高频实验三 高频丙类谐振功率放大器实验报告.docx

实验三高频丙类谐振功率放大器实验一、实验目的1. 进一步掌握高频丙类谐振功率放大器的工作原理。2. 掌握丙类谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。3. 掌握激励电压、集电极电源电压及负载变化对放大器工作状态的影响。4. 掌握测量丙类功放输出功率，效率的方法。二、实验使用仪器1. 丙类谐振功率放大器实验板2. 200MH 泰克双踪示波器3. FLUKE 万用表4. 高频信号源5. 扫频仪（安泰信） 三、实验基本原理与电路1. 高频谐振功率放大器原理电路高频谐振功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率的输出。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 最高为 50，而丙类功放的90°，效率可达到 80。谐振功率放大器采用丙类功率放大器，采用选频网络作为负载回路的丙类功率放大器称为高频谐振功率放大器。CiBuVCERuCe ucbE E iRLLBCiCgmiCiECmaxBq 00U Buq0q p2pw tBEquUbmBw t高频谐振功率放大器电压和电流关系在集电极电路中，LC 振荡回路得到的高频功率为111 U 22P =I0Uc1m cm=I 2 R2 c1m e=cm2 Re集电极电源 EC 供给的直流输入功率为P = EECI集电极效率C 为输出高频功率 Po 与直流输入功率 PE 之比，即C 0Ph=0 =1 IUc1m cmCP2 IEEC 0 C静态工作点、输入激励信号幅度、负载电阻，集电极电源电压发生变化， 谐振功率放大器的工作状态将发生变化。如图 3-3 所示，当 C 点落在输出特性(对应 uBEmax 的那条)的放大区时，为欠压状态；当 C 点正好落在临界点上时，为临界状态；当 C 点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率放大器的工作状态必须由集电极电源电压 EC、基极的直流偏置电压 EB、输入激励信号的幅度 Ubm、负载电阻 Re 四个参量决定，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变 C 点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。2. 实验电路高频谐振功率放大器实验电路高频谐振功率放大器TP5K +122tsVoutVin3dTP2D1AR10J2R9RW1CV1LBB1C9C8C5CV1 C5C7C11LEDTP4RW4R1T2TP1OUTIN1R8C1T1TP3R7R3RW3C2A10-0808四、实验内容1. 丙类谐振功率放大器实验电路的调整。2. 丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试 -激励电压变化对放大器工作状态的影响测试。3. 谐振功率放大器的负载特性测试-负载变化对放大器工作状态的影响测试。4. 集电极电源电压变化对谐振功率放大器工作状态的影响（集电极调制特性）的测试。五、实验步骤及数据记录与分析1. 高频谐振功率放大器实验电路的调整用高频信号源提供 10.7MHz 的输入信号由 IN1 端接入高频谐振功率放大器实验电路，幅度在 1V 左右。调整电位器 RW1 和微调 CV1、CV2、B1、B2, 在OUT 端用示波器，观测到放大后的不失真的输入信号。当输出信号幅度最大， 失真最小时，认为功放已经调谐了。调谐中发现 CV1、CV2 对波形影响更显著，故先调整 CV1、CV2 使得有较为理想的输出波形，再配合上 B1、B2 一起进行微调。2. 丙类谐振功率放大器的激励调制特性测试逐步增加基极输入激励信号的幅度，保持电源电压 Ec=12V（测量 TP5 点），负载 RL 不变，观察射极电压波形，看是否出现凹陷，当出现凹陷时，可以认为进入了过压工作状态。当激励信号的幅度逐渐增加时，观察对集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量集电极输出电压Uo、由TP3 处测量直流电压Ve，发射极平均电流 IC0=Ve/R7，根据前面的关系式，计算电源消耗的总功率， 效率，输出功率。分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。电路消耗的总功率 P = E · IEV·=ce输出功率 PV 2=cmccoR70效率h = P0P2RPR = 29.9WEE实验测得7， c =10.378V。在实际实验箱上进行实验时， c 无法达到要求的 12V，由于实验箱元件都为固定元件，通过可调电阻调节使得 Ec 最大只能调到 10.378V，所以采用 10.378V 进行实验。欠压临界过压Ui252mV420mV1.37VUo4.6V6.28V7.04VVe231mV357mV837mVP0.080W0.124W0.207WP 00.039W49%0.073W59%0.291W71%此处 Uo 测量的为峰峰值，在代入计算时除以 2 作为Vcm。由数据能够看出， 随着激励信号幅度的增大，集电极输出电压幅度越来越大，输出功率越来越大， 效率也越来越高，工作状态也由欠压变成临界再变成过压。原因是当 EB 增大时，会引起、 iCmax 增大，从而引起 IC0、Ic1m、Ucm 增大。由于 EC 不变，UCEmin=EC-Ucm 则会减小，这样势必导致工作状态由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深。由测得数据绘制曲线如下：由曲线中可以看出，在激励信号为 420mV 即 0.42V 点处，曲线斜率发生明显变化，该点为临界状态，左边为欠压状态，右边为过压状态。在激励信号幅度小于 0.1V 的几个点出现不符合曲线走势的状况，可能是由于激励信号幅度过小， 所以集电极输出电压幅值也很小，仪器测量精度无法准确分辨而带来的误差。iiiiiCCCCC0 w t0 w t0 w t 0 w t 0 w tE 增大hBcU , I , Icm clm C0UcmIclmIC0PEPo(c)0EB欠 压 0临界过压EB测得曲线与基极调制特性基本相符。射级电压波形，凹段波形显得不是太平滑。可能由于调谐不够完美造成，也可能是激励信号幅度增加而带来的失真。3. 高频谐振功率放大器的负载特性测试调整 RW3，保持电源电压 Ec=12V（测量 TP5 点），激励电压 Ubm 一定，改变负载 RL，集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量集电极输出电压 Uo、由 TP3 处测量直流电压 Ve，发射极平均电流 IC0=Ve/R7，观察 TP3 处的直流电压，找到欠压，零界和过压三种工作状态，分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。在实际实验箱上进行实验时， Ec 无法达到要求的 12V，由于实验箱元件都为固定元件，通过可调电阻调节使得 Ec 最大只能调到 10.378V，所以采用h20%45%79%10.378V 进行实验。保持激励电压 Ubm 为 420mV。欠压临界过压Uo2.92V4.36V5.48VVe519mV504mV458mVP0.180W0.175W0.159WP 00.036W0.079W0.126W由实验过程得到，可调电阻 RW3 向右旋转时，负载逐渐变小，集电极输出电压幅值变小，射级电压幅值变大。即当负载变大时，电路工作状态逐渐由欠压到临界再到过压。由测量所得数据计算得到，随着负载的变大，电源消耗的总功率、效率、输出功率都越来越大。测得性质与丙类谐振功率放大器负载特性基本相符。IclmIC0Ucm PEhCPCP00 w t0w tR 增大e(a )0w t0w t0 欠压区 Recr 过压区 ReiiiiCCCC(b )0 欠压区 R过压区Recre(c)4集电极电源电压变化对放大器工作状态的影响（集电极调制特性）的测试保持激励电压 Ubm，负载RL 不变，调整RW4，改变Ec（测量 TP3 点），集电极输出电压波形、集电极电流波形的影响、测量输出电压Uo、由TP3 处测量直流电压 Ve，发射极平均电流 IC0=Ve/R7。分别在欠压，零界和过压三种状态下，选取一点测量电源消耗的总功率，效率，输出功率，并记录。保持激励电压 Ubm=420mV。欠压临界过压EcUo10.325v5.02v9.52V4.92V5.1V3VVe459mVP0.159WP 00.105Wh66%456mV0.158W0.101W64%339mV0.117W0.037W32%由实验测得结果可以看出，随着 Ec 的减小，功率放大器工作状态逐渐由欠压变为临界变为过压，集电极输出电压幅值逐渐减小。即随着 Ec 的增大，集电极输出电压幅值逐渐增大，电源消耗总功率和输出功率也逐渐增大，效率也逐渐增高。所得数据绘制曲线如下，由图可以看出，在 Ec 为 9.52V 点处前后曲线斜率发生明显变化（曲线下方斜直线为正比例斜率参考线），9.52V 点处为临界点， 左边为过压，右边为欠压。由测得数据计算所得结果及绘制曲线特性与丙类谐振放大器集电极调制特性基本相符。可以看出在过压时效率为 66%与临界效率 64%差不多，而进入欠压则效率迅速下降，选取点效率为 32%。iiiiiCCCCC(a )0 w t0 w t0 w t0 w t 0 w tU , Icm, IUclm C0cmIclmhPICEC0Po(b ) 0过压临界欠压E(c)0EECCcrC六、实验体会及小结1. 同时调整CV1、CV2、B1、B2 四个可调元件来使电路调谐是件有些麻烦的事情，而调谐情况不理想会影响后面的实验效果。通过对每一个可调元件都在整个可调范围内完全扭一遍，观察示波器输出情况，然后再调回到整个过程中看到波形最理想的位置附近进行微调，能够得到比较理想的调谐情况。2. 在进行集电极电源电压变化对放大器工作状态的影响测试时，由于受实验箱元件限制，集电极电源电压Ec 最大只能调到10.378V 左右，不能达到理论的12V， 使得欠压工作区能测的范围比较有限，如果能达到 12V，在欠压区多测几个点， 能够使绘制的特性曲线更完美，更有说服力。3. 在进行负载特性测试时，没有能够记录下可变电阻 RW3 对应每个测量点时的阻值，如果测得了相关数据绘制相应的特性曲线图会更好，使得测得的特性更直观。4. 在进行负载特性测试时，过压状态下测得的效率达到了 79%，与理论上的丙类功率放大器效率可达 80%的理论值比较接近。