压，为高频旁路电容。其优点是偏置电压随输入信号的大小自动调节。图(c)是利用发射极电流的直流分量在上建立偏压，为高频旁路电容。为了避免上产生交流负反馈，需设置时间常数。它可以自动维持放大器稳定工作，当激励信号加大时，负偏压加大，似的相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用，可以是放大器工作状态变化不大。缺点是由于上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压利用率。因此不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。