高频功率放大器实验

实验三高频功率放大器一、实验目的1、掌握丙类谐振功率放大器的基本工作原理；2、掌握丙类谐振功率放大器的负载特性和振幅特性；3、掌握丙类谐振功率放大器集电极效率的测试和计算方法。二、实验仪器1、示波器一台2、数字万用表一块3、频谱分析仪一套4、高频毫伏表一台4、信号发生器一台三、实验原理及其相关知识在通信系统中，谐振功率放大器经常位于通信发射机的末级，其目的就是使要输出的高频大信号能获得足够的高频功率。功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，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放大器。功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还有丁类、戊类放大器。甲类、乙类功率放大器我们在上学期的实验都完成过，现在比较一下和它们丙类功率放大器的不同：甲类放大器：输入信号幅度小，输出信号不失真。但是其工作效率较低。乙类和丙类放大器：输入信号幅度大，工作效率较高，但是输出信号失真大。特别丙类谐振功率放大器，电压导通角较小，工作效率最高，通信发射机的高频末级功率放大器通常采用丙类工作方式。另外，对于谐振功率放大和小信号调谐放大器的对比：两种放大器的放大对象都为高频信号，负载也均是谐振回路；不同之处主要在于激励信号的幅度大小不同，电路的静态工作点不同，动态范围不同。在实验过程中要认真体会。高频功率放大器与低频功率放大器的相同点：都是为了得到高输出功率和高转换效率，激励信号也同为大信号；不同点：⑴工作频率与相对频宽不同；⑵放大器的负载不同；⑶放大器工作状态不同。1、丙类谐振功率放大器的工作特点功率放大器的最终目的是：电路与系统中，如果具有相同直流功率，那么所设计放大器的转换效率越高，输出的交流功率就越大。丙类放大器就是这样一种放大器，如图3-1所示，这是一个典型的丙类放大器的原理图：负载为LC谐振回路，基极偏置为负偏压，半通角θc＜90°，放大器的基极没有设置直流偏置电路，仅在晶体管基极设置了一个偏置电阻，从电路的形式来看，当没有载波信号输入时，放大器处于截止状态，集电极和发射级没有电流流过，集电极也没有交流信号输出。当输入大幅度信号时，输入信号加在放大器基极，在偏置电阻上产生自给偏压，放大器将随着输入信号的频率进行开关工作，放大器的集电极将输出放大的信号。+–vb–iB–+VBB–+VCC–+vCEC–+vcL输出iEicvBE图3-1谐振功率放大器的基本电路如图3-1可以写出谐振功率放大器电路表达式：coswtvvvbmBBBE+−=，coswtvvcmCC−=，)vv(giBZBEcc−=(3-1)根据3-1可以得到谐振功率放大器的电压、电流波形，如图3-2所示，VBZ–VBBωtVCCωtωtωtvBEibicvCEVcmVcmvBE(a)vCE=VCC–vc图3-2谐振功率放大器的电压、电流波形谐振功率放大器导通角满足：bmBZBBcVVV+=θcos(3-2)谐振功率放大器的功率关系：coPPP+=−(3-3)−P是直流电源供给的直流功率；是交流输出信号功率；是集电极耗散功率；oPcP，0CCcIVP⋅=−pcmpcmcmcmoRIRVIVP212121221==⋅=(3-4)式中为回路两端的基频电压；为基频电流；为回路的谐振阻抗。cmV1cmIpR集电极效率cη定义为：)(2121101ccCCcmcmocgIVIVPPθξη=⋅==−(3-5)式中，CCcmVV=ξ，称为集电极电压利用系数，011)(ccmcIIg=θ称为波形系数，cθ为电流半导通角或截止角，cθ越小，则)(1cgθ越大。cη其表明晶体管放大器的功率转换能力。丙类谐振功率放大器提高效率cη的途径：⑴使LC回路谐振在信号的基频上，即的最大值对应的最小值，那么，集电极耗散功率会减小。ciCEv⑵减小cθ角，cθ越小，则)(1cgθ越大，则集电极效率cη越高；2、非线性谐振功率放大器的工作状态非线性谐振功率放大器的工作状态通常理想化特性曲线采用近似分析法，如图3-3所示的晶体管的转移特性和输出特性的实际特性和近似折线，图中实线代表实际特性曲线，虚线代表近似折线。在放大区，集电极电流和基极电流不受集电极电压影响，而仅与基极电压成线性关系；在饱和区，集电极电流与集电极电压成线性关系，而不受基极电压的影响。理想化折线（虚线）icgcvBE0VBZic过压区临界线欠压区vBEvCE0(a)转移特性曲线(b)输出特性曲线gcr图3-3晶体管实际特性和理想折线如图3-3，根据集电极是否进入饱和区，将放大器的工作状态分为三种：欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大；过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大；临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上；过压和欠压状态时的波形图如3-4a，b所示。图3-4(a)过压状态时的波形图3-4(b)欠压状态时的波形4、谐振功率放大器的动态特性与负载特性所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的，与iCEvBEvc的关系曲线就叫做动态特性(曲线)。最常用的是当、同时变化时，表示和关系的动态特性曲线(有时也叫负载线)。，，为一定时，放大器的负载电阻变化引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化称为负载特性，如图3-5所示BEvCEvciCEvBBvCCvBEv欠压过压0临界Ic1Ic0VCRp0ηcP=PoPc欠压过压临界Rp图3-5负载特性曲线从图中看出，三种工作状态的特点：（1）临界状态的输出功率最大，效率较高，是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态；（2）过压状态当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。（3）欠压状态功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。晶体管基极调幅，常采用这种工作状态。集电极供电电压对工作状态的影响CCvVCC由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。改变时，其工作状态和电流、功率的变化如图3-6所示。CCv00(a)(b)欠压状态过压状态VCC欠压状态过压状态VCCIc0Icm1PoP=Pc图3-6VCC改变时电流、功率的变化基极输入电压对工作状态的影响BBv当由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。BBv(a)过压状态欠压状态VbmIC0OIcm1(b)过压状态欠压状态VbmPoOP=Pc图3-7改变时电流、功率的变化BBv5、宽带功率放大器丙类谐振放大属于窄带高频功率放大电路，适用于固定频率的高频设备，在多频道通信系统中，通常采用宽带功率放大电路。宽带功率放大器不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器。宽带变压器有两种形式。一种是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁芯，可工作到短波波段。普通变压器上下限频率的扩展方法相互制约，为扩展下限频率，需要增大初级线圈的电感量，使其在低频段也能获得较大的输入阻抗，如采用高磁导率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数，但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大，降低了上限频率。为扩展上限频率，需要减小漏感和分布电容，如采用低磁导率的高频磁芯和减小线圈的匝数，但这样做又会使下限频率提高。另一种是利用传输线原理和变压器原理相结合的所谓传输线变压器，这是最常见的一种宽带放大器。由于传输线变压器没有选频作用，无法有效抑制谐波，工作状态只能选在甲类或甲乙类，效率比较低。传输线变压器把传输线的原理应用于变压器，提高工作频率的上限，解决宽带问题。传输线变压器将传输线（双绞线、带状线或同轴电缆等）绕在高导磁心上，以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。传输线变压器有两种工作方式：一种是按照传输线方式来工作，即在它的两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁芯中的磁场正好相互抵消。因此，磁芯没有功率损耗，磁芯对传输线的工作没有什么影响，这种方式称为传输线模式。另一种是按照变压器方式工作，此时线圈中有激磁电流，并在磁芯中产生公共磁场，有铁芯功率损耗，这种方式称为变压器模式。传输线变压器正是利用这两种模式来适应不同功用的。在高频时，传输线模式起主要作用，此时初次级之间的能量传输主要依靠线圈之间分布电容的耦合作用；在低频时，变压器模式起主要作用，初次级之间的能量传输主要依靠线圈的磁耦合作用。四、实验步骤（一）、高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器的实验原理图如图3-8所示。C8R1R2Q1R4C2C3E1C5L3Q2T3C7R6C1L4CC2CC1R8R9R7TT2TT1C4W1L1R5L2C6T1+12VT2+12VK2K3K4TP1TP2TP3TP4TP5图3-8高频谐振功率放大器实验原理图图中，Q1工作在甲类，Q2工作在丙类。TP1为输入信号接口，TT1为丙类功率放大器工作状态特测试点，TP2是为测量丙类功率放大器的效率而留出的接口，TP4和TT2为功放的输出接口，TP5是为集电极调幅实验留出的调制信号输入接口。实验时，TP2接＋12V，以便观察丙类功放的振幅特性；TP2接＋5V，以便观察丙类功放的负载特性。1、连接实验电路2、静态工作点调节TP1接地，用万用表测量三极管Q1发射极对地的直流电压，调节W1使此电压约为1.8V。3、输入信号（1）利用还数信号发生器，产生频率为10.7MHz，峰峰值约500mV的正弦信号。输入到高频功率放大器模块的TP1。4、测量功放的电压增益用示波器在高频功率放大器模块的TT2处测量，调节高频功率放大器模块的T1、T2，适当调节W1，使TT2处信号Vo最大不失真。记录Vo的峰峰值Vop-p，计算功放的电压增益，填表3-1。表3－1Vip-p（V）Vop-p（V）电压放大倍数5、测量丙类功放的集电极效率cη（1）用万用表测TP2对地的直流电压VCC，填表3-2。（2）断开TP2与+12V的连线，将万用表打到测直流电流档，万用表红表笔接＋12V插孔，黑表笔接TP2。（3）TP1输入10.7MHz，峰峰值约500mV的正弦波信号Vi，即连接负载R9（R9＝1KΩ）。（4）用示波器在TT2处测量，调节T1、T2，适当调节W1，使TT2处信号Vo的峰峰值Vop-p最大不失真。（5）适当调节TP1处信号Vi的幅度，使TT2处信号Vo峰峰值Vop-p最大。记录下此时的Vop-p以及TP2和TP3之间的电流量ICC（读万用表），填表3-2。（6）由PS=VCC×ICC计算出电源的直流功率PS，由922)(RVPPOPO−=计算出负载功率，设中周T2的损耗率为50％，由SOCPP2=η计算出丙类功放的集电极效率。填表3－2。表3－2VCC（V）ICC（A）PS（W）Vop-p（V）Po（W）ηC6、观察丙类功放的负载特性（1）断开万用表红黑表笔与TP2和＋12V插孔的连线，TP2接主板＋5V。（2）TP1处输入峰峰值约500mV，频率为10.7MHz的正弦波。（3）用示波器在TT1处观察，适当调节T1、T2，使TT1处出现如图5－2所示的下凹波形，即丙类功放工作在过压状态（注意：下凹不要调的太深）。（4）K3向下拨，K2、K4向上拨；K2向下拨，K3、K4向上拨时，分别用示波器在TT1处观察，可观察到TT1处波形逐渐由过压－临界－欠压变化。注意：由于TP1处输入信号谐波分量和丙类功放集电极输出波形中谐波分量的影响，使过压状态时TT1处下凹波形并不能完全对称。另外，实际实验所得下凹波形的下半部分也不是完全光滑的“正弦波”，7、观察丙类功放的振幅特性（1）去掉TP2与＋5V的连线，TP2接＋12V，K4向下拨，K2、K3向上拨。（2）TP1处输入峰峰值约300mV，频率为10.7MHz的正弦波信号。（3）用示波器在TT1处观察，调节T1、T2，观察TT1处波形，功放工作在欠压状态。（二）、集成功率放大器（选作）C12C132431U1TT3FL1+5VTP6TP7