实验三 丙类高频功率放大器实验.doc

实验三 丙类高频功率放大器实验 图 1 高频功放原理图 特别提示： 1．本电路的核心是谐振功率放大器，因此，实验前必须认真预习有关教材，熟 悉谐振功率放大器的基本特性，实验中所有调整过程，无一不是以理论为基 础的。 2． 认真阅读本实验指导书，特别是对于画有波浪线的文字，实验中要给与关注。 一． 实验目的 1．通过实验，加深对于高频谐振功率放大器工作原理的理解。 2．研究丙类高频谐振功率放大器的负载特性，观察三种状态的脉冲电流波形。 3．了解基极偏置电压、集电极电压、激励电压的变化对于工作状态的影响。 4．掌握丙类高频谐振功率放大器的计算与设计方法。 二。预习要求： 1．复习高频谐振功率放大器的工作原理及特点。 2．熟悉并分析图 3 所示的实验电路，了解电路特点。 三．电路特点及实验原理简介 在高频范围内为获得足够大的高频输出功率，必须采用高频放大器，高频功率放大 器主要用于发射机的未级和中间级，它将振荡产生的信号加以放大，获得足够高频功率 后，再送到天线上辐射出去。另外，它也用于电子仪器作未级功率放大器。 高频功率放大器要求效率高，输出功率大。丙类放大器它是紧紧围绕如何提高它的 效率而进行的。高频功率放大器的工作频率范围一般为几百 kHz—几十 MHz。一般都采 用 LC 谐振网络作负载，且一般都是工作于丙类状态，如果要进一步提高效率，也可工 作于丁类或戊类状态。 1．电路特点 本电路的核心是谐振功率放大器，在此电路基础上，将音频调制信号加入集电极回 路中，利用谐振功率放大电路的集电极调制特性，完成集电极调幅实验。当电路的输出 负载为天线回路时，就可以完成无线电发射的任务。为了使电路稳定，易于调整，本电 路设置了独立的载波振荡源。 2．高频谐振功率放大器的工作原理 参见图 1。 ib ic T i cm ib ub ~ C L RL 0 Vbb ie Vbz U be t  U be ωt θ Ubm Vbb Vcc t ωt 图2 ic 与 ub 的关系 谐振功率放大器是以选频网络为负载的功率放大器， 它是在无线电发送中最为重要、 最为难调的单元电路之一。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等 类型。丙类功率放大器导通角θ＜900，集电极效率可达 80%，一般用作末级放大，以 获得较大的功率和较高的效率。 图 1 中，Vbb 为基极偏压，Vcc 为集电极直流电源电压。为了得到丙类工作状态，Vbb 应为负值，即基极处于反向偏置。ub 为基极激励电压。图 2 示出了晶体管的转移特性 曲线，以便用折线法分析集电极电流与基极激励电压的关系。Vbz 是晶体管发射结的起 始电压（或称转折电压）。由图可知，只有在 ub 的正半周，并且大于 Vbb 和 Vbz 绝对值 之和时，才有集电极电流流通。即在一个周期内，集电极电流 ic 只在-θ～+θ时间内 导通。由图可见，集电极电流是尖顶余弦脉冲，对其进行傅里叶级数分解可得到它的直 流、基波和其它各次谐波分量的值，即： ic=IC0+ IC1mCOSωt + IC2MCOS2ωt + … + ICnMCOSnωt + … V V COS  bz bb Ubm 求解方法在此不再叙述。为了获取较大功率和有较高效率，一般取θ=700～800 左右。 完整的电路图见图 3。 1 2 J5 1 C21 3K LED GND 1 Vin U1 GND P4 7805 C23 .01 2 1 2 3 1 R16 12 1 1 1 1 RL1 120 .01 图3 RL2 75 RL3 39 P5 1 1 P12 1 1 1 1 P1 P8 C16 1.5 2 1.5K* 0.01 P7 1 P6 GND 2 C15 12 R14 P9 4 1 3 2 CT1 12 C14 12 1 12 1 34 TRANS-1 J2 1000p* 2 3 P11 ANTENA 6 1 2 1 1 21 2 C 2 C14' 24p* 270p* 0~20p 1.5K 2 10K* 16 E 1 667 B 330¦ÌH M3 C24 R17 12 2 12 V4 1 12 R4 CT4 1 2 L3 R12 30 C17 0~20p68p* 3.9¦ÌH 2 GND 2 2 12 12 12 R15 30K* 3 R10 6.2K R8 360 1000P 5.6K 1 L1 1 C19 0.01 1 T1 D2 LED GND C18 0.01 0 2 R1 CT2 0~20p 91p* B 2 4 2 4 X3 E 6800P 1 J4 3 R0 1 1 V3 667 C3 C1 .01 2 10K* X1 C9 2 C 1 2 .01 J1 1 3 Rp2 10K C12 0.01 C13 3 C8 0~20p 62p* R13 2 1K 3 R11 C10 1 L2 CT3 R3 30K C6 200P GND X2 1 1 1 1 M1 R9 360 V1 R20 240 4 34 2 M2 470P 10 Rp3 2.2K -Vbb P2 V2 51P Y1 6 2 3 C5 C4 16 2 1 2 3K T2 1 R7 51K* C22 J3 1 2 1 R5 12K 1 1 R2 R18 1.8K 1 1 P3 GND 3 Vout 1 Rp1 47K 1 C20 0.01 .01 2 1 GND 2 1 2 GND 2 GND C11 .01 P10 Vcc 330 1 C7 .01 .01 L5 330 1 R19 1 C2 L4 D1 GND 330 1 200 12 L6 2 R6 1 GND 高频功放（调幅）及发射电路原理图 图中，V1、V2 构成了独立的石英晶体振荡电路，为实验提供了稳定的载波信号，大 大方便了电路的调整。V3 为推动级，为末级功放电路提供足够的激励电压。V4 构成丙类 谐振放大电路。为了能较好的演示功放电路的负载特性，较为方便的观察脉冲电流，本 电路采用了独立的偏置电路，由 RP2、R15、R14 构成的分压器对-12V 进行分压，为功放 级提供适当的负偏压，确保工作在丙类状态。RL 为负载电阻，在负载电阻和功放电路集 电极之间采用变压器电路，以完成负载和集电极之间阻抗变换。在功放输出级电路中设 置了三个跳线短路端子 J2、J3 和 J4。J3 可完成+12V 电源和+6～9V 可调电源之间的转换， 以观察集电极调制特性以及完成调幅电路的实验。J2 是为了观察负载特性而设置的， 当 J2 断开时，在 R16 上可直接观察到脉冲电流波形，从而可较为直观的观察到负载特性， 便于加深对于谐振功率放大电路的理解。而 J2 短接时，可得到稍大一些的输出电压。J4 是为了在集电极回路中加入低频调制信号而设置的。 3．高频功放电路的调谐与调整原则 理论分析表明，当谐振功率放大器集电极回路对于信号频率处于谐振状态时（此 时集电极负载为纯电阻状态） ，集电极直流电流 IC0 为最小，回路电压 UL 最大，且同时 发生。然而，由于晶体管在高频工作状态时，内部电容 Cbc 的反馈作用明显，上述 IC0 最小、回路电压 UL 最大的现象不会同时发生。因此，本实验电路，不单纯采用监视 IC0 的方法，而采用同时监视脉冲电流 iC 的方法调谐电路。由理论分析可知，当谐振放大 器工作在欠压状态时，iC 是尖顶脉冲，工作在过压状态时，iC 是凹顶脉冲，而当处于 临界状态下工作时，iC 是一平顶或微凹陷的脉冲。这也正是高频谐振功率放大器的设 计原则，即在最佳负载条件下，使功率放大器工作于临界状态，以获取最大的输出功 率和较大工作效率。本电路的最佳负载为 75Ω。因此调试时也应以此负载为调试基础。 四．实验仪表设备 1．双踪示波器 2．万用表 3．高频电路学习机 4．高频功放（调幅）及发射实验电路板（G2F） 五．实验内容及步骤 1．按图连接好实验电路板所需电源（±12V） 。[-Vbb 接-12V] 2．功放级静态工作点的调整 A．用短路环将 J3 的 1、2 端和 J4 的 2、4 端短路，以使+12V 电源直接提供给功放输 出级的集电极回路。( 注意：此时一定要使 J5 或 J1 保持开路状态，否则，静态 工作点将受到本振电压的影响。) B．用万用表测试 V4 的基极电压。调整 RP2，使 V4B=-0.3V 左右。 3．调整载波振荡源 接通 J5，以给载波振荡电路加电。J1 仍保持开路状态，然后在测试点 M1 处接入示 波器，以观察振荡波形。调整 Rp1，使载波振荡源输出 UO=1V 左右。 4． 推动级的调整 用短路环短接 J1，使载波振荡信号[f0=6.5MHz，UO≈1V(p-p)]通过 C9 接至晶体管 V3 的基极。在 M2 端用示波器观察推动级的输出波形，由于功放级输入端阻抗元件的 影响，波形为一失真的正弦波，此时不必做很多调整工作，只要证实推动级已经工 作即可。 5．脉冲电流及放大特性的观察  保持前面的电路连接不变，将 J2 的短路环取下，使 C16 开路。 将负载电阻接至 75 Ω。  将示波器 1 通道测试探头（衰减 10 倍，下同）连接至 V4 的发射极电阻上（即 J2 的 1 端），灵敏度置于 20mV/DIV 档（由于探头有 10 倍衰减，故实际相当于 200mV/DIV）, 用以监测脉冲电流。将示波器 2 通道测试探头（衰减 10 倍，下同） 连接至测试点 M3 处，灵敏度置于 0.2V/DIV 档（由于探头有 10 倍衰减，故实际相 当于 2V/DIV），用以监测功放级的输出波形。 A.负载特性的观察 i. 仔细调整 CT4，使输出回路谐振，且实现负载到集电极间的阻抗转换。观察 M3 处的波形，应能得到失真最小的正弦波形。同时观察 V4 的发射极（取样）电阻 上的波形，是否得到了一个临界状态的脉冲电流波形（略有凹陷的波形）。若未 能观察到临界状态的脉冲电流，则需要仔细调整 CT2、CT3，使功放级的输入达 到较好的匹配状态，必要时还需适当地调整载波信号源的输出幅度。正常情况下， 在 M3 处观察到的输出波形幅度应不低于 9.4V。 ii. 保持信号源频率和幅度不变，将负载分别接至 120Ω和 39Ω，应能观察到过压和 欠压状态的脉冲电流形状。若不能，则电路还需做细心调整，直至在保持信号源 频率和幅度不变得情况下，随着负载的改变可出现过压、临界、和欠压的三种状 态的脉冲电流波形。 三种状态的脉冲电流波形大致如图所示。 RL=120Ω RL=75Ω RL=39Ω 图 4 不同负载下的脉冲电流波形 上述脉冲波形，描绘了放大器的负载特性，即随着 Rc 的增大，Ic 随之减小。放 大状态由欠压状态向过压状态过渡。 iii. 当观察到负载特性后，记录三种负载条件下的负载上获得的输出电压 UL(P-P)，电 源提供给功放管集电极的电压 UC，为了避免电压表输入阻抗对于输出回路的影 响，测量 UC 应当在 J4 的 2 端测试。测试三种状态下的集电极直流电流时，既可 以采用在 J4 的 2、4 两点间接入直流电流表(200mA 档)直接读数，也可以采用测 量发射极（取样）电阻上的压降再换算成电流的方法。但电流表接入回路中后， 会对输出及脉冲电流波形产生一定影响，所以推荐采用第二种方法测试集电极 直流电流。换算方法：IC0=VE/RE(已知 RE=1Ω)。最后将测试结果填入表中。 表1 高频功放实验数据记录表 RL（Ω） 实测数据 ICO(A) VL(P-P)(V) 计算结果 VC(V) PS(mW) PL(mW) η(%) 39 75 120 B.集电极调制特性的观察 将负载置于 39Ω档，输入信号电压及 Eb 保持不变，用短路环将 J3 的 2、3 端短接， 用 6～9V 可调电源给功放管的集电极供电。调整 RP3,观察发射极脉冲电流波形的 变化，这些变化描述了丙类功放电路的集电极调制特性，即随着 Vcc 增大，脉冲 电流将会由过压状态向临界再向欠压状态变化。 EC=10V EC=6V 图5 EC 不同时的脉冲电流波形（RL=39Ω） C.基极调制特性的观察 将负载置于 75Ω，电源电压 Vcc=12V，输入信号幅度保持不变，调整 RP2，仔细观 察脉冲电流的形状与幅值的变化，它描述了谐振功率放大器的基极调制特性。 D.放大特性的观察 保持 Vcc、Eb、RL 不变，改变输入电压的幅值，可以看出随着信号幅度由小到大变 化，脉冲电流将由欠压状态向临界状态再向过压状态变化的现象。 六．问题思考 1．若谐振放大器工作在过压状态，为了使其工作在临界状态，可以改变哪些因素？ 2．设计一自给偏压工作方式的丙类谐振放大器。 七．附录 1．效率的计算与计算公式说明 利用下面提供的公式和前述表中的测试结果计算三种负载条件下的效率，并将 结果填入表中。 电源提供给功放级的总功率：PS=ICO×VD 负载上得到的功率： PL=VOP-P2／8RL 功率放大级的总效率： η= PL／PS 本电路的总效率一般可达到 65%左右，实际上集电极效率可达 80%左右。