高频谐振功率放大器实验实验报告(共18页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上丙类高频谐振功率放大器与基极调幅实验报告 一 实验目的1了解和掌握丙类高频谐振功率放大器的构成及工作原理。2了解丙类谐振功率放大器的三种工作状态及负载特性、调制特性、放大特性和调谐特性。3. 掌握丙类谐振功率放大器的输出功率、直流功率、集电极效率测量方法。4. 掌握用频谱仪观测信号频谱、频率及调制度的方法。二实验仪器及设备1调幅与调频接收模块。2直流稳压电压GPD-3303D3F20A型数字合成函数发生器/计数器4DSO-X 2014A数字存储示波器5SA1010频谱分析仪三实验原理1.工作原理高频谐振功率放大器是通信系统重要的组成电路，用于发射机的末级。主要任务是高效率的输出最大高频功率，馈送到天线辐射出去。为了提高效率，晶体管发射结采用负偏置，使放大器工作于丙类状态（导通角90O）。高频谐振功率放大器基本构成如图1.4.1所示， （a）原理电路 （b）等效电路图1.4.1 高频功率放大器 丙类谐振功率放大器属于大信号非线性放大器，工程上常采用折线分析法，各级电压、电流波形如图1.4.2所示。（a） （b）图1.4.2 各级电压、电流波形图1.4.1中，晶体管放大区的转移（内部静态）特性折线方程为： 1.4.1放大器的外电路关系为： 1.4.2 1.4.3当输入信号时，晶体管截止，集电极电流；当输入信号时，发射结导通，由式1.4.1、1.4.2和1.4.3得集电极电流为： 1.4.4式中，为晶体管开启电压，为转移特性的斜率。以上分析可知，晶体管的集电极输出电流为尖顶余弦脉冲，可用傅里叶级数展开为： 1.4.5其中，为的直流分量，、分别为的基波分量、二次谐波分量、。集电极余弦脉冲电流及各次谐波的波形如图1.4.3所示，其频谱如图1.4.4所示。图1.4.3 集电极余弦脉冲电流及各次谐波的波形图1.4.4 集电极余弦脉冲电流的频谱由于晶体管集电极电流为尖顶余弦脉冲，为了不失真的放大信号，晶体管集电极负载回路必须采用具有选频滤波特性的LC并联谐振回路。当回路调谐于输入信号频率（基波频率）时，高频功率放大器的输出信号为： 1.4.6 1.4.7 1.4.8式中，为谐振回路的端电压；为回路的等效谐振电阻；为集电极余弦脉冲电流的最大值；为脉冲电流的直流分量；为脉冲电流基波分量的振幅；、为余弦脉冲分解系数；为余弦脉冲电流的导通角，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，谐振功率放大器导通角常取= 60° 80°。2. 丙类谐振功率放大器的主要技术指标 输出高频交流功率： 1.4.9 电源电压提供的直流功率： 1.4.10 集电极效率： 1.4.11式中，为输出电压振幅, 为输出电压有效值，为负载电阻。3. 丙类高频谐振功率放大器的三种工作状态谐振功率放大器的工作状态应同时满足内部特性和外电路特性。由于谐振功率放大器为丙类状态，不存在直流工作点，只存在动态（交流）工作点，动态点的轨迹称为动态特性或动态线，如图1.4.5所示。图1.4.5 高频功率放大器动态特性 当晶体管确定后，四个外部电路参量EC、EB、Ubm和RP不同，使电路分别工作在欠压、临界和过压状态，同时也影响电路的性能，当EC、EB、Ubm和RP一定时，工作状态及性能也就唯一地确定了。4.负载对工作状态的影响及负载特性维持EC、EB、Vbm不变，放大器的工作状态和性能随负载RP变化的特性，称为负载特性。，图1.4.6 负载RP对工作状态的影响图1.4.7 负载特性三种工作状态比较： 临界状态达到最大，也较高，是最佳工作状态，对应的谐振电阻称为谐振功率放大器的最佳匹配电阻。 过压状态效率较高，回路端电压基本不变，近似恒压源，常用于需要维持电压比较稳定的场合，集电极调幅就工作于过压状态。 欠压状态比较小，也比较低，故很少采用，基极调幅需要工作于欠压状态。5. 电源电压Ec对工作状态的影响及集电极调制特性维持EB、Ubm、RP不变，放大器的工作状态和性能随EC变化的特性，称为集电极调制特性。图1.4.8 EC对工作状态的影响图1.4.9 集电极调制特性图1.4.10 集电极调幅6. 输入信号振幅对工作状态的影响及基极调制特性与放大特性图1.4.11 对工作状态的影响及放大（或基极调制）特性图1.4.12 基极调幅7.调谐特性图1.4.13 调谐特性四实验电路简介丙类高频谐振功率放大器与基极调幅实验电路如图1.4.14所示。高频等幅信号由1Q23或1TP25输入，晶体管1BG8对输入信号进行电压放大，为功率放大管1BG9提供足够的激励信号。1BG9的负载为LC并联谐振回路，由变压器T的初级电感和电容1C56组成。调节变压器的磁芯，使初级回路谐振于6MHz，通过变压器耦合至负载RL或天线1TP00。调节天线回路的谐振电容1C55，当回路谐振时，天线上可以获得最大的辐射功率。图1.4.14中，1TP25为放大器高频等幅输入信号测试点；1TP27为功率放大级（1BG9）输入信号（基极）测试点；1TP28为功率放大级集电极谐振回路端电压测试点；1TP29为余弦电流脉冲的波形测试点（实际是射级电压的波形）。1TP30为放大器的输出信号测试点。由1TP26或1P26输入调制信号，实现基极调幅。图1.4.14 丙类高频功率放大器实验电路五实验内容1. 观测放大器的工作状态及集电极调制特性、放大（或基极调制）特性、负载特性 电源电压EC对工作状态的影响及集电极调制特性 将调幅与调频模块接电源电压EC=+7V，打开模块中功率放大器电源开关，（电源指示灯点亮）；放大器输入端（1Q23）接高频等幅信号6MHz，1VPP（由信号源F20A提供）；用示波器1、2、3、4通道分别观测放大器输入信号电压（测试点1TP25）、第一级输出信号电压（测试点1TP27）、功率输出级1BG9的集电极回路端电压（测试点1TP28）和集电极余弦脉冲电流的波形（测试点1TP29，实际是射极电压波形）；同时用万用表观测1TP29测试点的直流电压；RL=50（由数码开关1SW6设置）。 测量的可得=0.133V。 调节输入信号幅度，同时用无感起子调节变压器T的磁芯，使1TP29测试点的余弦脉冲电流()的波形出现凹陷，如图1.4.15中（7V）所示（注：凹陷不能太深）。图1.4.15 EC对工作状态的影响调节变压器T使波形如下图： 按图1.4.15中改变电源电压EC，记录或存储()的波形。同时将和的值填入表1.4.1中（测量过程中若的波形凹陷不对称时，可调节变压器T）。表1.4.1EC（V）7V8V9V10V11V12V（V）13.515.516.818.118.418.5（V）0.12330.14860.17360.20790.19220.1955按表1.4.1中数据绘制集电极调制特性和（）。注意：这里的 ，都是峰峰值。画图可得：关系图 输入信号振幅对工作状态的影响及放大（或基极调制）特性 EC=+12V，其余电路连接不变。 按图1.4.16中改变输入信号幅度，记录或存储()的波形。同时将和的值填入表1.4.2中（当出现的波形凹陷不对称时，可调节变压器T）。图1.4.16 Vbm对工作状态的影响表1.4.2（V）700mV800mV900mV1V1.1V1.2V1.3V1.4V1.5V（V）3.67.610.513.316.518.120.122.122.5（V）0.04230.05850.08710.11830.15360.19170.22010.25780.2727实验中得到的各下的图像（处理后）： 按表1.4.2中数据计算，绘制放大（或基极调制）特性曲线和。图像图像 负载电阻RL对工作状态的影响及负载特性 EC=+12V，RL=150，其余电路连接不变。 调节输入信号幅度，同时用无感起子调节变压器T的磁芯，使余弦脉冲电流()的波形出现凹陷，如图1.4.17中所示（注：凹陷不能太深）。图1.4.17 负载RL对工作状态的影响 用数码开关1SW6按表1.4.3中设置负载RL的阻值，记录或存储()的波形，同时将和的值填入表1.4.3中（当出现凹陷不对称时，可调节T）。表1.4.3RL（）150755030（V）23.322.120.117.3（V）0.18400.21650.22250.2250可得ic图像如下（处理后）： 按表1.4.3中数据计算，绘制负载特性曲线和。图像如下：图像如下：2. 丙类谐振功率放大器的调谐及等幅输入信号下的输出功率、效率的测量（1）EC=+12V，输入信号6MHz、1VPP，RL=75。（2）用示波器观测输入信号、输出信号及()的波形，用万用表观测直流电压。可测得=0.1158V（3）反复微调输入信号幅度及调节变压器T，使放大器集电极负载回路谐振并工作于临界状态（波形凹陷刚刚消失且最大）。测量和，计算：电源供给的功率： 放大器输出功率： 放大器实际效率： 集电极耗散功率： 临界状态时=8.0V =0.2132得到和的图像如下：（4）用频谱仪测量余弦脉冲电流()的频谱图 按【Preset】频谱仪复位；按【FREQ】输入6MHz；按【AMPT】并使用【旋钮】调节参考电平，使图形显示在屏幕中；按【Peak】最大值搜索。 将频谱仪射频输入连接放大器测试点1TP29，按【SPAN】输入100MHz，记录或存储余弦脉冲电流()的频谱及频率。频谱图像如下：3. 基极调制的应用，即基极调幅及其测量（1）在上述放大器的临界工作状态下，减小输入高频等幅信号幅度，使丙类谐振功率放大器处于欠压状态（输出高频等幅信号，即载波）的幅度大约3.3VPP左右）。（2）从测试点1TP26接入1KHz调制信号（用示波器WaveGen提供），调节的幅度，使输出已调信号波形出现过调制，记录或存储输出波形（示波器用作为触发源）。（3）调节的幅度，使输出已调波的调制度m为20 80，如图1.4.18所示。记录或存储输出波形。然后，按图中所示测量已调信号的调制度m。图1.4.18 普通波调幅及调制度测量示意图可得到如下的波形：A=12.6875B=3.7500可计算得：m=54.37%（4）用频谱仪观测已调波频谱、载波频率和幅度、边频或的频率和幅度、调制度m、调制频率及调制信号波形。 按【Preset】频谱仪复位；按【FREQ】输入6MHz；按【AMPT】，调节【旋钮】使图形显示在屏幕中；按【SPAN】输入3KHz；按【Marker】激活频标1，按【Trace】设置最大保持，读取频标1的（载波）频率和幅度。 按【Trace】刷新；按【Marker】频标1 2 3 激活频标2常态频标，调节 频标1 频标2【旋钮】使频标2位于边频或，读取边频的频率和幅度，如图1.4.19所示。 图1.4.19 频谱仪测量普通波调幅调制度示意图计算调制度：为载波与边频的幅度差。 直接测量调制信号频率 按【Marker】频标差值，调节旋钮移动频标至载波与边频或，记录调制频率。 直接观测调制信号按【Preset】频谱仪复位；按【FREQ】输入6MHz，按【SPAN】输入0Hz；按【AMPT】调节【旋钮】使图形显示在屏幕中，按【Sweep】输入5ms选择单次扫描；按【Peak】选择左峰值或右峰值；按【Marker】频标差值，调节【旋钮】移动频标至另一峰值，记录或存储波形及数据。 可得到的结果：=6.MHz 幅度为9.67dBm =5.MHz 幅度为-2.13dBm =6.MHz 幅度为-2.72dBm 记录得=1.014kHz调制信号：差值为0.970ms与理论的1ms相差不大。专心-专注-专业