实验三 高频丙类谐振功率放大器实验

实验三   高频丙类谐振功率放大器实验

一、           实验目的

1.      进一步掌握高频丙类谐振功率放大器的工作原理。

2.      掌握丙类谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。

3.      掌握激励电压、集电极电源电压及负载变化对放大器工作状态的影响。

4. 掌握测量丙类功放输出功率，效率的方法。

二、实验使用仪器

1. 丙类谐振功率放大器实验板

2. 200MH泰克双踪示波器

3. FLUKE万用表

  4. 高频信号源

  5. 扫频仪（安泰信）

三、实验基本原理与电路

1.高频谐振功率放大器原理电路

高频谐振功率放大器是一种能量转换器件，它可以将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频谐振功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，其作用是放大信号，使之达到足够的功率输出，以满足天线发射和其它负载的要求。

高频谐振功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率的输出。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最高为50％，而丙类功放的θ＜90°，效率η可达到80％。谐振功率放大器采用丙类功率放大器，采用选频网络作为负载回路的丙类功率放大器称为高频谐振功率放大器。高频谐振功率放大器原理电路如图3-1。

图中ub为输入交流信号，EB是基极偏置电压，调整EB，改变放大器的导通角，以改变放大器工作的类型。EC是集电极电源电压。集电极外接LC并联振荡回路的功用是作放大器负载。放大器工作时，晶体管的电流、电压波形及其对应关系如图9-2所示。晶体管转移特性如图2.2中虚线所示。由于输入信号较大，

可用折线近似转移特性，如图中实线所示。 图中为管子导通电压，gm

为特征斜率。


图3-1 高频谐振功率放大器的工作原理

设输入电压为一余弦电压，即

                            ub=Ubmcosωt

则管子基极、发射极间电压uBE为

uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt

在丙类工作时，EB<，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作时，θ<π/2 。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波

iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…

式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐波电流幅度。


图3-2高频谐振功率放大器电压和电流关系

谐振功率放大器的集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，如果选取谐振回路的谐振角频率ω0等于输入信号ub的角频率ω，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即

uc=Ucmcosωt=Ic1mRecosωt

式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC谐振回路的谐振电阻。在集电极电路中，LC振荡回路得到的高频功率为

集电极电源EC供给的直流输入功率为

集电极效率ηC为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即

        静态工作点、输入激励信号幅度、负载电阻，集电极电源电压发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。如图3-3所示，当C点落在输出特性(对应uBEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率放大器的工作状态必须由集电极电源电压EC、基极的直流偏置电压EB、输入激励信号的幅度Ubm、负载电阻Re四个参量决定，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。


图3-3 高频丙类谐振功率放大器的工作状态

负载特性是指当保持集电极电源电压EC、基极的直流偏置电压EB、输入激励信号的幅度Ubm不变而改变负载电阻Re时，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源消耗的总功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲线。从上面动态特性曲线随Re变化的分析可以看出，Re由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲，如图3-4(a)所示。

 

图3-4高频丙类谐振功率放大器的负载特性

集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改变集电极电源电压EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率随之变化的曲线。当EC由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图3-5所示。由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度Ucm与EC成正比。利用这一特点，可以通过控制EC的变化，实现集电极输出电压、集电极输出电流、集电极输出功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调制特性曲线。

 

图3-5高频谐振功率放大器的集电极调制特性

基极调制特性是指当EC、Ubm、Re保持不变而改变基极的直流偏置电压EB时，功放电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率的变化曲线。当EB增大时，会引起θ、iCmax增大，从而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不变，uCEmin=EC-Ucm则会减小，这样势必导致工作状态由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深，iC波形如图3-6所示。利用这一特点，可通过控制EB实现对电流、电压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以称这组特性曲线为基极调制特性曲线。

图3-6高频谐振功率放大器的基极调制特性

放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变输入激励信号的幅度Ubm时，功率放大器电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率的变化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、ηC随Ubm的变化曲线如图3-7所示。由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。


图3-7高频谐振功率放大器的放大特性

2.实验电路

高频谐振功率放大器实验电路如图3-8。

图3-8 高频谐振功率放大器实验电路

    电容C1是输入隔直电容，第一级电路是小信号谐振放大器，对输入信号进行放大，由于丙类功放属于大信号放大，若输入信号幅度过小，丙类功放不能够导通，因此需要先对输入信号进行前置放大。第二级电路是丙类谐振功率放大器，

电阻R7提供自己偏置，静态时，基极直流电压为0V。当输入信号使晶体管导通后，晶体管的射极有一个直流偏置电压，所以此时的Vbe<0，晶体管工作在丙类状态。集电极调谐回路由固定电容，可变电容和中周组成，调整可变电容值或者中周的铁芯位置可改变谐振回路的谐振频率，调整滑动变阻器RW2可以改变

负载电阻值，从而观察功放的负载调制特性。

    集电极供电电源部分由三端可调DC变换器LM317提供，改变滑动变阻器的阻值，可改变集电极的供电电源电压，从而观察功放的集电极调制特性。

四、实验内容

  1．丙类谐振功率放大器实验电路的调整。

2. 丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试---激励电压变化对放大器工作状态的影响测试。

3．谐振功率放大器的负载特性测试---负载变化对放大器工作状态的影响测试。

4．集电极电源电压变化对谐振功率放大器工作状态的影响（集电极调制特性）的测试。

五、实验步骤

1．高频谐振功率放大器实验电路的调整

（1）在实验箱主板上插上高频谐振功率放大器实验电路模块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。 可以用实验箱上的高频信号源提供10.7MHz的输入信号（来自LC、晶体振荡电路模块，要求电路规定的谐振频率符合输入信号频率）由IN1端接入高频谐振功率放大器实验电路，幅度在1V左右。

也可以通过实验室的高频信号源提供。

（2）调整电位器RW1和微调CV1、CV2、B1、B2, 在OUT端用示波器，观测到放大后的不失真的输入信号。当输出信号幅度最大，失真最小时，认为功放已经调谐了。

2. 丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试

   逐步增加基极输入激励信号的幅度，保持电源电压Ec=12V（测量TP5点），负载RL不变，观察射极电压波形（和集电极电流波形相同），看是否出现凹陷，当出现凹陷时，可以认为进入了过压工作状态。当激励信号的幅度逐渐增加时，观察对集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量集电极输出电压Uo、由TP1处测量直流电压Ve，发射极平均电流IC0=Ve/R7，根据前面的关系式，计算电源消耗的总功率，效率，输出功率。

    分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。

   

3．高频谐振功率放大器的负载特性测试

  调整RW4，保持电源电压Ec=12V（测量TP5点），激励电压Ubm一定，改变负载RL，集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量集电极输出电压Uo、由TP1处测量直流电压Ve，发射极平均电流IC0=Ve/R7，观察TP1处的直流电压，找到欠压，零界和过压三种工作状态，分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。

4．集电极电源电压变化对放大器工作状态的影响（集电极调制特性）的测试

保持激励电压Ubm，负载RL 不变，调整RW4，改变Ec（测量TP3点），集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量输出电压Uo、由TP1处测量直流电压Ve，发射极平均电流IC0=Ve/R7。                                                                                                     

观察TP1处的直流电压，找到欠压，零界和过压三种工作状态，分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。

六、实验报告要求

1．由实验数据分析激励信号幅度Ubm，负载RL、集电极电源电压Ec对高频谐振放大器工作状态的影响 。

2.   绘出UCm ~ RL， IC0 ~ Ubm曲线。

3． 绘出UCm ~ RL， IC0 ~ RL 曲线。

4． 绘出UCm ~ Ec， IC0~ Ec曲线。

5.  总结由本实验所获得的体会。

 

第二篇：实验三 高频谐振功率放大器

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ICQ=7mA(VE=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VP-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VP-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，Ubm=1V左右。Vcc=12V。

2)  改变RL的阻值，测出相应的Ico和URL 值填于表中，并计算PL 、 PD、η。在测试过程中要注意波形不失真。

其中:     RL :负载电阻

ICO:集电极电流

URL: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）

      PD:直流功率(PD=UccIco)

      PO(PC):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RL =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ICQ=7mA(VE=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VP-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；

PO(PC):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.

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