高频功率放大器

实验二实验二 高频丙类功率放大器高频丙类功率放大器 一一 实验目的实验目的 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 二 实验教学重点及难点实验教学重点及难点 丙类功放静态工作点 基极电压 与甲类放大器区别 负载变化对输出功率丙类功放静态工作点 基极电压 与甲类放大器区别 负载变化对输出功率 的影响 输出匹配滤波器选择及设计 的影响 输出匹配滤波器选择及设计 三 三 参考资料参考资料 1 王卫东 模拟电子技术基础 电子工业出版社 2010 5 2 王卫东 高频电子线路 电子工业出版社 2009 3 3 卓圣鹏 高频电路设计与制作 科学出版社 2006 8 四 四 教学过程教学过程 1 讲解实验原理 2 介绍各实验仪器 3 讲解实验内容与步骤 4 实验报告要求 5 布置思考题 五 实验原理五 实验原理 1 高频谐振功率放大器的工作原理 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 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 2 1 丙类放大器原理图 图 2 2 ic 与 ub 关系图 图 2 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 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 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 IC1mCOS t IC2MCOS2 t ICnMCOSn t 通过滤波 选出所需要的基波分量 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 700 800左右 2 基本关系式 丙类功率放大器的基极偏置电压 VBE是利用发射极电流的直流分量 IEO ICO 在射极电阻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 集电极的输出电流 iC为余弦脉冲波 利用谐振回 i v 路 LC 的选频作用可输出基波谐振电压 vc1 电流 ic1 图 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 011 RIV mcmc 式中 为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅 为集电极基 mc V 1mc I 1 波电流振幅 为集电极回路的谐振阻抗 0 R 0 2 1 0 2 111 2 1 2 1 2 1 R V RIIVP mc mcmcmcC 式中 PC为集电极输出功率 COCCD IVP 式中 PD为电源 VCC供给的直流功率 ICO为集电极电流脉冲 iC的直流分 量 放大器的效率为 CO mc CC mc I I V V 11 2 1 图 2 3 丙类功放的基极 集电极电流和电压波形 3 负载特性 当放大器的电源电压 VCC 基极偏压 vb 输入电压 或称激励电压 vsm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 2 4 所示 由图可见 当交流负载线正好穿过静态特性转移点 A 时 管子的集电极电 压正好等于管子的饱和压降 VCES 集电极电流脉冲接近最大值 Icm 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 用 R0表示 即 0 2 0 2 P VV R CESCC 当 Rq R0时 放大器处于欠压状态 如 C 点所示 集电极输出电流虽然较 大 但集电极电压较小 因此输出功率和效率都较小 当 Rq R0时 放大器处 于过压状态 如 B 点所示 集电极电压虽然比较大 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 CEScmCC VVV 图 2 4 谐振功放的负载特性 bm bbbz U VV COS 4 高频功率放大器电路分析 C3018 C3019 C3020 C3021 L3006 L3008 L3009 R3012 A3001 C3012 C3013 L3007 C3016 P3003 P3004 RL3001 75 RL3002 51 RL3003 39 C3017 M3003 C3014 M3005 C3022 P3006 V3003 C3023 CT3003 CT3004 CT3005 R3015 R3016R3014 P3005 GND GND C3013 SW3002 T3001 C3026 R3018 RL3004 2 3 4 1 J3002 L3006 M3004 6 12V可可可可 GND 2 1 3 J3001 2 1 3 J3003 2 1 3 J3004 图图 2 5 高频丙类功放驱动级电路原理图高频丙类功放驱动级电路原理图 图 2 5 给出了高频谐振功率放大器驱动级的原理图 本实验电路与小信 号调谐放大器有一定的相似性 可参考实验一的分析方法 C3001 C3003 C3002 C3005 C3008 C3009 C3010 C3024 R3003 R3002 V3001 GND GND GNDGND GND C3025 P3002 R3006R3009 R3007 C3012 L3001 C3004 L3002 CT3001 R3005 Rp3001 L3003 R3010 C3011 2 2 1 1 CT3002 L3004 C3015 L3005 GND R3008 R3017 LE D3001 GND P3001 M3002 C3007 M3001 V3002 R3004 R3001 C3006 12V SW3001 CT3000 R3019 GND GND GND R3020 C3028 C3027 Rp3002 LE D3002 C3029 GND GND 1 Vout 2 IN 3 U3001 R3021 D3002 D3001 GND 15V L3010 C3031 C3030 GND 入入入入入 6 12V 图 2 6 驱动电路与可调电源电路 功放输出级电路连接了 6 12V 可调电源 以完成集电极调制特性 的实验 特别注意丙类状态与甲类放大器静态工作点的不同 5 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或微 过压状态 以获取最大的输出功率和较大工作效率 六 实验仪器六 实验仪器 1 双踪示波器 2 扫频仪 3 频谱仪 4 高频信号发生器 5 高频毫伏表 6 万用 表 7 TPE TXDZ 实验箱 实验区域 C 区 高频丙类功率放大器 七 实验步骤及测试方法七 实验步骤及测试方法 1 测试高频谐振功率放大器的激励特性 1 参见图 2 5 图 2 6 按下功放电路的电源开关 测量电源电压为 12V 测试各级晶体管的工作点是否正常工作点是否正常 注意 当没有信号输入时 功放管的功放管的 基极电压是基极电压是 0V0V 2 连接电路 将滑动开关 J3001 的滑块拨向下端 使 J3001 的 1 3 端相连 这样就使得功放的输出连接成变压器耦合输出方式 将滑 动开关 J3002 的滑块拨向中间位置 使负载电阻 RL3002 51 接入电路 3 将信号源的输出频率调整为 40 7MHz 输出信号的峰峰值调 整为 200mV 通过连接电缆 将信号输出到 P3002 M3001 端 高频功放 驱动级输入端 4 改变输入信号幅度 使 Ubm由 1Vpp 开始 以 1V 为阶步进 观测 50 欧姆负载处输出信号 将示波器探头 示波器探头 1010 1 1 连接到 M3004 丙类功 放输出端 观测输出波形 Uo 若用频谱仪测量 必须断开负载电阻 若用频谱仪测量 必须断开负载电阻 51 51 5 将实测数据填入表 2 1 中 并根据测试数据绘制出 Ubm Uo特性曲 线 并根据测试数据结果作出高频功放电路的激励特性结论 实验过程 中 必须连接负载必须连接负载 且不可使功放级集电极电流过大 超过 超过 30mA30mA 以 免使末级功放管过热损坏 表表 2 12 1 激励电压与输出电压实测数据激励电压与输出电压实测数据 Ubm VP P 123456 UO VP P IC mA 测试条件 EC 12V f0 40 7MHz 2 测试高频谐振功率放大器的负载特性 1 参见图 2 5 2 6 按下功放电路的电源开关 测量电源电压为 12V 测试各级晶体管的工作点是否正常工作点是否正常 注意 当没有信号输入时 功功 放管的基极电压是放管的基极电压是 0V0V 2 将信号源的输出频率调整为 40 7MHz 输出信号的峰峰值调 整为 200 300mV 连接电路 使 J3001 的 1 3 端相连 这样就使得功 放的输出连接成变压器耦合输出方式 将滑动开关 J3002 的滑块拨向 中间位置 使负载电阻 51 接入电路 调整信号源输出幅度 使电 路处于最佳状态 即临界或微过压状态 最佳状态 即临界或微过压状态 记录此时的输出幅值 用 示波器测量 集电极电流 并记录 表表 2 22 2 负载与输出电压实测数据负载与输出电压实测数据 RL 实测数据计算结果 3 3 集电极调制特性的测试 1 参见图 2 5 2 6 按下功放电路的电源开关 测量电源电压为 12V 测试各级晶体管的工作点是否正常工作点是否正常 注意 当没有信号输入时 功放管的基极电压是功放管的基极电压是 0V0V 2 将信号源的输出频率调整为 40 7MHz 输出信号的峰峰值调整为 200 300mV 连接电路 将功放管的输出连接变压器耦合输出方式 使 负载电阻 51 接入电路 3 调整信号源输出幅值 使功放电路调整至最佳状态 通过频谱仪观 察 4 调整可调电源的电位器 用万用表测试 黑表笔接地 红表笔接载 C3017 的上端 从 6V 变化至 12V 测试输出电压幅值的变化 并记录 在表 2 3 中 表表 2 32 3 集电极调制特性实验记录表集电极调制特性实验记录表 4 4 形滤波器网络输出形式电路的实验 选做 1 将滑动开关 J3001 的滑块拨向上端 使 J3001 的 1 2 端相连 这样 就使得功放的输出连接成 形滤波器网络的输出形式 2 将滑动开关 J3003 的滑块拨向下端 接通负载电阻 51 ICO A VL P P V VCC V PS mW PL mW 51 Ucc6789101112 UO VP P IC mA 3 可调电源调整为 12V 不变 将信号源的输出频率调整为 40 7MHz 输出信号的峰峰值调整为 200mV 通过连接电缆 将信号输出到 P3002 M3001 端 4 将示波器探头 2 10 1 连接到 M3004 观测输出波形 Uo 调整输 入信号幅值 使功放电路的输出电压幅值大约在 10Vpp 左右 5 将输入信号改为调幅信号 调制信频率为 5KHz 调幅度 30 观 察输出信号 若有失真 则需减小输入信号幅值 6 将滑动开关 J3003 的滑块拨向上端 断开负载电阻 51 将 50 同轴电缆通过连接器连接到 Q9 座上 将电缆的另一端连接到 功率计或频谱分析仪上 观察信号频谱和输出功率 7 当进行有线传输实验时 应按下 SW3002 以接入 60dB 衰减 8 对于调频信号的实验 在系统连接时再进行 八 实验报告要求及思考题八 实验报告要求及思考题 1 据实验测量结果 计算各种情况下 I0 P0 Pi 2 说明电源电压 输出电压 输出功率的相互关系 3 对实验参数和波形进行分析 说明输入激励电压 负载电阻对工作状态 的影响 4 总结在功率放大器中对功率放大晶体管有哪些要求 5 若谐