高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
進(jìn)一步掌握高頻諧振功率放大器的工作原理。
掌握諧振功率放大器的調(diào)諧特性和負(fù)載特性。
掌握激勵(lì)電壓、集電極電源電壓及負(fù)載變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響。
二、實(shí)驗(yàn)使用儀器
1．小信號(hào)調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬(wàn)用表
三、實(shí)驗(yàn)基本原理與電路
1.高頻諧振功率放大器原理電路
高頻諧振功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它可以將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。高頻諧振功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件，其作用是放大信號(hào)，使之達(dá)到足夠的功率輸出，以滿足天線發(fā)射和其它負(fù)載的要求。
高頻諧振功率放大器研究的主要問(wèn)題是如何獲得高效率、大功率的輸出。放大器電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ＝180，效率η最高為50％，而丙類功放的θ＜90°，效率η可達(dá)到80％。諧振功率放大器采用丙類功率放大器，采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的丙類功率放大器稱為高頻諧振功率放大器。
圖中ub為輸入交流信號(hào)，EB是基極偏置電壓，調(diào)整EB，改變放大器的導(dǎo)通角，以改變放大器工作的類型。EC是集電極電源電壓。集電極外接LC并聯(lián)振蕩回路的功用是作放大器負(fù)載。放大器工作時(shí)，晶體管的電流、電壓波形及其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9-2所示。晶體管轉(zhuǎn)移特性如圖2.2中虛線所示。由于輸入信號(hào)較大，可用折線近似轉(zhuǎn)移特性，如圖中實(shí)線所示。 圖中
為管子導(dǎo)通電壓，gm為特征斜率。設(shè)輸入電壓為一余弦電壓，即
ub=Ubmcosωt
則管子基極、發(fā)射極間電壓uBE為
uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt
在丙類工作時(shí)，EB<
，在這種偏置條件下，集電極電流iC為余弦脈沖，其最大值為iCmax，電流流通的相角為2θ，通常稱θ為集電極電流的通角，丙類工作時(shí)，θ<π/2 。把集電極電流脈沖用傅氏級(jí)數(shù)展開，可分解為直流、基波和各次諧波iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…
式中，IC0為直流電流，Ic1m、Ic2m分別為基波、二次諧波電流幅度。
諧振功率放大器的集電極負(fù)載是一高Q的LC并聯(lián)振蕩回路，如果選取諧振角頻率ω0等于輸入信號(hào)ub的角頻率ω，那么，盡管在集電極電流脈沖中含有豐富的高次諧波分量，但由于并聯(lián)諧振回路的選頻濾波作用，振蕩回路兩端的電壓可近似認(rèn)為只有基波電壓，即
uc=Ucmcosωt=Ic1mRecosωt
式中，Ucm為uc的振幅；Re為L(zhǎng)C回路的諧振電阻。在集電極電路中，LC振蕩回路得到的高頻功率為
集電極電源EC供給的直流輸入功率為
集電極效率ηC為輸出高頻功率Po與直流輸入功率PE之比，即
靜態(tài)工作點(diǎn)、輸入信號(hào)、負(fù)載發(fā)生變化，諧振功率放大器的工作狀態(tài)將發(fā)生變化。如圖9-3所示。當(dāng)C點(diǎn)落在輸出特性(對(duì)應(yīng)uBEmax的那條)的放大區(qū)時(shí)，為欠壓狀態(tài)；當(dāng)C點(diǎn)正好落在臨界點(diǎn)上時(shí)，為臨界狀態(tài)；當(dāng)C點(diǎn)落在飽和區(qū)時(shí)，為過(guò)壓狀態(tài)。諧振功率放大器的工作狀態(tài)必須由EC、EB、Ubm、Ucm四個(gè)參量決定，缺一不可，其中任何一個(gè)量的變化都會(huì)改變C點(diǎn)所處的位置，工作狀態(tài)就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。
負(fù)載特性是指當(dāng)保持EC、EB、Ubm不變而改變Re時(shí)，諧振功率放大器的電流IC0、Ic1m，電壓Ucm，輸出功率Po，集電極損耗功率PC，電源功率PE及集電極效率ηC隨之變化的曲線。從上面動(dòng)特性曲線隨Re變化的分析可以看出，Re由小到大，工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進(jìn)入過(guò)壓。相應(yīng)的集電極電流由余弦脈沖變成凹陷脈沖。
集電極調(diào)制特性是指當(dāng)保持EB、Ubm、Re不變而改變EC時(shí)，功率放大器電流IC0、Ic1m，電壓Ucm以及功率、效率隨之變化的曲線。當(dāng)EC由小增大時(shí)，uCEmin=EC-Ucm也將由小增大，因而由uCEmin、uBEmax決定的瞬時(shí)工作點(diǎn)將沿uBEmax這條輸出特性由特性的飽和區(qū)向放大區(qū)移動(dòng)，工作狀態(tài)由過(guò)壓變到臨界再進(jìn)入欠壓，iC波形由iCmax較小的凹陷脈沖變?yōu)閕Cmax較大的尖頂脈沖，如圖9-5所示。由集電極調(diào)制特性可知，在過(guò)壓區(qū)域，輸出電壓幅度Ucm與EC成正比。利用這一特點(diǎn)，可以通過(guò)控制EC的變化，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率的相應(yīng)變化，這種功能稱為集電極調(diào)幅，所以稱這組特性曲線為集電極調(diào)制特性曲線。
基極調(diào)制特性是指當(dāng)EC、Ubm、Re保持不變而改變EB時(shí)，功放電流IC0、Ic1m，電壓Ucm以及功率、效率的變化曲線。當(dāng)EB增大時(shí)，會(huì)引起θ、iCmax增大，從而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不變，uCEmin=EC-Ucm則會(huì)減小，這樣勢(shì)必導(dǎo)致工作狀態(tài)會(huì)由欠壓變到臨界再進(jìn)入過(guò)壓。進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，集電極電流脈沖高度雖仍有增加，但凹陷也不斷加深，iC波形如圖9-6所示。利用這一特點(diǎn)，可通過(guò)控制EB實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓、功率的控制，稱這種工作方式為基極調(diào)制，所以稱這組特性曲線為基極調(diào)制特性曲線。
放大特性是指當(dāng)保持EC、EB、Re不變，而改變Ubm時(shí)，功率放大器電流IC0、Ic1m，電壓Ucm以及功率、效率的變化曲線。Ubm變化對(duì)諧振功率放大器性能的影響與基極調(diào)制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、ηC隨Ubm的變化曲線如圖9-7所示。由圖可見，在欠壓區(qū)域，輸出電壓振幅與輸入電壓振幅基本成正比，即電壓增益近似為常數(shù)。利用這一特點(diǎn)可將諧振功率放大器用作電壓放大器，所以稱這組曲線為放大特性曲線。
2.實(shí)驗(yàn)電路
高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路如圖9-8。
圖9-8 高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1．高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)整。
2．諧振功率放大器的負(fù)載特性測(cè)試---負(fù)載變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響測(cè)試。
3．集電極電源電壓變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響（集電極調(diào)制特性）的測(cè)試。
（一） 實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)試
五、實(shí)驗(yàn)步驟
1．高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)整
⑴ 在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路模塊。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開關(guān)電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。 實(shí)驗(yàn)箱上高頻信號(hào)源10.7MHz信號(hào)（來(lái)自LC、晶體振蕩電路模塊，要求電路規(guī)定的諧振頻率符合輸入信號(hào)頻率）由IN1端接入高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路，幅度在200mV左右。
⑵ 調(diào)整電位器RW1和微調(diào)CV1、CV2、B1、B2, 在OUT端用示波器，觀測(cè)到放大后的不失真的輸入信號(hào)。
2．高頻諧振功率放大器的負(fù)載特性測(cè)試
調(diào)整RW3，保持電源電壓為最大值（測(cè)量TP5點(diǎn)），激勵(lì)電壓Ubm一定，改變負(fù)載RL，觀察對(duì)電壓波形、電流波形的影響，測(cè)量輸出電壓Uo、TP3發(fā)射極平均電流IC0（注意，電流信號(hào)對(duì)外部干擾比較敏感，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)電流值時(shí)請(qǐng)將探頭及示波器設(shè)成X10檔），因基極電流極小，故IC0≈Ie0
表9-1諧振功率放大器的負(fù)載特性測(cè)試 Ubm= V Ec= V
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RL （Ω） 斷開J2測(cè) |
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| Uo （V） | |||||||||
| IC0 （mA） |
3．集電極電源電壓變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響（集電極調(diào)制特性）的測(cè)試
保持激勵(lì)電壓Ubm，負(fù)載RL 不變，調(diào)整RW4改變Ec，測(cè)量TP3點(diǎn)，觀察對(duì)電壓波形、電流波形的影響、測(cè)量輸出電壓Uo、由TP3發(fā)射極平均電流IC0＝V（TP3）/R7。
表9-2諧振功率放大器的負(fù)載特性測(cè)試 Ubm= V RL= Ω
| Ec （V） | |||||||||
| Uo （V） | |||||||||
| IC0 （mA） |
六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1．由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析負(fù)載RL、電壓Ec對(duì)高頻諧振放大器工作狀態(tài)的影響 。
2． 繪出UCm ~ RL， IC0 ~ RL 曲線。
3．繪出UCm ~ Ec， IC0~ Ec 曲線。
4.總結(jié)由本實(shí)驗(yàn)所獲得的體會(huì)。