高频谐振功率放大器实验实验报告

费线性电子线路实验报告丙类高频谐振功率放大器与基极调幅实验报告一．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C测量方法。4.掌握用频谱仪观测信号频谱、频率及调制度的方法。二．实验仪器及设备1．调幅与调频接收模块。2．直流稳压电压GPD-3303D3．F20A型数字合成函数发生器/计数器4．DSO-X2014A数字存储示波器5．SA1010频谱分析仪三．实验原理1.工作原理高频谐振功率放大器是通信系统重要的组成电路，用于发射机的末级。主要任务是高效率的输出最大高频功率，馈送到天线辐射出去。为了提高效率，晶体管发射结采用负偏置，使放大器工作于丙类状态（导通角θ＜90O）。高频谐振功率放大器基本构成如图1.4.1所示，丙类谐振功率放大器属于大信号非线性放大器，工程上常采用折线分析法，各级电压、电流波形如图1.4.2所示。（a）原理电路（b）等效电路图1.4.1高频功率放大器费线性电子线路实验报告图1.4.1中，晶体管放大区的转移（内部静态）特性折线方程为：()CCBEBZigvU1.4.1放大器的外电路关系为：cosBEBbmuEUt1.4.2cosCECcmuEUt1.4.3当输入信号BBZbuEU时，晶体管截止，集电极电流0Ci；当输入信号BBZbuEU时，发射结导通，由式1.4.1、1.4.2和1.4.3得集电极电流Ci为：maxcoscos1cosCCtii1.4.4式中，BZU为晶体管开启电压，Cg为转移特性的斜率。以上分析可知，晶体管的集电极输出电流ci为尖顶余弦脉冲，可用傅里叶级数展开为：tItItIItimCmCmCCc3cos2coscos)(32101.4.5其中，0CI为Ci的直流分量，mCI1、2CmI、…分别为ci的基波分量、二次谐波分量、…。集电极余弦脉冲电流Ci及各次谐波的波形如图1.4.3所示，其频谱如图1.4.4所示。（a）（b）图1.4.2各级电压、电流波形费线性电子线路实验报告由于晶体管集电极电流为尖顶余弦脉冲，为了不失真的放大信号，晶体管集电极负载回路必须采用具有选频滤波特性的LC并联谐振回路。当回路调谐于输入信号频率（基波频率）时，高频功率放大器的输出信号为：1()coscCmPutIRt1.4.6)(0max0CCII1.4.7)(1max1CmCII1.4.8式中，()cut为谐振回路的端电压；PR为回路的等效谐振电阻；maxCI为集电极余弦脉冲电流的最大值；0CI为脉冲电流的直流分量；1CmI为脉冲电流基波分量的振幅；0()、1()为余弦脉冲分解系数；为余弦脉冲电流的导通角，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，谐振功率放大器导通角常取=60°～80°。2.丙类谐振功率放大器的主要技术指标⑴输出高频交流功率：222oLLomormsUUPRR1.4.9⑵电源电压提供的直流功率DP：0DCCPEI1.4.10⑶集电极效率C：ocDPP1.4.11式中，omU为输出电压振幅,ormsU为输出电压有效值，LR为负载电阻。图1.4.3集电极余弦脉冲电流Ci及各次谐波的波形图1.4.4集电极余弦脉冲电流Ci的频谱费线性电子线路实验报告3.丙类高频谐振功率放大器的三种工作状态谐振功率放大器的工作状态应同时满足内部特性和外电路特性。由于谐振功率放大器为丙类状态，不存在直流工作点，只存在动态（交流）工作点()BECCEuiu、、，动态点的轨迹称为动态特性或动态线，如图1.4.5所示。当晶体管确定后，四个外部电路参量EC、EB、Ubm和RP不同，使电路分别工作在欠压、临界和过压状态，同时也影响电路的性能COC1DOCCcmmUIIPPP（、、；、、、），当EC、EB、Ubm和RP一定时，工作状态及性能也就唯一地确定了。4.负载对工作状态的影响及负载特性维持EC、EB、Vbm不变，放大器的工作状态和性能COC1DOCCcmmUIIPPP（、、；、、、）随负载RP变化的特性，称为负载特性。，图1.4.5高频功率放大器动态特性()CBECEifuu，图1.4.6负载RP对工作状态的影响费线性电子线路实验报告三种工作状态比较：⑴临界状态OP达到最大，C也较高，是最佳工作状态，对应的谐振电阻PR称为谐振功率放大器的最佳匹配电阻。⑵过压状态效率C较高，回路端电压cmU基本不变，近似恒压源，常用于需要维持电压比较稳定的场合，集电极调幅就工作于过压状态。⑶欠压状态OP比较小，C也比较低，故很少采用，基极调幅需要工作于欠压状态。5.电源电压Ec对工作状态的影响及集电极调制特性维持EB、Ubm、RP不变，放大器的工作状态和性能COC1DOCCcmmUIIPPP（、、；、、、）随EC变化的特性，称为集电极调制特性。图1.4.7负载特性图1.4.8EC对工作状态的影响费线性电子线路实验报告6.输入信号振幅bmU对工作状态的影响及基极调制特性与放大特性7.调谐特性图1.4.9集电极调制特性图1.4.10集电极调幅图1.4.11bmUBE（-）对工作状态的影响及放大（或基极调制）特性图1.4.12基极调幅费线性电子线路实验报告四．实验电路简介丙类高频谐振功率放大器与基极调幅实验电路如图1.4.14所示。高频等幅信号由1Q23或1TP25输入，晶体管1BG8对输入信号进行电压放大，为功率放大管1BG9提供足够的激励信号。1BG9的负载为LC并联谐振回路，由变压器T的初级电感和电容1C56组成。调节变压器的磁芯，使初级回路谐振于6MHz，通过变压器耦合至负载RL或天线1TP00。调节天线回路的谐振电容1C55，当回路谐振时，天线上可以获得最大的辐射功率。图1.4.14中，1TP25为放大器高频等幅输入信号()itu测试点；1TP27为功率放大级（1BG9）输入信号（基极）测试点；1TP28为功率放大级集电极谐振回路端电压cmV测试点；1TP29为余弦电流脉冲ci的波形测试点（实际是射级电压129TPu的波形）。1TP30为放大器的输出信号测试点。由1TP26或1P26输入调制信号u，实现基极调幅。五．实验内容1.观测放大器的工作状态及集电极调制特性、放大（或基极调制）特性、负载特性⑴电源电压EC对工作状态的影响及集电极调制特性①将《调幅与调频模块》接电源电压EC=+7V，打开《模块》中功率放大器电源开关，图1.4.13调谐特性图1.4.14丙类高频功率放大器实验电路费线性电子线路实验报告（电源指示灯点亮）；放大器输入端（1Q23）接高频等幅信号6MHz，1VPP（由信号源F20A提供）；用示波器1、2、3、4通道分别观测放大器输入信号电压iu（测试点1TP25）、第一级输出信号电压127TPu（测试点1TP27）、功率输出级1BG9的集电极回路端电压cu（测试点1TP28）和集电极余弦脉冲电流Ci的波形（测试点1TP29，实际是射极电压129TPu波形）；同时用万用表观测1TP29测试点的直流电压129TPV；RL=50（由数码开关1SW6设置）。测量的可得129TPV=0.133V。②调节输入信号幅度，同时用无感起子调节变压器T的磁芯，使1TP29测试点的余弦脉冲电流Ci(129TPu)的波形出现凹陷，如图1.4.15中（7V）所示（注：凹陷不能太深）。调节变压器T使波形如下图：图1.4.15EC对工作状态的影响费线性电子线路实验报告③按图1.4.15中改变电源电压EC，记录或存储ci(129TPu)的波形。同时将cmU和129TPV的值填入表1.4.1中（测量过程中若ci的波形凹陷不对称时，可调节变压器T）。表1.4.1EC（V）7V8V9V10V11V12VcmU（V）13.515.516.818.118.418.5129TPV（V）0.12330.14860.17360.20790.19220.1955按表1.4.1中数据绘制集电极调制特性ccmEV和ccoEi（129591TPcoeoRiiV）。注意：这里的,ccmEV，129TPV都是峰峰值。画图可得：费线性电子线路实验报告78910111213141516171819Ucm/VEc/V7891011120.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0180.0190.020c1/mAEc/Vc1-Ec⑵输入信号振幅bmU对工作状态的影响及放大（或基极调制）特性①EC=+12V，其余电路连接不变。②按图1.4.16中改变输入信号幅度，记录或存储ci(129TPu)的波形。同时将cmU和129TPV的值填入表1.4.2中（当出现ci的波形凹陷不对称时，可调节变压器T）。图1.4.16Vbm对工作状态的影响cmcUE关系图费线性电子线路实验报告表1.4.2bmU（V）700mV800mV900mV1V1.1V1.2V1.3V1.4V1.5VcmU（V）3.67.610.513.316.518.120.122.122.5129TPV（V）0.04230.05850.08710.11830.15360.19170.22010.25780.2727实验中得到的各bmU下的图像（处理后）：③按表1.4.2中数据计算coi，绘制放大（或基极调制）特性曲线cmbmUU和cobmiU。费线性电子线路实验报告0.60.81.01.21.41.60510152025BUcm/VUbm/VcmbmUU图像0.60.81.01.21.41.60.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030co/mAUbm/VcobmiU图像⑶负载电阻RL对工作状态的影响及负载特性①EC=+12V，RL=150，其余电路连接不变。②调节输入信号幅度，同时用无感起子调节变压器T的磁芯，使余弦脉冲电流Ci(129TPu)的波形出现凹陷，如图1.4.17中所示（注：凹陷不能太深）。费线性电子线路实验报告③用数码开关1SW6按表1.4.3中设置负载RL的阻值，记录或存储ci(129TPu)的波形，同时将cmU和129TPV的值填入表1.4.3中（当出现凹陷不对称时，可调节T）。表1.4.3RL（）150755030cmU（V）23.322.120.117.3129TPV（V）0.18400.21650.22250.2250可得ic图像如下（处理后）：④按表1.4.3中数据计算coi，绘制负载特性曲线LcmUR和LcoiR。LcmUR图像如下：图1.4.17负载RL对工作状态的影响费线性电子线路实验报告204060801001201401601718192021222324Ucm/VRL/LcoiR图像如下：204060801001201401600.0180.0190.0200.0210.0220.023co/mARL/2.丙类谐振功率放大器的调谐及等幅输入信号下的输出功率、效率的测量（1）EC=+12V，输入信号6MHz、1VPP，RL=75。（2）用示波器观测输入信号()iut、输出信号()out及Ci(129TPu)的波形，用万用表观测直流电压129TPV。可测得129TPV=0.1158V（3）反复微调输入信号幅度及调节变压器T，使放大器集电极负载回路谐振并工作于临界状态（Ci波形凹陷刚刚消失且()out最大）。测量()out和129TPV，计算：费线性电子线路实验报告电源供给的功率：1290591TPDCCCVPEIER放大器输出功率：222omrmsoLLuuPRR放大器实际效率：ooDPP集电极耗散功率：CMDOPPP临界状态时()out=8.0V129TPV=0.2132得到()out和129TPV的图像如下：1290590.2561TPDCCCVPEIEWR220.1072omrmsoLLu