高频C4实验指导书.doc

高频电子线路实验指导书 高频C4电子实验箱总体介绍一、概述本高频电子实验箱的实验内容及实验顺序是根据高等教育出版社出版的高频电子线路一书而设计的（作者为张肃文）。在本实验箱中设置了十个实验，它们是：高频小信号调谐放大器实验、二极管开关混频器实验、高频谐振功率放大器实验、正弦波振荡器实验、集电极调幅及大信号检波实验、变容二极管调频实验、集成模拟乘法器应用实验、模拟锁相环应用实验、小功率调频发射机设计和调频接收机设计。其中前八个实验是为配合课程而设计的，主要帮助学生理解和加深课堂所学的内容。后两个实验是系统实验，是让学生了解每个复杂的无线收发系统都是由一个个单元电路组成的。二、整机介绍整机元件分布图如图0-1所示，整机测试点和各调试点分布图如图0-2所示，在图0-2中所列出的是测试点、调试点、电源开关及电源指示等。在实验板的右侧为为实验所需而配备的高低频信号源和频率计。它们不作为实验内容，属于实验工具。高低频信号源和频率计的使用说明如下。1、 频率计的使用方法本实验箱提供的频率计是基于本实验箱实验的需要而设计的。它只适用于频率低于15MHz，信号幅度Vp-p=100mV5V的信号。参看电路原理图G11和整机分布图（原理图中的CG10用于校正显示频率的准确度，WG1用于调节测量的阈门时间，这两个元件均在PCB板的另一面）。使用的方法是：KG1是频率计的开关，在使用时首先要按下该开关；当测低于100KHz的信号时连接JG3、JG4（此时JG2应为断开状态）。当测高于100KHz的信号时连接JG2（此时JG3、JG4应为断开状态，一般情况下都接JG2）。将需要测量的信号（信号输出端）用实验箱中附带的连线与频率计的输入端（ING1）相连，则从频率计单元的数码管上能读出信号的频率大小。数码管为8个，其中前6个显示有效数字，第8个显示10的幂，单位为Hz（如显示10.7000-6时，则频率为10.7MHz）。本频率计的精度为：若信号为MHz级，显示精度为百赫兹。若信号为KHz和Hz级则显示精度为赫兹。2、 低频信号源的使用方法本实验箱提供的低频信号源是基于本实验箱实验的需要而设计的。它包括两部分：第一部分：输出500Hz2KHz信号（实际输出信号范围较宽）；此信号可以以方波的形式输出，也可以以正弦波的形式输出。它用于变容二极管调频单元，集成模拟乘法应用中的平衡调幅单元，集电极调幅单元和高频信号源调频输出。第二部分：输出20KHz100KHz信号（实际输出信号范围较宽）；此信号以正弦波的形式输出。它用于锁相频率合成单元。低频信号源在整机中的位置见整机分布图，电路原理图见附图G8。低频信号源的使用方法如下：电路原理图中的可调电阻WD5用于调节输出方波信号的占空比；WD3、WD4的作用是：在输出正弦波信号时，通过调节WD3、WD4使输出信号失真最小。这三个电位器在实验箱出厂时均已调到最佳位置且此三个电位器在PCB板的另一面。电路原理图中的可调电阻WD6用来调节输出频率的大小；WD1用于调节输出方波信号的大小；WD2用于调节输出正弦波信号大小。在使用时，首先要按下开关KD1。当需输出500Hz2KHz的信号时，参照电路原理图G8连接好JD1、JD4（此时JD2、JD3应断开），则从TTD1处输出500Hz2KHz的正弦波；断开JD4，连上JD3，则从TTD2处输出500Hz2KHz的方波。根据实验的需要用示波器观察，通过调节WD1、WD2获得需要信号的大小，WD1调节方波的大小，WD2调节正弦波的大小；用频率计测量，通过调节WD6获得需要信号的频率。当需输出20KHz100KHz的信号时，参照电路原理图G8连接好JD2、JD4（此时JD1、JD3应断开）。从TTD1处输出20KHz100KHz的正弦波。根据实验的需要用示波器观察，通过调节WD2获得需要信号的大小；用频率计测量，通过调节WD6获得需要信号的频率。3、 高频信号源的使用方法本实验箱提供的高频信号源是基于本实验箱实验的需要而设计的。它只提供10.7MHz的载波信号和约10.7MHz的调频信号（调频信号的调制频偏可以调节）。载波主要用于小信号调谐放大单元、高频谐振功率放大器单元、集电极调幅单元、模拟乘法器部分的平衡调幅及混频单元和二极管开关混频单元。调频信号主要用于模拟乘法器部分的鉴频单元和FM锁相解调单元。参看附原理图G10和整机分布图。晶体振荡输出载波峰峰值不低于1.5V。LC振荡输出载波峰峰值不低于1V。高频信号源的使用方法如下：使用时，首先要按下开关KF1。当需要输出载波信号时，连接JF1（此时JF2、JF3、JF4断开），则10.7MHz的信号由TTF1处输出，WF1用于调节输出信号的大小。当需要输出10.7MHz的调频信号时，连接JF2、JF3、JF4（此时JF1断开，同时使低频信号源处于输出1KHz正弦波的状态，改变低频信号源的幅度就是改变调频信号的频偏，在没有特别要求时，一般低频信号源幅度调为2V，参看低频信号源的使用），则10.7MHz的调制信号由TTF1处输出，WF1用于调节输出信号的大小；低频信号源处的WD2用于调节调制频偏的大小。在具体使用中，通过示波器观察输出信号的大小和形状。实验一 高频小信号调谐放大器一、实验目的小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。在本实验中，通过对谐振回路的调试，对放大器处于谐振时各项技术指标的测试（电压放大倍数，通频带，矩形系数），进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理。学会小信号调谐放大器的设计方法。二、实验内容1、 调节谐振回路使谐振放大器谐振在10.7MHz。2、 测量谐振放大器的电压增益。3、 测量谐振放大器的通频带。4、 判断谐振放大器选择性的优劣。三、实验仪器1、BT-3（G）型频率特性测试仪（选项） 一台2、20MHz模拟示波器 一台3、数字万用表 一块4、调试工具 一套四、实验原理1、原理图1-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1，RB2及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。图1-1 小信号调谐放大器放大器在高频情况下的等效电路如图1-2所示，晶体管的4个y参数yie，yoe，yfe及yre分别为输入导纳 （1-1）输出导纳 （1-2）正向传输导纳 （1-3） 反向传输导纳 （1-4） 图1-2 放大器的高频等效回路式中，gm晶体管的跨导，与发射极电流的关系为 （1-5） gbe发射结电导，与晶体管的电流放大系数及IE有关，其关系为 （1-6） rbb基极体电阻，一般为几十欧姆；Cbc集电极电容，一般为几皮法；Cbe发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流IE，电流放大系数有关外，还与工作频率有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。如在f0=30MHz，IE=2mA，UCE=8V条件下测得3DG6C的y参数为： 如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计计算一般采用工程估算的方法。图1-2中所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即 （1-7）式中，N2为电感L线圈的总匝数。P2为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即 （1-8）式中，N3为副边（次级）的总匝数。gL为调谐放大器输出负载的电导，gL=1/RL。通常小信号调谐放大器的下一级仍为晶体管调谐放大器，则gL将是下一级晶体管的输入导纳gie2。由图1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为 （1-9）式中，G为LC回路本身的损耗电导。谐振时L和C的并联回路呈纯阻，其阻值等于1/G，并联谐振电抗为无限大，则jwC与1/（jwL）的影响可以忽略。2、调谐放大器的性能指标及测量方法表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大倍数，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数来表示）等。放大器各项性能指标及测量方法如下：（1）谐振频率放大器的调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，对于图1-1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），的表达式为 （1-10）式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；为调谐回路的总电容，的表达式为 （1-11）式中， Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容。 谐振频率的测量方法是：用扫频仪作为测量仪器，用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点。（2）电压放大倍数放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数称为调谐放大器的电压放大倍数。的表达式为 （1-12） 式中，为谐振回路谐振时的总电导。因为LC并联回路在谐振点时的L和C的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是本身也是一个复数，所以谐振时输出电压u0与输入电压ui相位差为（180o+ fe）。AV0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1中RL两端的电压u0及输入信号ui的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算： 或 dB (1-13)（3）通频带由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为 (1-14)式中，QL为谐振回路的有载品质因数。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带BW的关系为 (1-15)上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容C为定值时，谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率及电压放大倍数然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压uS不变），并测出对应的电压放大倍数。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图1-3所示。由式（1-14）可得 (1-16)图1-3 谐振曲线 通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。（4）选择性矩形系数调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图（1-3）所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1 AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 AV0时对应的频率偏移之比，即 （1-17）上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数Kv0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。3、实验参考电路图1-4 单级调谐放大器（1）主要技术指标：谐振频率fo=10.7MHz，谐振电压放大倍数AV010-15 dB，通频带BW=1 MHz，矩形系数Kr0.110。因fT比工作频率fo大（510）倍，所以选用3DG12C，选=50，工作电压为12V，查手册得rbb=70, CbC=3PF，当IE=1.5mA时Cbe为25PF，取L1.8H，变压器初级N2=23匝，次级为10匝。P2=0.43, P1=0（2）确定电路为单级调谐放大器，如上图1-4。（3）确定电路参数。a、设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般选取0.82mA为宜，现取=1.5mA，=2.25V，=9.75V。则 则=1.5K取流过的电流为基极电流的7倍，则有： 取18 K则 则取=5.1K WA1选用50K的可调电阻以便调整静态工作点。b、计算谐振回路参数 由式（1-6）得 由式（1-5）得 由式（1-1）（1-4）得4个y参数由于则有 =1.373ms 因 则有 c、计算回路总电容，由（1-10）得由（1-11） 得则有=119pF，取标称值120pF d、确定耦合电容及高频滤波电容高频电路中的耦合电容及滤波电容一般选取体积较小的瓷片电容，现取耦合电容=0.01F，旁路电容=0.1F，滤波电容=0.1F五、实验步骤本实验中，用到BT-3和频谱仪的地方选做。参考所附电路原理图G6。先调静态工作点，然后再调谐振回路。1、按照所附电路原理图G6，按下开关KA1，接通12V电源，此时LEDA1点亮。2、调整晶体管的静态工作点：在不加输入信号（即ui=0），将测试点TTA1接地，用万用表直流电压档（20V档）测量三极管QA1射极的电压（即测P6与G两焊点之间的电压，见图02所示），调整可调电阻WA1，使uEQ=2.25V（即使IE=1.5mA），根据电路计算此时的uBQ，uCEQ，uEQ及IEQ值。3、调谐放大器的谐振回路使它谐振在10.7MHz方法是用BT-3频率特性测试仪的扫频电压输出端和检波探头，分别接电路的信号输入端TTA1及测试端TTA2，通过调节y轴，放大器的“增益”旋钮和“输出衰减”旋钮于合适位置，调节中心频率刻度盘，使荧光屏上显示出放大器的“幅频谐振特性曲线”，根据频标指示用绝缘起子慢慢旋动变压器的磁芯，使中心频率f0=10.7MHz所对应的幅值最大。如果没有频率特性测试仪，也可用示波器来观察调谐过程，方法是：在TTA1处由高频信号源提供频率为10.7MHz的载波（参考高频信号源的使用），大小为Vp-p-=20100mV的信号，用示波器探头在TTA2处测试（在示波器上看到的是正弦波），调节变压器磁芯使示波器波形最大（即调好后，磁芯不论往上或往下旋转，波形幅度都减小）。4、测量电压增益 在有BT-3频率特性测试仪的情况下用频率特性测试仪测测量方法如下：在测量前，先要对测试仪的y轴放大器进行校正，即零分贝校正，调节“输出衰减”和“y轴增益“旋钮，使屏幕上显示的方框占有一定的高度，记下此时的高度和此时“输出衰减”的读数N1dB，然后接入被测放大器，在保持y轴增益不变的前提下，改变扫频信号的“输出衰减”旋钮，使谐振曲线清晰可见。记下此时的“输出衰减”的值N2dB，则电压增益为dB若用示波器测，则为输出信号的大小比输入信号的大小之比。如果AV01较小，可以通过调静态工作点来解决（即增大）。在无BT-3频率特性测试仪的情况下，可以由示波器直接测量。方法如下：用示波器测输入信号的峰峰值，记为Ui。测输出信号的峰峰值记为Uo。则小信号放大的电压放大倍数为Uo/Ui。5、测量通频带BW用扫频仪测量BW：先调节“频率偏移”（扫 频宽度）旋钮，使相邻两个频标在横轴上占有适当的格数，然后接入被测放大器，调节“输出衰减”和y轴增益，使谐振特性曲线在纵轴占有一定高度，测出其曲线下降3dB处两对称点在横轴上占有的宽度，根据内频标就可以近似算出放大器的通频带6、测量放大器的选择性放大器选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数Kr0.1表示用5）中同样的方法测出B0.1即可得： 由于处于高频区，分布参数的影响存在，放大器的各项技术指标满足设计要求后的元件参数值与设计计算值有一定的偏差，所以在调试时要反复仔细调整才能使谐振回路处于谐振状态。在测试要保证接地良好。六、实验报告要求1、整理好实验数据，用方格纸画出幅特性曲线。2、思考：引起小信号谐振放大器不稳的原因是什么？如果实验中出现自激现象，应该怎样消除？实验二 二极管开关混频器实验一、实验目的进一步掌握变频原理及开关混频原理。掌握环形开关混频器组合频率的测试方法。了解环形开关混频器的优点。二、实验内容1、 观察环形混频器输出和陶瓷滤波器输出各点的波形。2、 测量输出回路。3、 观察混频器的镜像干扰。三、实验仪器1、频谱分析仪（选项） 一台2、20MHz双踪模拟示波器 一台3、万用表 一块4、调试工具 一套四、实验原理1、环形开关混频器的工作原理变频器的原理方框图如图21所示。图21 变频原理方框图图中i 为信号电压，L 为本地振荡电压。当这两个不同频率的正弦电压，同时作用到一个非线性元件上时，就会在它的输出电流中，产生许多组合频率分量，选用适当的滤波器取出所需的频率分量o ，此时就完成了频率变换，这就是变频原理。根据所选用的非线性器件不同，可以组成不同的混频器。如二极管混频器、晶体管混频器、场效应管混频器和差分对管混频器等。这些混频器各有其优缺点。随着生产和科学技术的发展，人们逐渐认识到由二极管组成的平衡混频器和环形混频器较之晶体管混频器具有：动态范围大、噪声小；本地振荡无辐射、组合频率少等优点，因而目前被广泛采用。如果把本振电压取得较大（约0.61伏），使二极管工作在导通、截止的开关状态，则这种由二极管组成的混频器性能会更好。二极管的开关作用可用以下单位开关函数式来描述：则二极管的电流可表示成：g D 为二极管的导通电导，D 为加在二极管上的电压。下面就以图22所示的环形混频器为例，分析它工作在开关状态的原理。图2-2 环形混频原理图把本图与典型的环形混频器电路相比，本振输出与中频输出的位置互换了；D1 D4 是经挑选具有相同参数的二极管,则认为它们都有相同跨导g D ；两个高频变压器线圈匝数均为12，所以次级电压为初级电压的两倍。由于本振电压起着开关作用，在本振电压的正半周，D2、D3导通；负半周，D1、D4 导通，其等效电路如图23所示。 （a）正半周 （b）负半周图2-3 工作原理图在本振电压正半周的输出电流为：负半周的输出电流为：所以，总的输出电流为： （2-1）式中的S*（t）也是受本振电压控制的单位开关函数，只是S*（t）的时间比S（t）落后T0/2（相位落后）。它们的变化周期就是本振电压L的周期，如图24所示。图2-4 与的关系设 s = Vsmsinst L = VLmsinLt (2-2) 则和 可用付里叶级数展开为： (2-3) （2-4）由（2-3）、（2-4）式可得： （2-5） （2-6）将（2-5）、（2-6）式代入（2-1）式得： (2-7)从（2-7）式可以看出：环形开关混频器工作在开关状态时，输出电流中的组合频率只有本振电压的奇次谐波与信号电压频率的基波的组合，用一通式表示组合频率为其中p=0、1、2、。即使环形混频器不工作在开关状态时，它的输出电流也只含有本振电压的奇次谐波与信号电压的奇次谐波的组合，也可用通式来表示，其中p=1、2、3、。较之其他的混频器，组合频率干扰少是其突出的优点之一。从（2-7）式，我们还可以找出中频电流分量为： (2-8)式中第二项是负载电压反作用所引起的中频电流。同理，我们还可以从图23中分析知道，总的输入信号电流为： 从而可以得出信号电流成分为： (2-9)把（2-8）、（2-9）两式中的电流电压写成复数形式，得： 与它对应的等效电路如图（25）所示：图2-5 等效电路图图中： 网络特性阻抗 根据等效电路，不难求得此混频器的增益：当环形混频器的负载开路时，即RL，gL0这时由此可见,环形混频器没有变频增益，只有衰减，最大的KVC0.64，这也是它的缺点。在全匹配条件下，即gL=gc，gs=gc，功率增益最大为：2、实验电路原理图如附图G7，图中MIX41为集成环形开关混频器，型号为HSPL1。其内部电原理如图2-6。图2-6 集成环形开关混频器内部电路原理图封装外引脚功能如下：1 3 5 7 2 4 6 8其中，1脚为射频信号输入端，8脚为本振信号输入端，3脚、4脚为中频信号输出端，2、5、6、7接地。本混频器的本振输入信号在+3dBm +13 dBm之间，用高频信号源输入本振信号，频率选为10.7MHz，而射频信号是由正弦振荡部分产生的10.245 MHz的信号。输出取差频10.7-10.245=455KHz信号，经过455KHz的陶瓷滤波器FL41进行滤波，选取中频信号，因信号较弱，经Q41进行放大。此放大电路的静态工作电流为ICQ=7mA(VE=3.36V)。选R414=RE=470,取RC=R412=560。R411=3.6K。R410=5.1K。W41=5.1K。其中R41，R42，R43；R45，R44，R46；R48，R47，R49组成隔离电路。因为频率较高，信号较强，且信号引入较长，存在一定感应，在输出可能存在一定强度的本振信号和射频信号。五、实验步骤因混频器是一非线性器件，输出的组合频率较多，为了能更好地观察输出信号，建议使用频谱分析仪来对混频器输出端的信号进行测试。1、 熟悉频谱分析仪的使用。2、 调整静态工作点：按下开关K41，调节电位器W41使三极管Q41的UEQ=3.36V（即测P1与G两焊点之间的电压，见图02所示）。3、 参照附图G7，接通射频信号（从IN42输入），射频信号选用10.245MHz，此信号由正弦振荡部分产生（产生的具体方法是：参见正弦振荡部分的原理图G5，连接J54、J53；其余插键断开，也就是说，由10.245MHz晶体产生该信号，信号从TT51输出）。 4、 输入本振信号：从IN41注入本振信号, 本振信号由信号源部分提供，频率为10.7MHz的载波信号（产生的方法参考高频信号源的使用），大小为：用示波器观测，Vp-p不小于300mV。5、 验证环形开关混频器输出组合频率的一般通式（选做）。用频谱仪在TT41处观察混频器的输出信号，验证环形开关混频器输出组合频率的一般通式为 （p=0、1、2）同时用示波器在TT41处观察波形。6、测量输出回路：用频谱仪在TT43处（测量点参看总体测量分布图0-1）观察步骤5所测到的频率分量，计算选频回路对除中频455KHz之外的信号的抑制程度，同时用示波器在TT42处观察输出波形，比较TT41与TT42处波形形状。（输出的中频信号为信号源即IN41处信号和射频信号IN42处信号的差值，结果可能不是准确的455KHz，而在其附近）。7、观察混频器的镜像干扰IN41处信号不变。由正弦振荡单元的LC振荡部分产生11.155MHz的信号（产生的具体方法参见正弦振荡部分实验内容），作为IN42处的输入信号。观察TT42处的信号是否也为455KHz。此即为镜像干扰现象。六、实验报告内容1、整理本实验步骤5、6中所测得的各频率分量的大小，并计算选频电路对中频以外的分量的抑制度。2、绘制步骤5、6中分别从TT41、TT42处用示波器测出的波形。3、说明镜像干扰引起的后果，如何减小镜像干扰？实验三 高频谐振功率放大器一、实验目的1、 进一步理解谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状态的影响。2、 掌握谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。二、实验内容1、 调试谐振功放电路特性，观察各点输出波形。2、 改变输入信号大小，观察谐振功率放大器的放大特性。3、 改变负载电阻值，观察谐振功率放大器的负载特性。三、实验仪器1、BT-3频率特性测试仪（选项） 一台2、高频电压表（选项） 一台3、20MHz双踪模拟示波器 一台4、万用表 一块5、调试工具 一套四、实验原理1、电路的基本原理利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的=180，效率最高也只能达到50%，而丙类功放的 90，效率可达到80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。图3-1 高频功率放大器图3-1为由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路，其中晶体管Q1组成甲类功率放大器，晶体管Q2组成丙类谐振功率放大器，这两种功率放大器的应用十分广泛，下面介绍它们的工作原理及基本关系式。1、甲类功率放大器 (1）静态工作点 如图3-1所示，晶体管Q1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中RB1、RB2为基极偏置电阻；RE1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。RF1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。电路的静态工作点由下列关系式确定： （3-1） 式中，RF1一般为几欧至几十欧。 （3-2） （3-3） （3-4） (2）负载特性 如图3-1所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0可表示为： （3-5） 式中，PH为输出负载上的实际功率，B为变压器的传输效率，一般为B=0.750.85。 图3-2 甲类功放的负载特性 图3-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻RH称为最佳负载电阻。集电极的输出功率PC的表达式为： (3-6)式中，ucm为集电极输出的交流电压振幅，Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别为 ucm = ucc - ICQRE1 - uCES （3-7）式中，uCES称为饱和压降，约1V IcmICQ （3-8）如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则 (3-9)式中，RH为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。（3）功率增益与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，对于图3.1所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益Ap的表达式为 （3-10）其中，Pi为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为 (3-11) 式中，Ri又可以表示为 (3-12)式中，hie为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻rbb 。hfe为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数。2、丙类功率放大器 （1）基本关系式如图3-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压uBE是利用发射极电流的直流分量IEO（ICO）在射极电阻RE2上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号为正弦波时，则集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2C3的选频作用可输出基波谐振电压uc1,电流ic1。图3-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式： (3-13)图3-3 丙类功放的基极、集电极电流和电压波形 式中, 为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅；为集电极基波电流振幅；Ro为集电极回路的谐振阻抗。 (3-14)式中，PC为集电极输出功率 (3-15)式中，PD为电源供给的直流功率； ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。电流脉冲ic经傅立叶级数分解，可得峰值Icm与分解系数的关系式a1 (3-16) 分解系数与的关系 如图3-4所示。 放大器集电极的耗散功率PC为PC=PD - PC （3-17） 放大器的效率为 (3-18)式中：称为电压利用系数。图3-5 输入电压与集电极电流波形 图3-5为功放管特性曲线折线化后的输入电压ube与集电极电流脉冲ic的波形关系。由图可得： （3-19）式中：uj为晶体管导通电压（硅管约为0.6V，锗管约为0.3V） ubm为输入电压（或激励电压）的振幅。 uB为基极直流偏压。 （3-20）当输入电压ube大于导通电压uj时，晶体管导通，工作在放大状态，则基极电流脉冲Ibm与集电极电流脉冲Icm成线性关系，即满足 （3-21）因此基极电流脉冲的基波幅度Ib1m及直流分量Ibo也可以表示为 （3-22）基极基波输入功率Pi为 (3-23)放大器的功率增益Ap为 (3-24)丙类功率放大器的输出回路采用了变压器耦合方式，其等效电路如图3-6图3-6 变压器耦合电路所示，集电极谐振回路为部分接入，谐振频率为 (3-25)谐振阻抗与变压器线圈匝数比为 (3-26)式中，N1为集电极接入初级匝数。 N2为初级线圈总匝数。 N3为次级线圈总匝数。QL为初级回路有载品质因数，一般取210。两类功率放大器的输入回路亦采用变压器耦合方式，以使输入阻抗与前级输出阻抗匹配。分析表明，这种耦合方式的输入阻抗为 (3-27) 式中，为晶体管基极体电阻25。(2）负载特性当功率放大器的电源电压+ucc，基极偏压ub，输入电压C或称激励电压usm确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图3-7所示，由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降uCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。图3-7 谐振功放的负载特性此时，集电极输出的功率Pc和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。Rq所对应的值称为最佳负载电阻值，用R0表示，即 (3-28)当Rq R0时，放大器处于过压状态，如B点所示，集电极电压虽然较大，但集电极电流波形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是： （3-29）式中，ucm集电极输出电压幅度。uCES晶体管饱和压降。3、主要技术指标及测试方法(1)输出功率高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。对于图3-1所示的电路中，由于负载RL与丙类功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式，实现了阻抗匹配，则集电极回路的谐振阻抗RO上的功率等于负载RL上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频放大器的输出功率，即测量功率放大器的主要技术指标的连接电路如图3-8所示，其中高频信号发生器提供激励信号电压与谐振频率，示波器监测波形失真，直流毫安表mA测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载RL的端电压。只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。可以通过高频电压表V及直流毫安表mA的指针来判断集电极回路是否谐振，即电压表V的指示为最大，毫安表mA的指示为最小时集电极回路处于谐振。当然用扫频仪测量回路的幅频特性曲线，使中心频率处的幅值最大也可以。图3-8 高频功放的测试电路放大的输出功率可以由下式计算： (3-30) 式中，uL为高频电压表V的测量值。(2)效率高频功率放大器的总效率由晶体管集电极的效率和输出网络的传输效率决定。而输出网络的传输效率通常是由电感、电容在高频工作时产生一定损耗而引起的。放大器的能量转换效率主要由集电极的效率所决定。所以常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率，用表示，即 (3-31) 利用图3-8所示电路，可以通过测量来计算功率放大器的效率，集电极回路谐振时，的值由下式计算： (3-32)式中，uL为高频电压表的测量值；ICO为直流毫安表的测量值。(3)功率增益放大器的输出功率Po与输入功率Pi之比称为功率增益，用Ap（单位：dB）表示，见式（3-10）。4、电路的确定(1)本实验由两级组成：激励级由甲类功放组成，功放级由丙类功放组成，电源供电为12V，功放管使用3DG12C。本实验主要技术指标：输出功率P0 125mw，工作中心频率f0 = 10.7MHz，负载RL=50。(2)确定电路和参数激励级QE1采用甲类放大，因此基极偏压采用固定偏压形式，静态工作点ICQ=7mA。直流负反馈电阻为300，交直流负反馈电阻为10，集电极输出由变压器耦合输出到下一级。谐振电容取120P，根据前面的理论推导，变压器TE1的参数为N初级N次级=2.56， 初级取18匝，次级取7匝。功放级QE2采用丙类放大。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