高频功率放大器实验.docx

1、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

2、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

3、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:工作频率与相对频宽不同;放大器的负载不同;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 c 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

4、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。 v BB CC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:coswt v v v bm BB BE +=, coswtv v cm CC =, v v (g i BZ BE c c = (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, tttt (a v CE =VCC v c图 3-2

5、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: bmBZ BB c V V +=cos (3-2 谐振功率放大器的功率关系:c o P P P += (3-3P 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;o P c P , 0CC c I V P =p cm p cm cm cm o R I R V I V P 212121221= (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。cm V 1cm I p R集电极效率 c 定义为: (211101c c CC cm cm o c g I V I V P P = (3-5 式中, CC

6、 cm V V =,称为集电极电压利用系数, 011 (c cm c I I g =称为波形系数, c 为电流 半导通角或截止角, c 越小,则 (1c g 越大。 c 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 c 的途径: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。c i CE v 减小 c 角, c 越小,则 (1c g 越大,则集电极效率 c 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

7、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。 (a 转移特性曲线 (b输出特性曲线图 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

8、 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 i CE v BE v c 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BE v CE v c i CE v BB v CC v BE v 欠压 过压 界 p 欠压 过压 界 p图 3-5 负载特性曲线从

9、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CC v V CC 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。CC v (a(b欠压状态 过压状

10、态CC 欠压状态 过压状态 CC图 3-6 VCC 改变时电流、功率的变化基极输入电压 对工作状态的影响BB v 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。 BB v (abmO (bbmO图 3-7 改变时电流、功率的变化BB v 5、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

11、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

12、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

13、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。 +12V R1 R5 W1 Q1 C1 R6 Q2 K2 K3 K4 TP5 L1 C3 TP2 CC1 T1 L2 C4 CC2 T2 TT2 TP4 TP3 L3 C8 C7 T3 C6 L4 C5 +12V E1 R2 TP1 C2 R4 TT1 R7 R8 R9 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

14、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

15、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 31 Vip-p（V） Vop-p（V） 电压放大倍数 5、测量丙类功放的集电极效率 c （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） 输入 10.7MHz， TP1 峰峰值约 500mV 的正弦波信号 Vi， 即连接负载 R9 R91K） （ 。 （4）用示波器在

16、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=VCCICC计算出电源的直流功率PS，由 PO = 设中周T2 的损耗率为 50，由 C = (VOP P 2 2 R9 计算出负载功率， 2 PO 计算出丙类功放的集电极效率。填表 32。 PS 表 32 VCC（V） ICC（A） PS（W） Vop-p（V） Po（W） C 6、观察丙类功放的负载特性

17、 （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 52 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

18、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） +5V C13 3 FL1 C12 4 TT3 U1 2 TP6 TP7 图 3-9 集成功率放大器实验原理图 如图 3-9，由于石英晶体振荡器的输出中不可避免地存在多次谐波分量，故在集成功率

19、 放大器的输入端口前加了一个 10.7MHz 的陶瓷滤波器 FL1，以滤除输入信号中的谐波成分， 避免输出信号波形失真。 1 1、连接实验电路； 2、高频信号发生器产生 10.7MHz，500mV 正弦波作为输入信号； 3、观察集成功率放大器的输出并测量功放的电压增益； 用示波器在TP7 处观察，记录集成功放输入信号Vi的峰峰值Vip-p。用示波器在TT3 处观 察输出信号Vo的波形，记录Vo的峰峰值Vop-p，计算功放的电压放大倍数AV，填表 3-3。 表 3-3 Vip-p（V） Vop-p（V） AV （三） 、宽带功率放大器 本实验的原理图如图 3-10 所示， 信号从 TP8 输入，

20、 TT4 处观察输出波形， 、 、 在 R13 R14 W2、R15 组成静态偏置电路，调节 W2 可改变功放的电压增益。R16 为交流负反馈电阻， 起展宽频带和改善非线性失真的作用。T4 为自绕的传输线变压器。 +12V C18 W2 L5 R16 R13 TP8 C15 C17 Q3 TT4 T4 R17 R14 R15 C16 图 3-10 宽带功率放大器原理图 1、连接实验电路 2、静态工作点调节 TP8 接地，用万用表测三极管 Q3 发射极对地的直流电压，调节 W2 使此电压约为 3V。 3、输入信号 去掉TP8 与地的连线，产生频率为 10.7MHz的正弦信号Vi，将此信号输入到高

21、频功率放 大器模块的TP8 处。适当调节输入信号的幅度使TP8 处信号的峰峰值约为 80mV。 4、观察功放的输出并测量功放的电压增益 用示波器在TT4 处观察输出信号Vo，适当调节W2 和输入信号的幅度，使TT4 处信号最 大不失真。测量此时Vi的峰峰值Vip-p及Vo的峰峰值Vop-p，计算功放的电压放大倍数AV，填 表 3-4。 表 34 Vip-p（V） Vop-p（V） AV 五、思考题 1、当分别改变激励信号和电源电压时，功放级电流如何变化？ 2、功放集电极馈电线路采用的是什么方式？ 3、在实验中，当谐振功放处于临界或过压状态下，当激励信号增加时，为什么集电极 电流波形不仅会出现下凹(或下凹加深，而且电流的幅度还会增大呢？ 4、实际测试电路中丙类功放的效率一般最多为 5060，分析其中原因。