实验二丙类高频功率放大器实验.doc

实验三 丙类高频功率放大器实验特别提示：1本电路的核心是谐振功率放大器，因此，实验前必须认真预习有关教材，熟悉谐振功率放大器本，中调整过程，无一不是以理论为基础的。2 认真阅读本实验指导书，是对于画有波浪线的文字，实验中要给与关注。一. 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. 预习要求：1 复习高频谐振功率放大器的工作原理及特点。2 熟悉并分析图3所示的实验电路，了解电路特点。三. 实验仪表设备1. 双踪示波器2. 数字万用表3. TPE-GP5通用实验平台4. G1N实验模块5. G2N实验模块四. 电路特点及实验原理简介1 电路特点本电路的核心是谐振功率放大器，在此电路基础上，将音频调制信号加入集电极回路中，利用谐振功率放大电路的集电极调制特性，完成集电极调幅实验。当电路的输出负载为天线回路时，就可以完成无线电发射的任务。为了使电路稳定，易于调整，本电路设置了独立的载波振荡源。2 高频谐振功率放大器的工作原理参见图1。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+ IC1mCOSt + IC2MCOS2t + + ICnMCOSnt + 图3 高频功放（调幅）及发射电路原理图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=700800左右。完整的电路图见图3。V3001为推动级，为末级功放电路提供足够的激励电压。V3002构成丙类谐振放大电路。R3006、C3007以及L3003等元件构成了自给负偏置电路。RL1RL3为负载电阻，在负载电阻和功放电路集电极之间采用变压器电路，以完成负载和集电极之间阻抗变换。利用跳线端子SW3002可以方便地把不同的负载电阻分别接入电路中，以完成负载特性的实验。在功放输出级电路中设置了跳线短路端子J3002和J3003。J3003可完成+12V电源和+69V可调电源之间的转换，以观察集电极调制特性和完成高电平调幅电路的实验。J3002是为了在集电极回路中加入低频调制信号而设置的。R3005是取样电阻，以便观察脉冲电流波形。高频信号由P3001输入，可以使用外接信号源，也可以用实验箱上的“LC与晶体振荡器”电路或“变容二极管振荡器”电路的输出作信号源。1.2.3.a)i.1.2.3. 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，以获取最大的输出功率和较大工作效率。本电路的最佳负载为75。因此调试时也应以此负载为调试基础。五. 实验内容及步骤1 实验模块的紧固与连接取出G1N与G2N实验模块，并将其正确固定在TPE-GP5通用实验平台的实验区上，建议将G1N置于左上角实验区，G2N置于与其相连的实验区（右上角）。这样做的目的是为了便于实验电路之间的连接。2 载波振荡源的调整：(1) 接通实验平台总电源，并在G1N模块上找到“LC与晶体振荡器”，按下该电路的电源按键SW1001，此时该电路的电源指示灯发光，表示电源已接通。(2) 将该电路连接成晶体振荡器的形式，即，用短路环短接跳线端子J1001，并使S1001、S1003和S1004开路，S1002作适当连接。用示波器在M1001处测试其输出波形，调整Rp1001和Rp1002使振荡器稳定输出，幅度大约为0.4V（频率为10.7MHz）。用短接线将该信号连接至P3001（G2N小板高频功放电路的输入端）。3 功放电路的调整：(1) 按下高频功放电路的电源按键SW3001，此时该电路的电源指示灯发光，表示电源已接通。用短路环分别短接跳线端子J3003的1、2端和跳线端子J3002的2、4端，使+12V电源直接接入V3002的集电极。用跳线端子接通负载电阻RL2（75）。(2) 推动级的调整：将示波器1通道测试探头（衰减10倍，下同）连接至M3001，灵敏度置于0.2V/DIV档（由于探头有10倍衰减，故实际相当于2V/DIV）, 用以监测推动级的输出电压波形。仔细调整CT3001，使推动级的输出电压最大（约3.54VP-P）。(3) 丙类功放的调整：将示波器2通道测试探头（衰减10倍，下同）连接至测试点M3003处，灵敏度置于0.2V/DIV档（由于探头有10倍衰减，故实际相当于2V/DIV），用以监测功放级的输出波形。将示波器1通道测试探头（衰减10倍，下同）改接至M3004，灵敏度置于10mV/DIV或20mV/DIV，用以检测脉冲电流。仔细调整CT3003，使输出回路谐振，且实现负载到集电极间的阻抗转换。观察M3003处的波形，应能得到失真最小的正弦波形。同时观察M3004处的波形，是否得到了一个临界状态的脉冲电流波形（略有凹陷的波形）。若未能观察到临界状态的脉冲电流，则需要仔细调整CT3001、CT3002和CT3000，使功放级的输入达到较好的匹配状态，必要时还需适当地调整载波信号源的输出幅度。正常情况下，在 M3001处观察到的输出波形幅度应不低于9.4V。4 负载特性的观察(1) 保持信号源频率和幅度不变，将负载分别接至RL1(120)和RL3(47)，应能观察到过压和欠压状态的脉冲电流形状。若不能，则电路还需做细心调整，直至在保持信号源频率和幅度不变得情况下，随着负载的改变可出现过压、临界、和欠压的三种状态的脉冲电流波形。(2) 三种状态的脉冲电流波形大致如图所示。RL=120 RL=75 RL=47图4 不同负载下的脉冲电流波形上述脉冲波形，描绘了放大器的负载特性，即随着Rc的增大，Ic随之减小。放大状态由欠压状态向过压状态过渡。(3) 当观察到负载特性后，记录三种负载条件下的负载上获得的输出电压UL(P-P)，电源提供给功放管集电极的电压UC，为了避免电压表输入阻抗对于输出回路的影响，测量UC应当在J3002的2端测试。测试三种状态下的集电极直流电流时，既可以采用在J3002的2、4两点间接入直流电流表(200mA档)直接读数，也可以采用测量发射极电阻上的压降再换算成电流的方法。但电流表接入回路中后，会对输出及脉冲电流波形产生一定影响，所以推荐采用第二种方法测试集电极直流电流。换算方法：IC0=VE/RE(已知RE=10)。最后将测试结果填入表中表1 高频功放实验数据记录表RL（）实测数据计算结果ICO(A)VL(P-P)(V)VC(V)PS(mW)PL(mW)(%)39751205 集电极调制特性的观察(1) 将负载置于47档，输入信号电压及Eb保持不变，用短路环将J3003的2、3端短接，用69V可调电源给功放管的集电极供电。调整Rp3002,观察发射极脉冲电流波形的变化，这些变化描述了丙类功放电路的集电极调制特性，即随着Vcc增大，脉冲电流将会由过压状态向临界再向欠压状态变化。EC=10V EC=6V 图5 EC不同时的脉冲电流波形（RL=39）(2) 放大特性的观察保持Vcc、Eb、RL不变，改变输入电压的幅值，可以看出随着信号幅度由小到大变化，脉冲电流将由欠压状态向临界状态再向过压状态变化的现象。六. 问题思考1. 若谐振放大器工作在过压状态，为了使其工作在临界状态，可以改变哪些因素？2. 如何验证本电路工作于丙类？七. 附录效率的计算与计算公式说明：利用下面提供的公式和前述表中的测试结果计算三种负载条件下的效率，并将结果填入表中。电源提供给功放级的总功率：PS=ICO×VD负载上得到的功率： PL=VOP-P28RL功率放大级的总效率： = PLPS 本电路的总效率一般可达到50%以上。