高频电子线路课程实验四高频功率放大器

太原理工大学现代科技学院高频电子线路课程实验报告专业班级测控13-2学号姓名指导教师温涛太原理工大学现代科技学院实验报告实验四高频功率放大器一实验目的1．了解和掌握丙类高频谐振功率放大器的构成及工作原理。2．了解丙类谐振功率放大器的三种工作状态及负载特性、调制特性、放大特性和调谐特性。3.掌握丙类谐振功率放大器的输出功率oP、直流功率DP、集电极效率C4.掌握用频谱仪观测信号频谱、频率及调制度的方法。二实验原理高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，它也是一种以谐振电路作负载的放大器。它和小信号调谐放大器的主要区别在于：小信号调谐放大器的输入信号很小，在微伏到毫伏数量级，晶体管工作于线性区域。小信号放大器一般工作在甲类状态，效率较低。而功率放大器的输入信号要大得多，为几百毫伏到几伏，晶体管工作延伸到非线性区域——截止和饱和区，这种放大器的输出功率大，效率高，一般工作在丙类状态。一．高频功率放大器的原理电路高频功放的电原理图如图7-1所示（共发射极放大器）它主要是由晶体管、LC谐振回路、直流电源Ec和Eb等组成，Ub为前级供给的高频输出电压，也太原理工大学现代科技学院实验报告称激励电压。二．高频功率放大器的特点1.高频功率放大器通常工作在丙类（C类）状态。。甲类（A=180度，效率约50%；乙类（B=90度，效率可达78%；甲乙类（AB类）90180度，效率约50%78%；丙类（C90度工作到小于90度，丙类效率将继续提高。2.高频功率放大器通常采用谐振回路作集电极负载。由于工作在丙类时集电极电流ic是余弦脉冲，因此集电极电流负载不能采用纯电阻，而必须接一个LC振荡回路，从而在集电极得到一个完整的余弦（或正弦）电压波。我们知道，对周期性的余弦脉冲ic，可用傅立叶级数展开：式中，Ic1m、Ic2m、Ic3m为基波和各次谐波的振幅。ω为集电极余弦脉冲电流（也就是输入信号）的角频率。LC谐振回路被调谐于信号（角）频率，对基波电流ic呈现一个很大的纯阻，因而回路两端的基波压降很大。回路对直流成分和其它谐波失谐很大，相应的阻抗很小，因而相应的电压成分很小，因此直流和各次谐波在回路上的压降可以忽略不计。这样，尽管集电极电流ic为一个余弦脉冲，但集电极电压Uce却为一个完整的不失真的余弦波（基波成分）。显然，LC振荡回路起到了选频和滤波的作用：选出基波，滤除直流和各次谐波。LC振荡回路的另一个作用是阻抗匹配。也就是可以改变回路（电感）的接入参数，使功放管得到最佳的负载阻抗，从而输出最大的功率。三．丙类调谐功率放大器基本原理由于丙类调谐功率放大器采用的是反向偏置，在静态时，管子处于截止状态。只有当激励信号ub足够大，超过反偏压Eb及晶体管起始导通电压ui之和时，管子才导通。这样，管子只有在一周期的一小部分时间内导通。所以集电极电流是周期性的余弦脉冲，波形如图7-2所示。太原理工大学现代科技学院实验报告根据调谐功率放大器在工作时是否进入饱和区，可将放大器分为欠压、过压和临界三种工作状态。若在整个周期内，晶体管工作不进入饱和区，也即在任何时刻都工作在放大区，称放大器工作在欠压状态；若刚刚进入饱和区的边缘，称放大器工作在临界状态；若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，则称放大器工作在过压状态。放大器的这三种工作状态取决于电源电压Ec、偏置电压Eb、激励电压幅值Ubm以及集电极等效负载电阻Rc。（1）激励电压幅值Ubm变化对工作状态的影响当调谐功率放大器的电源电压Ec、偏置电压Eb和负载电阻Rc保持恒定时，激励振幅Ubm变化对放大器工作状态的影响如图7-3所示。太原理工大学现代科技学院实验报告由图可以看出，当Ubm增大时，icmax、Ucm也增大；当Ubm增大到一定程度，放大器的工作状态由欠压进入过压，电流波形出现凹陷，但此时Ucm还会增大（如Ucm3）。（2）负载电阻Rc变化对放大器工作状态的影响当EC、Eb、Ubm保持恒定时，改变集电极等效负载电阻Rc对放大器工作状态的影响，如图7-4所示。太原理工大学现代科技学院实验报告图7-4表示在三种不同负载电阻Rc时，做出的三条不同动态特性曲线QA1、QA2、QA3A3′。其中QA1对应于欠压状态，QA2对应于临界状态，QA3A3′对应于过压状态。QA1相对应的负载电阻Rc较小，Ucm也较小，集电极电流波形是余弦脉冲。随着Rc增加，动态负载线的斜率逐渐减小，Ucm逐渐增大，放大器工作状态由欠压到临界，此时电流波形仍为余弦脉冲，只是幅值比欠压时略小。当Rc继续增大，Ucm进一步增大，放大器进入过压状态，此时动态负载线QA3与饱和线相交，此后电流ic随Ucm沿饱和线下降到A3′，电流波形顶端下凹，呈马鞍形。（3）电源电压EC变化对放大器工作状态的影响在Eb、Ubm、RC保持恒定时，集电极电源电压EC变化对放大器工作状态的影响如图7-5所示由图可见，EC变化，Ucemin也随之变化，使得Ucemin和Uces的相对大小发生变化。当EC较大时，Ucemin具有较大数值，且远大于Uces,放大器工作在欠压状态。随着EC减小，Ucemin也减小，当Ucemin接近Uces时，放大器工作在临界状态。EC再减小，Ucemin小于Uces时，放大器工作在过压状态。图7-5中，ECEC2时，放大器工作在欠压状态；EC=EC2时，放大器工作在临界状态；ECEC2时，放大器工作在过压状态。即当EC由大变小时，放大器的工作状态由欠压进太原理工大学现代科技学院实验报告入过压，ic波形也由余弦脉冲波形变为中间凹陷的脉冲波。三实验电路高频功率放大器实验电路如图7-6所示。本实验单元由两级放大器组成，11BG02是前置放大级，工作在甲类线性状态，以适应较小的输入信号电平。高频信号由铆孔11P01输入，经11R10、11C09加到11BG02的基极。11TP01、11TP02为该级输入、输出测量点。由于该级负载是电阻，对输入信号没有滤波和调谐作用，因而既可作为调幅放大，也可作为调频放大。当11K05跳线去掉时，11BG01为丙类高频功率放大电路，其基极偏置电压为零，通过发射极上的电压构成反偏。因此，只有在载波的正半周且幅度足够大时才能使功率管导通。其集电极负载为LC选频谐振回路，谐振在载波频率上以选出基波，因此可获得较大的功率输出。本实验功放有两个选频回路，由11K03来选定。当11K03拨至左侧（1、2,4、5接通）时，所选谐振回路由11L02、11C01和11C1组成，其谐振频率为6.3MHZ左右，此时的功放可用于构成无线收发系统。当11K03拨至右侧时（2、3,5、6接通），谐振回路由11L04、11C15组成，其谐振回路谐振频率为2MHZ左右。此时可用于测量三种状态（欠压、临界、过压）下的电流脉冲波形，因频率较低时测量效果较好。11K04用于控制负载电阻的接通与否，11W02电位器用来改变负载电阻的大小。11W01用来调整功放集电极电源电压的大小（谐振回路频率为2MHZ左右时）。在功放构成系统时，11K02控制功放是由天线发射输出还是直接通过铆孔输出。当11K02往上拨时，功放输出通过天线发射，11TP00为天线接入端。11K02往下拨时，功放通过11P03输出。11P02为音频信号输入口，加入音频信号时可对功放进行基极调幅。11TP03为功放集电极测试点，11TP04为发射极测试点，可在该点测量电流脉冲波形。11TP06用于测量负载电阻大小。当输入信号为调幅波时，11BG01不能工作在丙类状态，因为当调幅波在波谷时幅度较小，11BG01可能不导通，导致输出波形严重失真。因此，输入信号为调幅波时，11K05跳线器必须插上，使11BG01工作在甲类状态。太原理工大学现代科技学院实验报告四、实验内容1、观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点；2、测试丙类功放的调谐特性；3、测试负载变化时三种状态（欠压、临界、过压）的余弦电流波形；4、观察激励电压、集电极电压变化时余弦电流脉冲的变化过程；5、观察功放基极调幅波形。五、实验步骤1、实验准备在实验箱主板上装上高频功率放大与射频发射模块，接通电源即可开始实验。2、测试前置放大级输入、输出波形高频信号源频率设置为6.3MHZ，幅度峰-峰值300mV左右，用铆孔线连接到11P01，模块上开关11K01至“OFF”，用示波器测试11P01和11TP02的波形的幅度，并计算其放大倍数。由于该级集电极负载是电阻，设有选頻作用。3、激励电压、电源电压及负载变化对丙类功放工作状态的影响（1）激励电压Ub对放大器工作状态的影响，开关11K01置“on”，11K03置“右侧”，11K02往下拨。保持集电极电源电压Ec=6V（用万用表测11TP03直流电压，调11W01等于6V），负载电阻RL=8KΩ(11K04置“off”,用万用表测11TP06电阻，调11W02使其为8KΩ，然后11K04置“on”)不变。高频信号源频率1.9MHZ左右，幅度200mV(峰-峰值)，连接至功放模块输入端（11P01）。示波器CH1接11TP03，CH2接11TP04。调整高频信号源频率，使功放谐振即输出幅度（11TP03）最大。改变信号幅度源，即改变激励信号电压Ub，观察11TP04电压波形。信号源幅度变化时，应观察到欠压、临界、过压脉冲波形。其波形如图7-7所示（如果波形不对称，应微调高频信号源频率，如果高频信号源是DDS信号源，注意选择合适的频率步长档位）。欠压临界弱过压太原理工大学现代科技学院实验报告过压图7-7三种状态下的电流脉冲波形实际观察到的波形如下图：欠压状态波形临界状态波形过压状态波形（2）集电极电源电压Ec对放大器工作状态的影响保持激励电压Ub（11TP01电压为200mv峰-峰值）、负载电阻RL=8KΩ不变，改变功放集电极电压Ec时，仍可以观察到图7-7的波形，但此时欠压波形幅度比临界时稍大。实际观察到的波形如下图：欠压状态波形临界状态波形过压状态波形（3）负载电阻RL保持变化对放大器工作状态的影响保持功放集电极电压Ec=6V,激励电压（11TP01点电压、150mv峰—峰值）不变，改变负载电阻RL（调整11W02电位器，注意11K04至“ON”），观察11TP04电压波形。同样能观察到图7-7的脉冲波形，但欠太原理工大学现代科技学院实验报告压时波形幅度比临界时大。测出欠压、临界、过压时负载电阻的大小。测试电阻时必须将11K04拨至“OFF”，测完后再拨至“on”。实际观察到的波形如下图：欠压状态波形临界状态波形过压状态波形4．功放调谐特性测试11K01置“ON”,11KO2往下拨，11K03置“左侧”，拔掉11K05跳线器。高频信号源接入前置级输入端（11P01），峰-峰值800mV。以6.3MHZ的频率为中心点，以200KHZ为频率间隔，向左右两侧画出6个频率测量点，画出一个表格。设计的表格如下：高频信号源按照表格上的频率变化，幅度峰-峰值为800mV左右（11TP01）,用示波器测量11TP03的电压值。测出与频率相对应的电压值填入表格，然后画出频率与电压的关系曲线。5.功放调幅波的观察f(MHZ)5.25.55.86.06.26.46.77.07.3Vc(VPP)4.415.135.695.815.795.414.794.013.37太原理工大学现代科技学院实验报告保持上述4的状态，调整高频信号源的频率，使功放谐振，即使11TP03点输出幅度最大。然后从11P02输入音频调制信号，用示波器观察11TP03的波形。此时该点波形应为调幅波，改变音频信号的幅度，输出调幅波的调制度应发生变化。改变调制信号的频率，调幅波的包络亦随之变化。实际观测的调幅波如下图：①正弦波调幅②三角波调幅③方波调幅六．实验报告1．认真整理实验数据，对实验参数和波形进行分析，说明输入激励电压、集电极电源电压，负载电阻对工作状态的影响。（1）激励电压Ub对放大器工作状态的影响高频信号源频率1.9MHZ左右，