實驗一：高頻丙類功率放大器、八 、■前言在高頻范圍內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射機的未級和中間級，它將振蕩產生的信號加以放大，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功率高，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諧振網絡作負載，且一般都是工作于丙類狀態，如果要進一步提高效率，也可工作于丁類或戊類狀態。實驗目的及要求一） 實驗目的1．進一步了解高頻丙類功率放大器的工作原理和調試技術。2．熟悉負載變化對放大器工作狀態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的影響。二） 實驗要求1．認真閱讀本實驗教材及有關教材內容2．熟悉本實驗步驟，并畫出所測數據表格。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框圖2．認真整理記錄測試數據及繪出相應曲線圖。3．對測試結果與理論值進行比較分析，找出產生誤差的原因，提出減少實驗誤差的方法。4．詳細記錄在調諧和測試過程中發生的故障和問題，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。二．實驗儀器及實驗板1．雙蹤示波器（CA8020） 一臺2?高頻信號發生器（XFG-7） —臺3．晶體管直流穩壓電源 一塊4.數字萬用表 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阻抗變換，并且為了提高效率常工作在丙類狀態。高頻功率放大器一般有兩種：1.窄帶高頻功率放大器；2.寬帶高頻功率放大器。前者由于頻帶比較窄，故常用選頻網絡作為負載回路，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。其導通角小于n,其通角小于n/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，Ec為集電極直流電源，Eb為基極負偏置電源。Ub是高頻輸入信號，Ub=Ubmcoswt。可見，只有輸入信號電壓足夠大時，即Ub>Eb+Eb1（Eb1為晶體管截止偏壓）時晶體管才導通。顯然電流的通腳vn/2,集電極電流Ic呈脈沖形狀，這個電流經集電極諧振回路選出Ic的基波分量Ic1，再經過變壓器耦合，在RL±得到一個放大的基波功率。從而實現了丙類功率放大。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Ic，將晶體管的動態轉移特性曲線ic-Ubc用折線gm表示。如圖2所示，由圖2所知：i=g(U—E＇)c m be b=g(U +E＇—E＇)mbmCoswtbbbg為跨導。當wt=0時，i=0。mcE＇-Eb -_cose= Ubm當wt=0時，i=i=g(U+E—E‘)ccmaxmbmbbbE)-Eb=gU(1-mbm=gU(1-mbmUbmbm=gU(1-cos0)mbm由(1)(2)(3)式得出：i=i因為丙類工作狀態的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖是以w為角頻率的周期性函數。故可用付里葉級數求系數方法來表示它的直流、基波分量各次諧波分量的數值。由付氏級數的系數求得：1I=2ncor+xidw1I=2ncor+xidwt=ic cmaxsin0-0cos0

n(1-cos0)I=Cim-x+xicoswtdwt=ic cmax8-sin8cos8n(1-cos0)-xr+x2(sin0cos0-ncosn0)I=c2micosnwtdwt=ic cmaxI=c2micosnwtdwt=ic cmax-x式中可寫成：I=ia(0)a (a (0)、a(0)、a(0)為余弦脈沖電01n流i的分解系數。I=ia(0)Cimcmax1I=ia(0)cnm cmaxn e因此i分解為付氏級數為：ci=I+Icos2wt+Icos2wt+?Icos2wtccoCim c2m cnm在功率放大器中，主要研究它的輸出功率和效率。為什么要工作丙類狀態從三極管輸出功率來看。C+0PoPo= 2ncc-e直流電源供給功率：

Eidut=cc+n三級管輸出功率P=2n<bUEidut=cc+n三級管輸出功率P=2n<bU212nidut=E

cc

Qco1P=2nI2Re二2noutCimcimR^R為折合到集電極諧振回路初級的阻抗。e集電極效率：P1U.?1.cim cion=p二t dc2E?Ic co1Icim1=2§Ico=2§g(e)1可以看出減少管耗Pc,或者提咼z和g］（e）都可以提咼放大器的效率。這是因為：1。要減少集電極損耗功率Pc,則要求減少Uce。當管內有較大電流ic時，Uce應盡量減少，最好在ic整個流通時間內Uce均很小，或者當Uce較大時，要盡量減少集電極電流ic。要提高集電極效率，則要求提高集電極電流電壓利用系數Z。Uclm增大，Z可增大，因為Uclm增大使Uce減小。（Uce=Ec-UclmcosWt）,所以，當ic較大時，Uce的減少使得管子集電極損耗Pc減少，從而提高效率。要提高效率，也可增大g1（e）。e的減少，可使gl（e）增大，于是提高效率。e減少,意味著減少ic與Uce均不為零的時間，從而可用甲，乙，丙3種工作狀態的集電極電壓，電流波形來說明，如圖3所示。9=3r wt g=71/2 cot19=3r wt g=71/2 cot1c圖3甲、乙、丙類三種工作狀態甲類在一個周期中都有ic流通，因而Uce正半周，也有ic,所以管耗大，效率低。乙類ic只有半個周期流通，而且，當放大器的負載為電阻時，ic流通半周正好與Uce負半周相對應，此時，Uce小，因而效率比甲類高。丙類工作時波形，ic流通時間小于半個周期，當集電極諧振回路對激勵信號諧振時，ic僅在Uce負半周瞬時值較大時流過，此時Uce較小，所以丙類比乙類效率高。當e<n/2,是否可能接近于零，得到最高效率呢？當e-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e不能太小，從而限制效率提高。一般情況下e=n/3-7n/18時，相應的集電極效率較大,n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Ec,Eb,Ubm不變的條件下，各種電流輸出電壓，功率和效率等隨Re變化的曲線。因為高頻功率放大器的工作狀態取決于Rc,Ubm,Eb和Ec四個參數。如果保持Ubm,Eb和Ec不變，則工作狀態僅取決于Rc。負載變化對工作狀態的影響如果保持Ubm,Eb和Ec不變則Re變化影響工作狀態的變化如圖3從圖3看出：動特性表示Re較小時，這時Uc1m也較小，動態負載線A1在線性放大區，這種狀態稱為欠壓狀態。在欠壓狀態，ic呈余弦脈沖。動特性隨Rc增加，動態負載線A2在臨界線上，稱這種狀態為臨界狀態，此時ic還是呈余鉉脈沖。3.動特性隨Rc繼續增大，A3也進入飽和區，此時ic呈凹脈沖，這種狀態稱過壓狀態，在過壓狀態，隨Rc增大，ic的幅度也迅速下降，但它的基波輸出電壓振幅基本不變，即Uclm^Ec。負載Re變化對Ico,Icm,Uclm,Pout,Po和n的影響。當維持Ubm,Eb和Ec不變時，放大器Ico,Icm,Uc1m,Pout,Po,Pc和n隨負載阻抗Re變化。因為，Uc1m=Ic1m*Re。如圖5：在欠壓區：Iclm與Ico基本不變，僅隨Re增加略有下降，Uclm也隨Re增加而直線增加，Pc管耗下降。把放大器看成恒流源。在過壓區：Uclm幾乎不變，Ico和Iclm則隨Re的增大也急劇下降。把放大器看成恒流源。從圖4看出：集電極電源輸入功率Po=Eo*Ico。由于Ec不變，因而Po與Re關系曲線和Ico曲線的形狀相同。放大器輸入功率Pout=l/2Iclm*Uclm，Pout與Re關系是根據Uclm、Iclm兩條曲線相乘求出來。在臨界狀態時，Pout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的原因。集電極損耗功率Pc=Po壬out，故Pc曲線由Po與Pout曲線相減得出。在欠壓區，當Re減小，Pc上升很快；當Re=0時，Pc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n=Pout/Po.在欠壓狀態時，Po變化小，所以n隨Pout增加而增加，到臨界狀態后，Pout下降沒有Po快，在過壓狀態時，Pout主要是隨icim急劇下降而下降，因而n也略有下降，故在靠近臨界的弱過壓狀態n出現最大值。3．放大器各級電壓對工作狀態的影響(1)Ubm對工作狀態的影響在討論激勵電壓幅度Ubm的變化對放大器工作狀態影響，設Ec,Eb,Re不變。當Ubm較小時，Ubemax二Eb+Ubm也較小，從ic-Ubc動態特性看出：放大器工作在欠壓狀態，集電極電流為尖頂余弦脈沖。當Ubm增大時，Icmax,Ic1m也增大，，而引起Uce=Ec-Ic1m*Rc的減少。從而使放大器由欠壓狀態過渡到過壓狀態。如圖6所示：為ic-Ubc此稱平面上ic的動特性。為集電極電流脈沖波形。Ic1m,Ico,Icm-Ubm的關系。從圖6可看出：在欠壓狀態時，隨著Ubm的增加，將引起icmax增加，于是Iclm,Ico和Uc1m與Ubm幾乎成正比增加。在過壓狀態時，隨著Ubm的繼續增加，雖然電流脈沖高度繼續增大，但其凹度增大。所以Iclm,Ico在過壓區增加不大。在欠壓區，Uc1m與Ubm成線性關系。(2)Eb變化對工作狀態影響設Ec,Ubm,Re不變。由于Ubemax二Eb+Ubm。所以Eb變化與Ubm變化一樣，都要引用Ubemax的變化。當Ec,Ubm,Re不變時，|Eb丨減小相當于Ubm的增大。這樣，當Eb反向偏置向正向偏置變化時，icmax增大，放大器從欠壓狀態轉入過壓狀態。因此，Eb變化對集電極電流脈沖波以及Ico,Iclm和Uclm的影響與Ubm變化引起的影響類似。如圖7，在欠壓狀態改變Eb,可控制高頻輸出電壓，這就是基極偏壓調幅的原理。Eb1<Eb2<Eb3<Eb4<Eb5集電極電源Ec對放大器的影響設Eb,Ubm,Re不變。當Eb,Ubm不變時,Ubemax二Eb+Ubm也不變，若Re不變，則ic-Uce坐標平面上的ic的動特性的斜率也不變。假設放大器原來工作在臨界狀態，則當Ec增大，ic動特性向右平行移動，放大器將工作與欠壓狀態。反之，Ec減小，ic動特性向左平行移動，放大器工作于過壓狀態。如圖8所示。當Ec>Ec2時，放大器工作在欠壓狀態。由于Ubemax不變，所以Ec減小而使得Ucem減小時，icmax略有下降，0變化也很小，故Iclm,Ico隨Ec減小而略有下降。這樣，欠壓狀態，Ec對Ic1m不能有效控制。當Ec〈Ec2時，工作在過壓狀態。集電極電流脈沖的凹度就越深，這樣，Iclm,Ico隨Ec降低而明顯減小，并且Ec=0時，Iclm,Ico均為0。由于過壓狀態改變Ec能明顯改變Ic1m的大小，從而也能改變高頻輸出電壓Uclm，這就是集電極調幅的原理。通過上述分析，得出下列結論：第一.在欠壓區，輸出功率隨Re增大而增大，集電極損耗功率隨Re減小而增大，(Pc二Po-Pout),當Re較小時，有可能使Pc上升超過晶體管的最大管耗Pcmax而損壞晶體管，因此，在調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，常采用降低電流電壓Ec值的辦法便于放大器工作在過壓狀態下進行調試。第二．在過壓區，Ico隨Re的減少而迅速增加，這對集電極諧振回路的調諧提供了一個標準。在調諧時，適當降低Ec的值，使放大器工作在過壓狀態。調節諧振回路，當Ic。為最小時，說明電路諧振于工作頻率。

如圖8所示，輸入信號頻率為4MHZ,電源電壓為Ec=15V,輸入信號由高頻信號發生器產生，經過BG1,BG2三極管放大推動未級功放管BG3。BG1集電極輸出信號經LI、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。當開關K1撥在“天線”時，其負載就是天線。當開關K1撥到R時，表示以電阻作為輸出負載。本實驗要求在75Q負載電阻上，使信號Ub=0.6V,輸出功率最大值。丙類功率放大器電路圖五．實驗內容及步驟（一） 仔細閱讀本實驗線路圖；（二） 熟悉需測試點的位置，高頻信號發生器輸出Ubm信號的幅度選在0.6V左右;（三） 丙類攻放工作狀態的調整1?將開關K1撥到“R”時，K2撥到“4”，75Q電阻作為輸出負載，電源Ec15V減少到10V,適當的減小輸入信號幅度，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Ico為最小或R上的輸出信號幅度為最大的辦L法進行諧調。若電路已調到諧振，則可將Ec加大至15V，并增加輸入信號幅度或Ub=0.6V,使得輸出功率最大。P=U2/R。LL（四）研究直流電源電壓Ec對PL的影響。保持Ec1=12V,輸入Ubm=0.6V幅度不變。將Ec由3V逐漸增加至15V,測出相應的V值。填入下表。并作出P-Ec曲線分析圖與Ec-Ico曲線分析圖。L LEc(V)3456789101112131415V(V)Ico(mA)P(Mw)（五）研究輸入信號幅度Ubm對P和集電極效率n的影響。保持Rc=75Q、Ec=15V不變，，改變Ubm值，測出相應的V和Ico值；根據測L出的結果作出Ubm-P和Ubm-n曲線圖，并進行定性分析。Ubm(V)0.50.550.60.650.70.80.91.0V(V)Ico(mA)P(mW)n(%)六）研究R對P的影響LL保持Ubm不變=0.6V。將開關K2從“1”-“8”順次轉動；此時R值從小到大,L測出相應的U值,填入下表并畫R-P曲線圖。*（七）觀察高頻輻射現象將開關K1撥至天線，用75Q天線代替，75Q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Ubm和Ec時高頻輻射現象）。六．實驗預習報告要求：（一）復習高頻丙類功率放大器的工作原理。（二）認真閱讀本實驗指導內容（三）回答下列問題：1．判斷本實驗電路是屬于窄帶還是寬帶高頻功率放大器，判斷的依據是什么。2.本實驗電路應工作于 （甲，乙，丙，丁）