高频功率放大器实训报告.docx

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高频功率放大器实训报告

《高频电子线路》

实训报告

题目：

高频谐振功率放大器性能研究

大庆师范学院

一、工作原理

1．谐振功放基本电路组成

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＜90度）。

晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。

图1.1高频谐振功率放大基本电路

2.谐振功放的三种工作状态

在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：

①欠压工作状态：

集电极最大点电流在临界线的右方

②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

③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。

图1.2谐振电路工作三种状态

3.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：

⑵电源电压提供的直流功率

：

⑶集电极效率

：

式中，

为输出电压振幅,

为输出电压有效值，

为负载电阻。

4.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随EC变化的特性，称为集电极调制特性。

图1.3EC对工作状态的影响

图1.4集电极调制特性

图1.5集电极调幅

5.输入信号振幅

对工作状态的影响及基极调制特性与放大特性

图1.6

对工作状态的影响及放大（或基极调制）特性

图1.7基极调幅

二、设计过程

1.放大器工作状态的确定

因为要求获得的效率

>60%，放大器的工作状态采用临界状态，取

=70°,所以谐振回路的最佳电阻为

=551.25Ω

集电极基波电流振幅

≈0.019A

集电极电流最大值为

=0.019/0.436=43.578mA

其直流分量为

=

*

=43.578*0.253=11.025mA

电源供给的直流功率为PD=Ucc*Ico=132.3mW

集电极损耗功率为P=PD–PC=32.3mW

转换效率为η=PC/PD=100/132.3=75.6%

当本级增益

=13dB即20倍放大倍数，晶体管的直流β=10时，输入功率为

P1=P0/AP=5mW

基极余弦电流最大值为IBM=ICM/β≈4.36Ma

基极基波电流振幅

=4.36

0.436=1.9mA

所以输出电压的振幅为UBM=2P1/IB1M≈5.3V

2.谐振回路和耦合回路参数计算

丙类功放输入、输出回路均为高频变压器耦合方式，其中基极体电阻Rbb<25Ω,

则输入阻抗

≈87.1Ω

则输出变压器线圈匝数比为

≈6.4

在这里，我们假设取N3=13和N1=2，若取集电极并联谐振回路的电容为C=100pF，则

≈7.036μH

采用Φ10mm×Φ6mm×5mm磁环来绕制输出变压器，因为有

其中μ=100H/m,A=

=25mm,L=7.036μH，所以计算得N2=7

三、仿真结果

图1.7高频谐振功率放大器仿真电路图

1.高频谐振功率放大器实验电路的调整

用高频信号源提供2MHz的输入信号，幅度在1V左右，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。

图1.8调谐波

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，负载RL不变，观察射极电压波形，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、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。

此处Uo测量的为峰峰值，在代入计算时除以2作为cmV。

由数据能够看出，随着激励信号幅度的增大，集电极输出电压幅度越来越大，输出功率越来越大，效率也越来越高，工作状态也由欠压变成临界再变成过压。

原因是当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。

由测得数据绘制曲线如下：

图1.9激励调制特性图

由曲线中可以看出，在激励信号为420mV即0.42V点处，曲线斜率发生明显变化，该点为临界状态，左边为欠压状态，右边为过压状态。

在激励信号幅度小于0.1V的几个点出现不符合曲线走势的状况，可能是由于激励信号幅度过小，所以集电极输出电压幅值也很小，仪器测量精度无法准确分辨而带来的误差。

2.高频谐振功率放大器的负载特性测试

保持电源电压Ec=12V，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、测量直流电压Ve，发射极平均电流IC0=Ve/R7，观察TP3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。

在实际实验箱上进行实验时，cE无法达到要求的12V，由于实验箱元件都为固定元件，通过可调电阻调节使得cE最大只能调到10.378V，所以采用10.378V进行实验。

保持激励电压Ubm为420mV。

由实验过程得到，负载逐渐变小，集电极输出电压幅值变小，射级电压幅值变大。

即当负载变大时，电路工作状态逐渐由欠压到临界再到过压。

由测量所得数据计算得到，随着负载的变大，电源消耗的总功率、效率、输出功率都越来越大。

测得性质与丙类谐振功率放大器负载特性基本相符。

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

由实验测得结果可以看出，随着Ec的减小，功率放大器工作状态逐渐由欠压变为临界变为过压，集电极输出电压幅值逐渐减小。

即随着Ec的增大，集电极输出电压幅值逐渐增大，电源消耗总功率和输出功率也逐渐增大，效率也逐渐增高。

所得数据绘制曲线如下，由图可以看出，在Ec为9.52V点处前后曲线斜率发生明显变化（曲线下方斜直线为正比例斜率参考线），9.52V点处为临界点，左边为过压，右边为欠压。

图2.1集电极电压变化对工作状态的影响

四、小结

1．同时调整可调元件来使电路调谐是件有些麻烦的事情，而调谐情况不理想会影响后面的实验效果。

通过对每一个可调元件都在整个可调范围内完全扭一遍，观察示波器输出情况，然后再调回到整个过程中看到波形最理想的位置附近进行微调，能够得到比较理想的调谐情况。

2.在进行集电极电源电压变化对放大器工作状态的影响测试时，由于受实验箱元件限制，集电极电源电压Ec最大只能调到10.378V左右，不能达到理论的12V，使得欠压工作区能测的范围比较有限，如果能达到12V，在欠压区多测几个点，能够使绘制的特性曲线更完美，更有说服力。

3．在进行负载特性测试时，没有能够记录下可变电阻RW3对应每个测量点时的阻值，如果测得了相关数据绘制相应的特性曲线图会更好，使得测得的特性更直观。

4．在进行负载特性测试时，过压状态下测得的效率达到了79%，与理论上的丙类功率放大器效率可达80%的理论值比较接近。