1、實驗一 高頻丙類功率放大器在高頻范圍內(nèi)為獲得足夠大的高頻輸出功率, 必須采用高頻放大器, 高頻功率放大器主 要用于發(fā)射機的未級和中間級, 它將振蕩產(chǎn)生的信號加以放大, 獲得足夠高頻功率后, 再送 到天線上輻射出去。另外,它也用于電子儀器作未級功率放大器。高頻功率放大器要求效率高, 輸出功率大。 丙類放大器它是緊緊圍繞如何提高它的效率 而進行的。 高頻功率放大器的工作頻率范圍一般為幾百 kHz 幾十 MHz 。 一般都采用 LC 諧 振網(wǎng)絡(luò)作負載, 且一般都是工作于丙類狀態(tài), 如果要進一步提高效率, 也可工作于丁類或戊 類狀態(tài)。一、實驗?zāi)康募耙?一 實驗?zāi)康?. 進一步了解高頻丙類功率放大器的

2、工作原理和調(diào)試技術(shù)。2. 熟悉負載變化對放大器工作狀態(tài)的影響及各指標的測試方法。3. 掌握輸入激勵電壓, 集電極電壓, 基極偏置電壓變化對放大器工作狀態(tài)的影響。 (二 實驗要求1. 認真閱讀本實驗教材及有關(guān)教材內(nèi)容。2. 熟悉本實驗步驟,并畫出所測數(shù)據(jù)表格。3. 熟悉本次實驗所需儀器使用方法。(三 實驗報告要求1. 寫出本次實驗原理及原理圖。2. 認真整理記錄的測試數(shù)據(jù)及繪出相應(yīng)曲線圖。3. 對測試結(jié)果與理論值進行比較分析,找出產(chǎn)生誤差的原因,提出減少實驗誤差 的方法。4. 詳細記錄在調(diào)諧和測試過程中發(fā)生的故障和問題,并進行故障分析,說明排除 過程和方法。5. 本次實驗收獲,體會以及改進意見。

3、二、實驗儀器及實驗板1.雙蹤示波器 (CA8020 一臺2.高頻信號發(fā)生器(XFG-7 一臺3.晶體管直流穩(wěn)壓電源 一臺 4.數(shù)字萬用表 一塊 5.超高頻毫伏表(DA22 一臺 6.直流毫安表 一塊 7.高頻丙類功率放大器實驗板 一塊三、實驗原理及公式推導(dǎo)高頻諧振放大器的主要作用是使電路輸出功率大, 效率高; 主要特點是用諧振回路來實 現(xiàn)阻抗變換,并且為了提高效率常工作在丙類狀態(tài)。高頻功率放大器一般有兩種:窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。 前者由于頻 帶比較窄, 故常用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路, 所以又稱為諧振功率放大器。 而寬帶高頻功率放 大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其它寬帶高頻功率

4、放大器, 以高效率, 小失真得到較大 輸出功率。因此一般都工作在丙類狀態(tài)。其導(dǎo)通角小于 ,其通角小于 /2。如圖 1所示是丙類功率放大器原理圖。 圖中 LC 諧振回路為集電極的負載, c E 為集電極 直流電源, b E 為基極負偏置電源。 b U 是高頻輸入信號, t U U bm b cos = 可見,只有輸入信號電壓足夠大時,即 bb b E E U '+>(b E '為晶體管截止偏壓 時晶體管 才導(dǎo)通。 顯然電流的通角 </2, 集電極電流 C I 呈脈沖形狀, 這個電流經(jīng)集電極諧振回路選 出 C I 的基波分量 1C I ,再經(jīng)過變壓器耦合,在 L R 上

5、得到一個放大的基波功率,從而實現(xiàn)了 丙類功率放大。高頻功率放大器是由輸入回路,晶體管、負載和電源幾部分組成。 1.高頻丙類功率放大器的輸出功率和效率。為了便于計算脈沖電流 c i , 將晶體管的動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線 be c U i -用折線 m g 表示。 如圖 2所示。 由圖 2可知:cos ( ' (bb bm m b be m c E E t U g E U g i '-+=-= (1 m g 為跨導(dǎo)。當(dāng) =t 時, 0=c i=c o sbmb bU E E -' (2當(dāng) 0=t 時 , 1( (max bmb bbm m bb bm m c c U E E U

6、g E E U g i i -'-='-+= = cos 1(-bm m U g (3由(1 (2 (3式得出 :cos 1cos cos max -=t i i c c (4因為丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖,是以 為角頻率的周期性函數(shù)。故 可用付里葉級數(shù)求系數(shù)方法來表示它的直流、基波分量,各次諧波分量的數(shù)值。由付氏級數(shù)的系數(shù)求得:cos 1(cos sin 21max0-=-c c c i t d i Icos 1(cos sin cos 1max1-=-c c m c i t td i Icos 1(1(cos cos (sin2cos 12max-=-n n

7、 n n n i t td n i I c c cnm上述三 式可寫成:(0max 0c c i I = (1max 1c m c i I = (max n c cnm i I =(, (, (10n 為余弦脈沖電流 c i 的分解系數(shù)。因此 c i 分解為付氏級數(shù)為:t n I t I t I I i cnm m c m c c c cos 2cos cos 210+=在功率放大器中, 主要研究它的輸出功率和效率。 為什么要工作于丙類狀態(tài), 從三極管 輸出功率來看:dt E i P cc-=210直流電源供給功率:0c c dc I E P =三級管輸出功率:em c e m c out R

8、 U R I P 21212121=e R 為 L R 折合到集電極諧振回路初級的阻抗。集電極效率: (212121101011g I I I I E U P P c m c c m c c m c dc out =m c U 1為集電極基波電壓振幅, (1g 為波形參數(shù), 為集電極電源電壓利用系數(shù)。為了得到足夠大的輸出功率,應(yīng)使它工作在臨界狀態(tài)。使 c m c E U =1,即 1=。cos sin cos sin 2121210101-=c m c c m c I I I I 可以看出減少管耗 c P , 或者提高 和 (1g 都可以提高放大器的效率。 這是因為:(1要減少集電極損耗功率

9、c P ,則要求減少 ce U 。當(dāng)管內(nèi)有較大電流 c i 時, ce U 應(yīng)盡 量減少,最好在 c i 整個流通時間內(nèi) ce U 均很小,或者當(dāng) ce U 較大時,要盡量減少集電極電流c i 。(2要提高集電極效率,則要求提高集電極電壓利用系數(shù) 。 m c U 1增大, 可增大, 因為 m c U 1增大使 ce U 減小。 (t U E U m c c ce cos 1-= ,所以,當(dāng) c i 較大時, ce U 的減少使 得管子集電極損耗 c P 減少,從而提高效率。 圖 3 甲、乙、丙類三種工作狀態(tài)(3要提高效率,也可增大 (1g 。 的減少,可使 (1g 增大,于是提高效率。 減 少

10、,意味著減少 c i 與 ce U 均不為零的時間,這可用甲、乙、丙 3種工作狀態(tài)的集電極電壓、 電流波形來說明,如圖 3所示。甲類在一個周期中都有 c i 流通,因而 ce U 正半周,也有 c i ,所以管耗大,效率低。 乙類 c i 只有半個周期流通,而且,當(dāng)放大器的負載為電阻時, c i 流通半周正好與 ce U 負半周相對應(yīng),此時, ce U 小,因而效率比甲類高。丙類工作時波形, c i 流通時間小于半個周期, 當(dāng)集電極諧振回路對激勵信號諧振時, c i 僅在 ce U 負半周瞬時值較大時流過,此時 ce U 較小,所以丙類比乙類效率高。 當(dāng) 2<,是否可能接近于零,得到最高

11、效率呢?當(dāng) 0時,使得輸出功率也顯著下降,為了兼顧輸出功率和不使激勵功率過大,因而 不能太小,從而限制效率提高。一般情況下 1873-=時,相應(yīng)的集電極效率較大, 在 80%-90%之間。2.丙類功率放大器的負載特性 丙類功率放大器的負載特性是指在 c E 、 b E 、 bm U 不變的條件下,各種電流輸出電壓, 功率和效率等隨 e R 變化的曲線。因為高頻功率放大器的工作狀態(tài)取決于 e R 、 bm U 、 b E 和 c E 四個參數(shù)。如果保持 bm U 、 b E 和 c E 不變,則工作狀態(tài)僅取決于 e R 。(1負載變化對工作狀態(tài)的影響如果保持 bm U 、 b E 和 c E 不

12、變則 e R 變化影響工作狀態(tài)的變化如圖 4所示。 從圖 4看出: 動特性表示 e R 較小時,這時 m c U 1也較小,動態(tài)負載線 1A 在線性放大區(qū),這種狀態(tài) 稱為欠壓狀態(tài)。在欠壓狀態(tài), c i 呈余弦脈沖。 動特性隨 e R 增加,動態(tài)負載線 2A 在臨界線上,稱這種狀態(tài)為臨界狀態(tài),此時 c i 還 是呈余弦脈沖。 動特性隨 e R 繼續(xù)增大, 3A 進入飽和區(qū),此時 c i 呈凹脈沖,這種狀態(tài)稱過壓狀態(tài), 在過壓狀態(tài),隨 e R 增大, c i 的幅度也迅速下降,但它的基波輸出電壓振幅基本不變,即 c m c E U 1。(2負載 e R 變化對 0c I 、 cm I 、 m c

13、U 1、 out P 、 0P 和 的影響。當(dāng)維持 bm U 、 b E 和 c E 不變時, 放大器 0c I 、 cm I 、 m c U 1、 out P 、 0P 和 隨負載阻抗 e R 變化。因為 e m c m c R I U 11=。如圖 5: 在欠壓區(qū):m c I 1與 0c I 基本不變, 僅隨 e R 增加略有下降, m c U 1也隨 e R 增加而直線增加, c P 管耗下降。把放大器看成恒流源。在過壓區(qū):m c U 1幾乎不變, 0c I 和 m c I 1則隨 e R 的增大也急劇下降。把放大器看成恒壓 源。從圖 5看出:集電極電源輸入功率 00c c I E P

14、=。由于 c E 不變,因而 0P 與 e R 關(guān)系曲線 和 0c I 曲線的形狀相同。 放大器輸出功率 m c m c out U I P 1121=, out P 與 e R 關(guān)系是根據(jù) m c U 1、 m c I 1兩條曲線相乘求出 來。在臨界狀態(tài)時, out P 達到最大值,放大器效率也較高。這就是希望放大器工作在臨界工 作狀態(tài)的原因。集電極損耗功率 out c P P P -=0,故 c P 曲線由 0P 與 out P曲線相減得出。在欠壓區(qū),當(dāng) e R 減小, c P 上升很快;當(dāng) e R =0時, c P 達到最大值, 可能使晶體管燒壞。 (這種情況是短路放大器的效率 0P P

15、 out =,在欠壓狀態(tài)時, 0P 變化小,所以 隨 out P 增加 而增加,到臨界狀態(tài)后, out P 下降沒有 0P 快,在過壓狀態(tài)時, out P主要是隨 m c I 1急劇下降而 下降,因而 也略有下降,故在靠近臨界的弱過壓狀態(tài) 出現(xiàn)最大值。3.放大器各級電壓對工作狀態(tài)的影響(1 bm U 對工作狀態(tài)的影響在討論激勵電壓幅度 bm U 的變化對放大器工作狀態(tài)影響,設(shè) c E 、 b E 、 e R 不變。 當(dāng) bm U 較小時, bm b be U E U +=max 也較小,從 be c U i -動態(tài)特性看出:放大器工作在欠 壓狀態(tài),集電極電流為尖頂余弦脈沖。當(dāng) bm U 增大時

16、, max c I 、 m c I 1也增大,引起 e m c c ce R I E U 1-=的減少。從而使放大器由 欠壓狀態(tài)過渡到過壓狀態(tài)。如圖 6所示: (a 為 be c U i -此稱平面上 c i 的動特性。(b 為集電極電流脈沖波形。(c m c I 1、 0c I 、 bm m c U U -1的關(guān)系。從圖 6可看出:在欠壓狀態(tài)時,隨著 bm U 的增加,將引起 max c i 增加,于是 m c I 1、 0c I 和 m c U 1與 bm U 幾乎成正比增加。在過壓狀態(tài)時,隨著 bm U 的繼續(xù)增加,雖然電流脈沖高度繼 續(xù)增大,但其凹度增大。所以 m c I 1、 0c

17、I 在過壓區(qū)增加不大。在欠壓區(qū), m c U 1與 bm U 成線性 關(guān)系。(2 b E 變化對工作狀態(tài)影響( 設(shè) c E 、 bm U 、 e R 不變由于 bm b be U E U +=max 。所以 b E 變化與 bm U 變化一樣,都要引用 max be U 的變化。當(dāng) c E 、 bm U 、 e R 不變時, b E 減小相當(dāng)于 bm U 的增大。這樣,當(dāng) b E 反向偏置向正向偏置變化 時, max c i 增大,放大器從欠壓狀態(tài)轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。因此, b E 變化對集電極電流脈沖波以及 0c I , m c I 1和 m c U 1的影響與 bm U 變化引起的影響類似。如圖

18、 7,在欠壓狀態(tài)改變 b E , 可控制 高頻輸出電壓,這就是基極偏壓調(diào)幅的原理。54321b b b b b E E E E E <<<< (3集電極電源 c E 對放大器的影響設(shè) b E 、 bm U 、 e R 不變。當(dāng) b E 、 bm U 不變時, bm b be U E U +=max 也不變,若 e R 不變, 則 ce c U i -坐標平面上的 c i 的動特性的斜率也不變。假設(shè)放大器原來工作在臨界狀態(tài),則當(dāng) c E 增大, c i 動特性向右平行移動,放大器將工 作與欠壓狀態(tài)。反之, c E 減小, c i 動特性向左平行移動,放大器工作于過壓狀態(tài)。

19、如圖 8所示。當(dāng) 2c c E E >時,放大器工作在欠壓狀態(tài)。由于 max be U 不變,所以 c E 減小而使得 cem U 減小 時, max c i 略有下降, 變化也很小,故 m c I 1、 0c I 隨 c E 減小而略有下降。這樣,欠壓狀態(tài), c E 對 m c I 1不能有效控制。當(dāng) 2c c E E <時, 工作在過壓狀態(tài)。 集電極電流脈沖的凹度就越深, 這樣, m c I 1、 0c I 隨 c E 降低而明顯減小, 并且 c E =0時, m c I 1、 0c I 均為 0。 由于過壓狀態(tài)改變 c E 能明顯改變 m c I 1的 大小,從而也能改變高頻

20、輸出電壓 m c U 1,這就是集電極調(diào)幅的原理。通過上述分析,得出下列結(jié)論:第一 . 在欠壓區(qū),輸出功率隨 e R 增大而增大,集電極損耗功率隨 e R 減小而增大, (out c P P P -=0 , 當(dāng) e R 較小時,有可能使 c P 上升超過晶體管的最大管耗 max c P而損壞晶體 管,因此, 在調(diào)試放大器功率電路時,為了防止集電極諧振回路失諧而損壞晶體管,常采用 降低電源電壓 c E 值的辦法便于放大器工作在過壓狀態(tài)下進行調(diào)試。第二.在過壓區(qū), 0c I 隨 e R 的減少而迅速增加,這對集電極諧振回路的調(diào)諧提供了一個標 準。在調(diào)諧時,適當(dāng)降低 c E 的值,使放大器工作在過壓

21、狀態(tài)。調(diào)節(jié)諧振回路,當(dāng) 0c I 為最小 時,說明電路諧振于工作頻率。 四、實驗電子線路如圖 9所示,輸入信號頻率為 4MHz ,電源電壓為cE =15V,輸入信號由高頻信號發(fā)生器 產(chǎn)生,經(jīng)過 BG1,BG2三極管放大推動未級功放管 BG3。 BG1集電極輸出信號經(jīng) L1、 C7、 C8組成的 T 型匹配電路接 BG3基極。輸出是由 L 和 C10組成的諧振回路,諧振于 4MHz 頻率。 當(dāng)開關(guān) K1撥在“天線”時 , 其負載就是天線。當(dāng)開關(guān) K1撥到 R 時,表示以電阻作為輸出負載。本實驗要求在 75負載電阻上,使信號bU =0.6V,輸出功率最大值。 五、實驗內(nèi)容及步驟(一仔細閱讀本實驗線

22、路圖;(二熟悉需測試點的位置,高頻信號發(fā)生器輸出 bm U 信號的幅度選在 0.6V 左右; (三丙類功放工作狀態(tài)的調(diào)整1.將開關(guān) K1撥到“ R ”時, K2撥到“ 4” , 75電阻作為輸出負載,電源 c E =15V減少 到 10V ,適當(dāng)?shù)臏p小輸入信號幅度,先分別諧振輸出和輸入耦合電路,使放大器滿足諧振和 匹配,可用觀察 0c I 為最小或 L R 上的輸出信號幅度為最大的辦法進行調(diào)諧。2.若電路已調(diào)到諧振,則可將 c E 加大至 15V ,并增加輸入信號幅度或 b U =0.6V,使得輸出功率最大。 LLL R U P 2=。(四 研究直流電源電壓 c E 對 L P 的影響。保持

23、1c E =12V, 輸入 bm U =0.6V幅度不變。 將 c E 由 3V 逐漸增加至 15V, 測出相應(yīng)的 L V值。填入下表。并作出 c L E P -曲線分析圖與 0c c I E -曲線分析圖。 (五 研究輸入信號幅度 bm U 對 L P 和集電極效率 的影響。L R =75、 c E =15V不變,改變 bm U 值,測出相應(yīng)的 L V 和 0c I 值;根據(jù)測出的結(jié)果作出bm U -L P 和 bm U -曲線圖,并進行定性分析。 (六研究 L R 對 L P 的影響保持 bm U 不變 =0.6V。將開關(guān) K2從“ 1” -“ 8”順次轉(zhuǎn)動;此時 L R 值從小到大,測出相 應(yīng)的 L V 值 , 填入下表并畫 R L -P L 曲線圖。 (七觀察高頻輻射現(xiàn)象將開關(guān) K1撥至天線,用 75天線代替, 75負載電阻,觀察天線靠近和遠離示波器輸 入端。增大或減小輸出功率(改變 bm U 和 c E 時高頻輻射現(xiàn)象 。六、預(yù)習(xí)要求及思考題:(一復(fù)習(xí)高頻丙類功率放大器的工作原理。 (二認真閱讀本實驗指導(dǎo)內(nèi)容 (三回答下列問題:1