高频谐振功率放大器

谐振功率放大器实验121180166赵琛第1页共12页高频谐振功率放大器实验121180166赵琛1、实验目的1.进一步掌握高频丙类谐振功率放大器的工作原理。2.掌握丙类谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。3.掌握激励电压、集电极电源电压及负载变化对放大器工作状态的影响。4.掌握测量丙类功放输出功率，效率的方法。二、实验使用仪器1.丙类谐振功率放大器实验板2.200MH泰克双踪示波器3.FLUKE万用表4.高频信号源5.扫频频谱仪（安泰信）6.高频毫伏表三、实验基本原理与电路1.高频谐振功率放大器原理电路高频谐振功率放大器是一种能量转换器件，它可以将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频谐振功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，其作用是放大信号，使之达到足够的功率输出，以满足天线发射和其它负载的要求。高频谐振功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率的输出。放大器电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ＝180，效率η最高为50％，而丙类功放的θ＜90°，效率η可达到80％。谐振功率放大器采用丙类功率放大器，采用选频网络作为负载回路的丙类功率放大器称为高频谐振功率放大器。高频谐振功率放大器原理电路如图3-1。图中Ub为输入交流信号，EB是基极偏置电压，调整EB，改变放大器的导通角，以改变放大器工作的类型。EC是集电极电源电压。集电极外接LC并联振荡回路的功用是作放大器负载。放大器工作时，晶体管的电流、电压波形及其对应关系如图3-1所示。晶体管转移特性如图3.2中虚线所示。由于输入信号较谐振功率放大器实验121180166赵琛第2页共12页大，可用折线近似转移特性，如图中实线所示。图中'BU为管子导通电压，gm为特征斜率（跨导）。图3-1高频谐振功率放大器的工作原理设输入电压为一余弦电压，即ub=Ubmcosωt则管子基极、发射极间电压uBE为uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt在丙类工作时，EB'BU，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作时，θπ/2。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐波电流幅度。iC＋－uCECucRe＋－LRL＋－EC＋－EBViB＋－ubEB00iCgmUB′uBEuBUbm－iC02iCmax－tt谐振功率放大器实验121180166赵琛第3页共12页图3-2高频谐振功率放大器电压和电流关系谐振功率放大器的集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，如果选取谐振回路的谐振角频率ω0等于输入信号ub的角频率ω，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即uc=Ucmcosωt=Ic1mRecosωt式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC谐振回路的谐振电阻。在集电极电路中，LC振荡回路得到的高频功率为ecmemccmmcRURIUIP22110212121集电极电源EC供给的直流输入功率为0CCEIEP集电极效率ηC为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即CCcmmcECEIUIPP01021静态工作点、输入激励信号幅度、负载电阻，集电极电源电压发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。如图3-3所示，当C点落在输出特性(对应uBEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率放大器的工作状态必须由集电极电源电压EC、基极的直流偏置电压EB、输入激励信号的幅度Ubm、负载电阻Re四个参量决定，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。谐振功率放大器实验121180166赵琛第4页共12页图3-3高频丙类谐振功率放大器的工作状态负载特性是指当保持集电极电源电压EC、基极的直流偏置电压EB、输入激励信号的幅度Ubm不变而改变负载电阻Re时，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源消耗的总功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲线。从上面动态特性曲线随Re变化的分析可以看出，Re由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲，如图3-4(a)所示。图3-4高频丙类谐振功率放大器的负载特性集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改变集电极电源电压EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率随之变化的曲线。当EC由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmaxiCiC①②③00EFC″③②C′C①A″A′ABEC0①③②uBEmaxuCEuct0000iCiCiCiCRe增大(a)ttttIclmIC0Ucm0欠压区过压区RecrRePEPCP00欠压区过压区RecrReC(b)(c)谐振功率放大器实验121180166赵琛第5页共12页较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图3-5所示。由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度Ucm与EC成正比。利用这一特点，可以通过控制EC的变化，实现集电极输出电压、集电极输出电流、集电极输出功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调制特性曲线。图3-5高频谐振功率放大器的集电极调制特性基极调制特性是指当EC、Ubm、Re保持不变而改变基极的直流偏置电压EB时，功放电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率的变化曲线。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，iC波形如图3-6所示。利用这一特点，可通过控制EB实现对电流、电压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以称这组特性曲线为基极调制特性曲线。ECUcm,Iclm,IC0UcmIclmIC0过压临界欠压0(b)iC00iC000iCiCiC(a)ttttt0ECcrECPoPEC(c)Ucm,Iclm,IC0UcmIclmIC0EB过压临界欠压0iC00iC000iCiCiCEB增大tttttPoEB0PEc(c)谐振功率放大器实验121180166赵琛第6页共12页图3-6高频谐振功率放大器的基极调制特性图3-7高频谐振功率放大器的放大特性放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变输入激励信号的幅度Ubm时，功率放大器电流IC0、Ic1m，集电极输出电压Ucm以及电源消耗的总功率、效率的变化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、ηC随Ubm的变化曲线如图3-7所示。由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。2.实验电路高频谐振功率放大器实验电路如图3-8。Ucm,Iclm,IC0UcmIclmIC0Ubm过压临界欠压0(b)iC00iC000iCiCiCUbm增大ttttt(a)谐振功率放大器实验121180166赵琛第7页共12页Vin3Adjust1Vout2C7RW4R9C9C8R10LEDK+12T2R7R8C5RW3J2LCV1TP4T1R1R3TP2TP3C1TP1高频谐振功率放大器BRW1IN1OUTC2D1C11TP5C5CV1BA10-0808图3-8高频谐振功率放大器实验电路电容C1是输入隔直电容，第一级电路是小信号谐振放大器，对输入信号进行放大，由于丙类功放属于大信号放大，若输入信号幅度过小，丙类功放不能够导通，因此需要先对输入信号进行前置放大。第二级电路是丙类谐振功率放大器，电阻R7提供自己偏置，静态时，基极直流电压为0V。当输入信号使晶体管导通后，晶体管的射极有一个直流偏置电压，所以此时的Vbe0，晶体管工作在丙类状态。集电极调谐回路由固定电容，可变电容和中周组成，调整可变电容值或者中周的铁芯位置可改变谐振回路的谐振频率，调整滑动变阻器RW2可以改变负载电阻值，从而观察功放的负载调制特性。集电极供电电源部分由三端可调DC变换器LM317提供，改变滑动变阻器的阻值，可改变集电极的供电电源电压，从而观察功放的集电极调制特性。四、实验内容与数据分析注：在原始数据上，我所有计算的依据在于实验手册上实验电路图所给出的R7=10Ω。而在实际测量中我测得其为31Ω。在正式试验报告中，我将按照31Ω进行计算，因此数据与原始数据相比有出入。1．高频谐振功率放大器实验电路的调整调整幅度，使得电路调谐。谐振功率放大器实验121180166赵琛第8页共12页2.丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试（1）三种状态波形欠压状态波形临界状态波形谐振功率放大器实验121180166赵琛第9页共12页过压状态波形（2）效率计算在本组实验中，我们取常量Rc=150Ω，Ec=10.6V，R7=31Ω。欠压临界过压Uo929mV2.08V2.49VVe90mV264mV345mVLRUP2005.75mW28.8mW41.3mWIC0=Ve/R72.90mA8.52mA11.1mACCEEIP030.77mW90.27mW118mWη18.7%31.9%35.0%分析：由数据可见，从欠压、临界到过压，功率放大器效率在不断提高。而对于过压状态下的效率较低，仅为35.0%，我认为原因是此时功率放大器刚刚进入了过压状态，并未完全达到最大效率状态。在实验中，过压状态我们取得输入电压大约是180mV，而临界状态大约在150mV——160mV，这两者在我们的试验中差距并不大。从图也可以看出，我们的临界和所取得过压状态几乎高度一致，说明刚哥进入了过压。而从数据来看，效率也和临界状态近似相同，因此在兼顾了波形的情况下效率不可能太高。谐振功率放大器实验121180166赵琛第10页共12页工作状态曲线图3．高频谐振功率放大器的负载特性测试取Ec=10.6VRl150Ω200Ω450ΩUo929mV1.63V1.64VVe90.0mV86.6mV29.0mVLRUP2005.75mW13.2mW5.97mWIC0=Ve/R72.90mA2.79mA0.935mACCEEIP030.77mW29.58mW9.92mWη18.7%44.91%59.5%数据分析：由数据可见，随着负载电阻的上升，有效功率先升高再降低，总功率则不断下降，效率不断上升，从欠压进入临界进入过压状态。二Ic0则不断下降。但是我们也应该看到，即使在过压区效率也不够高，我认为是：1调谐不够完全，使得效率不够2过压区没有深度过压，使得效率和临界区别不大。具体的解释，我再后文总结处说明。谐振功率放大器实验121180166赵琛第11页共12页负载特性曲线图4．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）的测试取负载电阻Rl=150ΩEc10.42V8.74V5.78VUo890mV900mV890mVVe84.2mV87.8mV94mVLRUP2005.28mW5.40mW5.28mWIC0=Ve/R72.72mA2.79mA2.90mACCEEIP028.3mW28.07mW16.8mWη18.6%22.1%31.5%分析：从数据来看，各组都在欠压