教学设备

高频谐振功率放大器实验

 
一、      实验目的
进一步掌握高频谐振功率放大器的工作原理。
掌握谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。
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。
 
二、实验使用仪器
1．小信号调谐放大器实验板
2．20MH双踪示波器
3. 万用表
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。
 
图中u_b为输入交流信号，E_B是基极偏置电压，调整E_B，改变放大器的导通角，以改变放大器工作的类型。E_C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，g_m为特征斜率。
设输入电压为一余弦电压，即
                            u_b=U_bmcosωt
则管子基极、发射极间电压u_BE为
u_BE=E_B+u_b=E_B+U_bmcosωt
在丙类工作时，E_B<，在这种偏置条件下，集电极电流i_C为余弦脉冲，其最大值为i_Cmax，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

i_C=I_C0+i_c1+i_c2+=I_C0+I_c1mcosωt+I_c2mcos2ωt+…
式中，I_C0为直流电流，I_c1m、I_c2m分别为基波、二次谐波电流幅度。

 
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，如果选取谐振角频率ω₀等于输入信号u_b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
u_c=U_cmcosωt=I_c1mR_ecosωt
式中，U_cm为u_c的振幅；R_e为LC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E_C供给的直流输入功率为


集电极效率η_C为输出高频功率P_o与直流输入功率P_E之比，即

 
     静态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。如图9-3所示。当C点落在输出特性(对应u_BEmax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E_C、E_B、U_bm、U_cm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。
 
负载特性是指当保持E_C、E_B、U_bm不变而改变R_e时，谐振功率放大器的电流I_C0、I_c1m，电压U_cm，输出功率P_o，集电极损耗功率P_C，电源功率P_E及集电极效率η_C随之变化的曲线。从上面动特性曲线随R_e变化的分析可以看出，R_e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。
集电极调制特性是指当保持E_B、U_bm、R_e不变而改变E_C时，功率放大器电流I_C0、I_c1m，电压U_cm以及功率、效率随之变化的曲线。当E_C由小增大时，u_CEmin=E_C-U_cm也将由小增大，因而由u_CEmin、u_BEmax决定的瞬时工作点将沿u_BEmax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，i_C波形由i_Cmax较小的凹陷脉冲变为i_Cmax较大的尖顶脉冲，如图9-5所示。由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度U_cm与E_C成正比。利用这一特点，可以通过控制E_C的变化，实现电压、电流、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。  


基极调制特性是指当E_C、U_bm、R_e保持不变而改变E_B时，功放电流I_C0、I_c1m，电压U_cm以及功率、效率的变化曲线。当E_B增大时，会引起θ、i_Cmax增大，从而引起I_C0、I_c1m、U_cm增大。由于E_C不变，u_CEmin=E_C-U_cm则会减小，这样势必导致工作状态会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，i_C波形如图9-6所示。利用这一特点，可通过控制E_B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。


放大特性是指当保持E_C、E_B、R_e不变，而改变U_bm时，功率放大器电流I_C0、I_c1m，电压U_cm以及功率、效率的变化曲线。U_bm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性相似。i_C波形及I_C0、I_c1m、U_cm、P_o、P_E、ηC随U_bm的变化曲线如图9-7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。
 
2.实验电路
高频谐振功率放大器实验电路如图9-8。

 
图9-8 高频谐振功率放大器实验电路
 
四、实验内容
  1．高频谐振功率放大器实验电路的调整。
2．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。
3．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。
（一）  实验电路的调试
 
五、实验步骤
1．高频谐振功率放大器实验电路的调整
⑴ 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。 实验箱上高频信号源10.7MHz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200mV左右。
⑵ 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。
2．高频谐振功率放大器的负载特性测试
    调整RW3，保持电源电压为最大值（测量TP5点），激励电压U_bm一定，改变负载R_L，观察对电压波形、电流波形的影响，测量输出电压Uo、TP3发射极平均电流I_C0（注意，电流信号对外部干扰比较敏感，本次实验测电流值时请将探头及示波器设成X10档），因基极电流极小，故I_C0≈Ie₀
 
表9-1谐振功率放大器的负载特性测试                    U_bm=    V        Ec=    V

RL （Ω） 断开J2测
Uo  （V）
IC0  （mA）

 
 
3．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U_bm，负载R_L 不变，调整RW4改变Ec，测量TP3点，观察对电压波形、电流波形的影响、测量输出电压Uo、由TP3发射极平均电流I_C0＝V（TP3）/R7。                                                                                                      
 
表9-2谐振功率放大器的负载特性测试                    U_bm=    V        R_L=   Ω

Ec （V）
Uo  （V）
IC0    （mA）

 
六、实验报告要求
1．由实验数据分析负载R_L、电压Ec对高频谐振放大器工作状态的影响 。
2． 绘出U_Cm ~ R_L， I_C0 ~ R_L 曲线。
3．绘出U_Cm ~ Ec，  I_C0~ Ec 曲线。
4.总结由本实验所获得的体会。