实验二高频谐振功率放大器

11实验二高频谐振功率放大器在通信系统中,高频谐振功率放大电路，是无线电发射机的重要组成部分,它的主要功用是实现对高频已调波信号的功率放大,然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间,以实现用无线信道的方式完成信息的远距离传送。所以研究高频功率放大器的主要任务是怎样以高效率输出最大的高频功率。因此,高频功放常采用效率较高的丙类工作状态,即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态，导通角090。虽然功率增益比甲类和乙类小，但效率η却比甲类和乙类高。一般可达到80%。同时,为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量,采用LC谐振回路作为选频网络,故称为高频谐振功率放大器，显然,谐振功放属于窄带功放电路。一、实验目的1．掌握高频谐振功率放大器的电路结构特点、基本功能与工作原理。2．掌握高频谐振功率放大器的调谐方法和掌握高频谐振功率放大器的调谐特性，负载特性以及激励电压、偏置电压、电源电压变化时对其工作状态的影响。3.了解高频谐振功率放大器的主要性能指标意义，掌握测试方法。学会电路设计方法。二、实验设备与仪器高频实验箱WYGP-3或GP-4一台双踪示波器TDS-1002一台高频信号发生器WY-1052一台频率特性测试仪BT-3C一台万用表一块三、实验任务与要求1、高频谐振功放的基本电路结构高频谐振功率放大器的电路构成，除电源电路外，主要由晶体管、输入激励电路、输出谐振回路三个部分组成，谐振功率放大器原理电路如图2-1所示。图中bu为输入交流信号，BE是基极偏置电压，调整BE，可改变放大器的导通角，以使放大图2-1谐振功率放大器的工作原理器工作在导通角090丙类状态。CE是集电极电源电压。集电极外接LC并联谐振回路的功用是作放大器负载，实现滤波选频和阻抗匹配。2、高频谐振功率放大器的工作原理与主要性能指标放大器工作时，设输入信号电压：tUubmbcos则加到晶体管基极,发射级的有效电压为:tUUUuubmBBBBbBEcos12由晶体管的转移特性曲线可知，如图2-2所示：当BZBEUu时，管子截止，0ci。当BZBEUu时，管子导通，)(BZBECcUugi式中：Cg为折线的斜率：常数ceuBEccuig所以有：图2-2谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线BZbmBBccUtUUgicos，即功放输出的Ic为一连串不连续的余弦脉冲。高功放为什么能不失真地放大信号呢?因为尖顶余弦脉冲的数学表达式为：CCcctiicos1coscosmax若对ci傅里叶级数分解，即：...cos......2coscosI11tItItIiCmnCMCMCOc由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波（基波、二次谐波。。。n次谐波）分量所构成，利用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基波频率,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，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：tRItUuOcmCmCcoscos1式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,1cmI为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为:O2O2110212121RURIUIPcmcmcmcm集电极电源EC供给的直流输入功率为：0CCEIEPICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。13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3、高频谐振功率放大器的工作状态谐振功率放大器的工作状态有三种，即欠压、临界和过压。当谐振功放的静态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。如图2-3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。，图2-3谐振功率放大器的工作状态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。4、高频谐振功率放大器的外部特性①负载特性负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变RO时，谐振功率放大器的电流IC0、Icm1，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲线。从上面动特性曲线随RO变化的分析可以看出，RO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2-4(a)所示。图2-4谐振功率放大器的负载特性②集电极调制特性集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、RO不变而改变EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、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iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图2-5所示。iCiC①②③00EFC″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)14图2-5谐振功率放大器的集电极调制特性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，实现电压、电流、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。③基极调制特性基极调制特性是指当EC、Ubm、RO保持不变而改变EB时，功放电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、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会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2-6所示。图2-6谐振功率放大器的基极调制特性利用这一特点，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。④调谐特性由于高功放的负载是LC谐振回路,在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C(或L）时，高功放的外部电流Ico（直流）、Icm1（基波）和相应的Ucm（输出）等随C（L）的变化特性称为高功放的调谐特性。当回路谐振时，阻抗最大，此时，电路中Ico、Icm1最小，而Ucm最大。当回路参数变化后，将使LC回路失谐，则使阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将由临界向欠压状态或过压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将下降。波形如图2-7所示.图2-7谐振功率放大器的调谐调制特性由此可见，高功放的回路失谐后直流输入功率Po=IcoE将随Ico的增加而增加，而输15出功率Pc=Icm1Ucmcosφ将主要因cosφ因子而下降，因此失谐后集电极功耗Po将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。⑤放大特性放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变Ubm时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、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2-8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。图2-8谐振功率放大器的放大特性5、实验电路及说明实验提供的电路如图2-9所示。本电路的主要技术指标：输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz，负载电阻RL=51Ω,电源供电为12V。图2-9高频谐振功率放大器原理图图中，激励级BG1为甲类线性功率放大器，采用固定偏压形式，静态工作点mAICQ7。其集电极负载为LC选频谐振回路，谐振电容C取150Pf，电感L取6uH、谐振频率为6-6.5MHz，集电极输出由变压器耦合输出到下一级。变压器TE1的参数为：N2=23匝，N1=9匝。R1和Rw1可调节甲类放大器的偏置电压，以获得较宽的动态范围；R3、R4、Ce为发射极偏置电路，R3/10Ω为交直流负反馈电阻。R4为300Ω直流负反馈电阻，控制甲类功放的输出电平，以满足丙类功放对输入电平的要求。Ucm,Iclm,IC0UcmIclmIC0Ubm过压临界欠压0(b)iC00iC000iCiCiCUbm增大ttttt(a)16功放级BG2采用丙类放大，使用3DG12C。导通角为70°，基极偏压采用发射极电流的直流分量IEO在发射极偏置电阻Re上产生所需要的VBB，其中直流反馈电阻R6为20Ω，交流反馈电阻为10Ω，集电极谐振回路电容为150P，负载为51Ω，输出由变压器耦合输出，采用中间抽头，以利于阻抗匹配。它们的匝数分别为：N3＝9匝，N1＝9匝，N2＝23匝。跳线开关K1、K3分别控制BG1与BG2的集电极电流测量，K2控制谐振功放激励信号，SW1可选择丙类放大器的输出负载电阻。各测试点分别为：TP1：甲类功放基极输入。TP2：甲类功放信号输出。TP3：功放发射极电流，即余弦脉冲观测点OUT：丙类放大谐振输出。6、实验内容与方法步骤本实验需使用高频功放电路模块。实验前首先分析并熟悉实验线路图，对照实验电路模块，找出信号的连接关系及主要元、器件的位置。，即可开始正常工作。①丙类谐振功率放大器工作状态测定测试电路框图如图2-10所示。图2-10高频功率放大器测试连接框图（1）将高功放中的跳线开关K1、K2与K3分别置“右”，拨码开关SW1开关置“全OFF”位。（2）接通实验板电源，调节Rw1，使BG1的发射极电压VE＝2.2V（即使ICQ=7mA，通过测量Q1发射极e与地的电压）。（3）用高频信号发生器输出频率为6MHz，幅度为100mVp-p的等幅信号，加入“TP1”。（4）用示波器分别观察“TP1”与“TP2”点的信号波形。调整信号发生器的频率与Ct1，使甲类功放谐振，输出信号最大。（5）用示波器分别观察“TP1”与“OUT”点的信号波形。调整信号发生器的频率与Ct2，使丙类功放谐振，使放大输出信号最大且不失真。（6）分别将TP1、TP3与OUT点的信号波形与幅度记录于图2-11（a）中。（7）将高频信号发生器的输出信号幅度缓慢减小到丙类功放输出为零止，再分别将TP1、TP3与OUT点的信号波形与幅度记录于图2-11（C）中。并记录本实验电路，当P1（即丙类功放基极激励信号）≠0,但.Ic=0，Vo=0时，所需的最小激励信号电压幅度==?（8）断开跳线开关K2，使丙类功放无激励信号输入。再分别将TP1、TP3与OUT点的信号波形与幅度记录于图2-11（b）中。17图2-11依据实验所得数据，分析比较TP1、TP3与OUT波形特点，体会丙类功放工作状态的特点。②丙类功率放大器调谐特性测定测试电路框图如图2-12所示：图2-12高频功率放大器测试连接框图测试条件：输入信号f=fo/100mV，RL=51Ώ。(1)使高功放处于最佳谐振状态。(2)按表2-1所列格式，以谐振频率作标准，并以0.2MHZ为步进,，改变高信器的输入信号的频率，保持输入信号幅度100mVp-p不变，记录各频率点的输出电压值，得出结论。表2-1F(MHz)foVi(V)Vo(V)结论③丙类功率放大器的负载特性测定测试原理电路参见图2-12。测试条件：输入信号f=fo/100mV.RL=∞。(1)使高功放处于最佳谐振状态。(2)用示波器分别观察“TP1”与“TP3”点的信号波形。适当调整高频信号发生器的18输出信号幅度，使放大器处于