湖南大学非线性丙类功率放大器实验报告.doc

-/ 实验七 非线性丙类功率放大器实验 一、 实验目的 1、 了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态特性。 2、 了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。 3、 比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点 4、 掌握丙类放大器的计算与设计方法。 二、实验内容 1、 观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点 2、 测试丙类功放的调谐特性 3、 测试丙类功放的负载特性 4、 观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响 三、 实验仪器 1、 信号源模块 1块 2、 频率计模块 1块 3、 8 号板 1块 4、 双踪示波器 1台 5、 频率特性测试仪（可选） 1台 6、 万用表 1块 四、实验基本原理 放大器按照电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大器电流导通角越小，放大器的效率越高。 甲类功率放大器的，效率最高只能达到50%，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。 非线性丙类功率放大器的电流导通角，效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。特点：非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1％或更小)，基极偏置为负值，电流导通角，为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。 电路原理图如图7-1(见P.48)所示，该实验电路由两级功率放大器组成。其中N4、T5 组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中R14、R15、R16 组成静态偏置电阻。N4、T6 组成丙类功率放大器。R18 为射极反馈电阻，T6 为谐振回路，甲类功放的输出信号通过R17 送到N4 基极作为丙放的输入信号，此时只有当甲放输出信号大于丙放管N4 基极－射极间的负偏压值时，Q4 才导通工作。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变S1 拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路Q 值。 下面介绍甲类功放和丙类功放的工作原理及基本关系式。 1、甲类功率放大器 1) 静态工作点 如图7-1 所示，甲类功率放大器工作在线性状态，电路的静态工作点由下列关系式确定 2) 负载特性 如图7-1 所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定，两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0 可表示为： 式中， 为输出负载上的实际功率， 为变压器的传输效率，一般为＝0.75～0.85 图7-2 为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q 应选在交流负载线AB 的中点，此时集电极的负载电阻RH 称为最佳负载电阻。集电极的输出功率PC 的表达式为： 式中，Vcm 为集电极输出的交流电压振幅；Icm 为交流电流的振幅，它们的表达式分别为： 式中，VCES 称为饱和压降，约1V 如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则 式中， 为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。 3) 功率增益 与电压放大器不同的是功率放大器有一定的功率增益，对于图7-1 所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号进行功率放大， 功率放大增益Ap 的表达式为 其中，Pi 为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压uim 及输入电阻Ri 的关系为 2、丙类功率放大器 1）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。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。图7-3 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 式中， 为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅； 为集电极基波电流振幅； 为集电极回路的谐振阻抗。 式中，PC 为集电极输出功率 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 h 2）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7-4 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 h 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： 五、实验步骤 1、 连线框图如图7-5 所示 2、 在前置放大电路输入端P5 处输入频率＝10.7MHz（测试点TP7，Vp-p≈300mV） 的高频信号， 调节中周T5，使TP15 处信号约为3.5V。调节T6，使TP9 幅度最大。 调谐特性的测试 将S1 设为“0000”，以0.5MHz 为步进从9MHz～15MHz 改变输入信号频率，记录TP9 处的输出幅度，填入表7-1。 负载特性的测试 将信号源调至10.7M，RF 幅度为300mV。8 号板负载电阻转换开关S1(第4 位没用到)依次拨为“1110”，“0110”和“0100”，用示波器观测相应的Vc（TP9处观测）值和Ve（TP8处观测）波形，描绘相应的ie波形，分析负载对工作状态的影响。表中的R19=18欧，R20=51欧，R21=100欧。 3、 观察激励电压变化对工作状态的影响 先将 TP8 调成对称的凹陷波形，然后使输入信号由大到小变化，用示波器观察 ie波形的 变化（观测 ie波形即观测 Ve波形，ie＝Ve/R16+R17），用示波器在 TP8 处观察 六、实验报告要求 1、 整理实验数据，并填写表 7-1、7-2。 2、 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。 3、 分析丙类功率放大器的特点、 1、 表7-1 Fi 9MHZ 9.5MHZ 10MHZ 10.5MHZ 11MHZ 11.5MHZ 12MHZ V0 200mV 1.1V 4.5V 4.3V 1.2V 200mV 200mV 表7-2 等效负载 R19//R20//R21 R20//R21 R20 RL(Ω) 11.74 33.77 51 VcP-P(V) 1.45 2.70 3.06 VeP-P(V) ie 0.9 0.79 0.76 观察激励电压变化对工作状态的影响 先将 TP8 调成对称的凹陷波形，然后使输入信号由大到小变化， 2、 激励电压越大，功率低但是效率高。激励电压越低，功率低效率低。负载电阻越大，输出功率低但是效率高。电阻小输出功率和效率都低 3、 丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的 1％或更小)，基极偏置为负值，电流导通角小于90度，为了不失真地放大信号，它的负载必须是 LC谐振回路。电流导通角越小，效率越高。 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。