高頻丙類功率放大器

實(shí)驗(yàn)一：高頻丙類功率放大器、八 、■前言在高頻范圍內(nèi)為獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻放大器，高頻功率放大器主要用于發(fā)射機(jī)的未級和中間級，它將振蕩產(chǎn)生的信號加以放大，獲得足夠高頻功率后，再送到天線上輻射出去。另外，它也用于電子儀器作未級功率放大器。高頻功率放大器要求功率高，輸出功率大。丙類放大器它是緊緊圍繞如何提高它的效率而進(jìn)行的。高頻功率放大器的工作頻率范圍一般為幾百KHZ—幾十MHZ。一般都采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載，且一般都是工作于丙類狀態(tài)，如果要進(jìn)一步提高效率，也可工作于丁類或戊類狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙笠唬?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．進(jìn)一步了解高頻丙類功率放大器的工作原理和調(diào)試技術(shù)。2．熟悉負(fù)載變化對放大器工作狀態(tài)的影響及各指標(biāo)的測試方法。3．掌握輸入激勵(lì)電壓，集電極電壓，基極偏置電壓變化對放大器工作狀態(tài)的影響。二） 實(shí)驗(yàn)要求1．認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)教材及有關(guān)教材內(nèi)容2．熟悉本實(shí)驗(yàn)步驟，并畫出所測數(shù)據(jù)表格。3．熟悉本次實(shí)驗(yàn)所需儀器使用方法。三） 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．寫出本次實(shí)驗(yàn)原理及原理框圖2．認(rèn)真整理記錄測試數(shù)據(jù)及繪出相應(yīng)曲線圖。3．對測試結(jié)果與理論值進(jìn)行比較分析，找出產(chǎn)生誤差的原因，提出減少實(shí)驗(yàn)誤差的方法。4．詳細(xì)記錄在調(diào)諧和測試過程中發(fā)生的故障和問題，并進(jìn)行故障分析，說明排除過程和方法。5．本次實(shí)驗(yàn)收獲，體會以及改進(jìn)意見。二．實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)板1．雙蹤示波器（CA8020） 一臺2?高頻信號發(fā)生器（XFG-7） —臺3．晶體管直流穩(wěn)壓電源 一塊4.數(shù)字萬用表 一塊5?超高頻毫伏表（DA22） 一臺6.直流毫安表 一塊7?高頻丙類功率放大器實(shí)驗(yàn)板 一塊三．實(shí)驗(yàn)原理及公式推導(dǎo)高頻諧振放大器的主要作用是使電路輸出功率大，效率高；主要特點(diǎn)是用諧振回路來實(shí)現(xiàn)阻抗變換，并且為了提高效率常工作在丙類狀態(tài)。高頻功率放大器一般有兩種：1.窄帶高頻功率放大器；2.寬帶高頻功率放大器。前者由于頻帶比較窄，故常用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，所以又稱為諧振功率放大器。而寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其它寬帶高頻功率放大器，以高效率，小失真得到較大輸出功率。因此一般都工作在丙類狀態(tài)。其導(dǎo)通角小于n,其通角小于n/2。如圖1所示是丙類功率放大器原理圖。圖中LC諧振回路為集電極的負(fù)載，Ec為集電極直流電源，Eb為基極負(fù)偏置電源。Ub是高頻輸入信號，Ub=Ubmcoswt。可見，只有輸入信號電壓足夠大時(shí)，即Ub>Eb+Eb1（Eb1為晶體管截止偏壓）時(shí)晶體管才導(dǎo)通。顯然電流的通腳vn/2,集電極電流Ic呈脈沖形狀，這個(gè)電流經(jīng)集電極諧振回路選出Ic的基波分量Ic1，再經(jīng)過變壓器耦合，在RL±得到一個(gè)放大的基波功率。從而實(shí)現(xiàn)了丙類功率放大。高頻功率放大器是由輸入回路，晶體管負(fù)載和電源幾部分組成。1?高頻丙類功率放大器的輸出功率和效率。為了便于計(jì)算脈沖電流Ic，將晶體管的動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線ic-Ubc用折線gm表示。如圖2所示，由圖2所知：i=g(U—E＇)c m be b=g(U +E＇—E＇)mbmCoswtbbbg為跨導(dǎo)。當(dāng)wt=0時(shí)，i=0。mcE＇-Eb -_cose= Ubm當(dāng)wt=0時(shí)，i=i=g(U+E—E‘)ccmaxmbmbbbE)-Eb=gU(1-mbm=gU(1-mbmUbmbm=gU(1-cos0)mbm由(1)(2)(3)式得出：i=i因?yàn)楸惞ぷ鳡顟B(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖是以w為角頻率的周期性函數(shù)。故可用付里葉級數(shù)求系數(shù)方法來表示它的直流、基波分量各次諧波分量的數(shù)值。由付氏級數(shù)的系數(shù)求得：1I=2ncor+xidw1I=2ncor+xidwt=ic cmaxsin0-0cos0

n(1-cos0)I=Cim-x+xicoswtdwt=ic cmax8-sin8cos8n(1-cos0)-xr+x2(sin0cos0-ncosn0)I=c2micosnwtdwt=ic cmaxI=c2micosnwtdwt=ic cmax-x式中可寫成：I=ia(0)a (a (0)、a(0)、a(0)為余弦脈沖電01n流i的分解系數(shù)。I=ia(0)Cimcmax1I=ia(0)cnm cmaxn e因此i分解為付氏級數(shù)為：ci=I+Icos2wt+Icos2wt+?Icos2wtccoCim c2m cnm在功率放大器中，主要研究它的輸出功率和效率。為什么要工作丙類狀態(tài)從三極管輸出功率來看。C+0PoPo= 2ncc-e直流電源供給功率：

Eidut=cc+n三級管輸出功率P=2n<bUEidut=cc+n三級管輸出功率P=2n<bU212nidut=E

cc

Qco1P=2nI2Re二2noutCimcimR^R為折合到集電極諧振回路初級的阻抗。e集電極效率：P1U.?1.cim cion=p二t dc2E?Ic co1Icim1=2§Ico=2§g(e)1可以看出減少管耗Pc,或者提咼z和g］（e）都可以提咼放大器的效率。這是因?yàn)椋?。要減少集電極損耗功率Pc,則要求減少Uce。當(dāng)管內(nèi)有較大電流ic時(shí)，Uce應(yīng)盡量減少，最好在ic整個(gè)流通時(shí)間內(nèi)Uce均很小，或者當(dāng)Uce較大時(shí)，要盡量減少集電極電流ic。要提高集電極效率，則要求提高集電極電流電壓利用系數(shù)Z。Uclm增大，Z可增大，因?yàn)閁clm增大使Uce減小。（Uce=Ec-UclmcosWt）,所以，當(dāng)ic較大時(shí)，Uce的減少使得管子集電極損耗Pc減少，從而提高效率。要提高效率，也可增大g1（e）。e的減少，可使gl（e）增大，于是提高效率。e減少,意味著減少ic與Uce均不為零的時(shí)間，從而可用甲，乙，丙3種工作狀態(tài)的集電極電壓，電流波形來說明，如圖3所示。9=3r wt g=71/2 cot19=3r wt g=71/2 cot1c圖3甲、乙、丙類三種工作狀態(tài)甲類在一個(gè)周期中都有ic流通，因而Uce正半周，也有ic,所以管耗大，效率低。乙類ic只有半個(gè)周期流通，而且，當(dāng)放大器的負(fù)載為電阻時(shí)，ic流通半周正好與Uce負(fù)半周相對應(yīng)，此時(shí)，Uce小，因而效率比甲類高。丙類工作時(shí)波形，ic流通時(shí)間小于半個(gè)周期，當(dāng)集電極諧振回路對激勵(lì)信號諧振時(shí)，ic僅在Uce負(fù)半周瞬時(shí)值較大時(shí)流過，此時(shí)Uce較小，所以丙類比乙類效率高。當(dāng)e<n/2,是否可能接近于零，得到最高效率呢？當(dāng)e-0時(shí)，使得輸出功率也顯著下降，為了兼顧輸出功率和不使激勵(lì)功率過大，因而e不能太小，從而限制效率提高。一般情況下e=n/3-7n/18時(shí)，相應(yīng)的集電極效率較大,n在80%-90%之間。2.丙類功率放大器的負(fù)載特性丙類功率放大器的負(fù)載特性是指在Ec,Eb,Ubm不變的條件下，各種電流輸出電壓，功率和效率等隨Re變化的曲線。因?yàn)楦哳l功率放大器的工作狀態(tài)取決于Rc,Ubm,Eb和Ec四個(gè)參數(shù)。如果保持Ubm,Eb和Ec不變，則工作狀態(tài)僅取決于Rc。負(fù)載變化對工作狀態(tài)的影響如果保持Ubm,Eb和Ec不變則Re變化影響工作狀態(tài)的變化如圖3從圖3看出：動特性表示Re較小時(shí)，這時(shí)Uc1m也較小，動態(tài)負(fù)載線A1在線性放大區(qū)，這種狀態(tài)稱為欠壓狀態(tài)。在欠壓狀態(tài)，ic呈余弦脈沖。動特性隨Rc增加，動態(tài)負(fù)載線A2在臨界線上，稱這種狀態(tài)為臨界狀態(tài)，此時(shí)ic還是呈余鉉脈沖。3.動特性隨Rc繼續(xù)增大，A3也進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)ic呈凹脈沖，這種狀態(tài)稱過壓狀態(tài)，在過壓狀態(tài)，隨Rc增大，ic的幅度也迅速下降，但它的基波輸出電壓振幅基本不變，即Uclm^Ec。負(fù)載Re變化對Ico,Icm,Uclm,Pout,Po和n的影響。當(dāng)維持Ubm,Eb和Ec不變時(shí)，放大器Ico,Icm,Uc1m,Pout,Po,Pc和n隨負(fù)載阻抗Re變化。因?yàn)?，Uc1m=Ic1m*Re。如圖5：在欠壓區(qū)：Iclm與Ico基本不變，僅隨Re增加略有下降，Uclm也隨Re增加而直線增加，Pc管耗下降。把放大器看成恒流源。在過壓區(qū)：Uclm幾乎不變，Ico和Iclm則隨Re的增大也急劇下降。把放大器看成恒流源。從圖4看出：集電極電源輸入功率Po=Eo*Ico。由于Ec不變，因而Po與Re關(guān)系曲線和Ico曲線的形狀相同。放大器輸入功率Pout=l/2Iclm*Uclm，Pout與Re關(guān)系是根據(jù)Uclm、Iclm兩條曲線相乘求出來。在臨界狀態(tài)時(shí)，Pout達(dá)到最大值，放大器效率也較高。這就是希望放大器工作在臨界工作狀態(tài)的原因。集電極損耗功率Pc=Po壬out，故Pc曲線由Po與Pout曲線相減得出。在欠壓區(qū)，當(dāng)Re減小，Pc上升很快；當(dāng)Re=0時(shí)，Pc達(dá)到最大值，可能使晶體管燒壞。(這種情況是短路)放大器的效率n=Pout/Po.在欠壓狀態(tài)時(shí)，Po變化小，所以n隨Pout增加而增加，到臨界狀態(tài)后，Pout下降沒有Po快，在過壓狀態(tài)時(shí)，Pout主要是隨icim急劇下降而下降，因而n也略有下降，故在靠近臨界的弱過壓狀態(tài)n出現(xiàn)最大值。3．放大器各級電壓對工作狀態(tài)的影響(1)Ubm對工作狀態(tài)的影響在討論激勵(lì)電壓幅度Ubm的變化對放大器工作狀態(tài)影響，設(shè)Ec,Eb,Re不變。當(dāng)Ubm較小時(shí)，Ubemax二Eb+Ubm也較小，從ic-Ubc動態(tài)特性看出：放大器工作在欠壓狀態(tài)，集電極電流為尖頂余弦脈沖。當(dāng)Ubm增大時(shí)，Icmax,Ic1m也增大，，而引起Uce=Ec-Ic1m*Rc的減少。從而使放大器由欠壓狀態(tài)過渡到過壓狀態(tài)。如圖6所示：為ic-Ubc此稱平面上ic的動特性。為集電極電流脈沖波形。Ic1m,Ico,Icm-Ubm的關(guān)系。從圖6可看出：在欠壓狀態(tài)時(shí)，隨著Ubm的增加，將引起icmax增加，于是Iclm,Ico和Uc1m與Ubm幾乎成正比增加。在過壓狀態(tài)時(shí)，隨著Ubm的繼續(xù)增加，雖然電流脈沖高度繼續(xù)增大，但其凹度增大。所以Iclm,Ico在過壓區(qū)增加不大。在欠壓區(qū)，Uc1m與Ubm成線性關(guān)系。(2)Eb變化對工作狀態(tài)影響設(shè)Ec,Ubm,Re不變。由于Ubemax二Eb+Ubm。所以Eb變化與Ubm變化一樣，都要引用Ubemax的變化。當(dāng)Ec,Ubm,Re不變時(shí)，|Eb丨減小相當(dāng)于Ubm的增大。這樣，當(dāng)Eb反向偏置向正向偏置變化時(shí)，icmax增大，放大器從欠壓狀態(tài)轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。因此，Eb變化對集電極電流脈沖波以及Ico,Iclm和Uclm的影響與Ubm變化引起的影響類似。如圖7，在欠壓狀態(tài)改變Eb,可控制高頻輸出電壓，這就是基極偏壓調(diào)幅的原理。Eb1<Eb2<Eb3<Eb4<Eb5集電極電源Ec對放大器的影響設(shè)Eb,Ubm,Re不變。當(dāng)Eb,Ubm不變時(shí),Ubemax二Eb+Ubm也不變，若Re不變，則ic-Uce坐標(biāo)平面上的ic的動特性的斜率也不變。假設(shè)放大器原來工作在臨界狀態(tài)，則當(dāng)Ec增大，ic動特性向右平行移動，放大器將工作與欠壓狀態(tài)。反之，Ec減小，ic動特性向左平行移動，放大器工作于過壓狀態(tài)。如圖8所示。當(dāng)Ec>Ec2時(shí)，放大器工作在欠壓狀態(tài)。由于Ubemax不變，所以Ec減小而使得Ucem減小時(shí)，icmax略有下降，0變化也很小，故Iclm,Ico隨Ec減小而略有下降。這樣，欠壓狀態(tài)，Ec對Ic1m不能有效控制。當(dāng)Ec〈Ec2時(shí)，工作在過壓狀態(tài)。集電極電流脈沖的凹度就越深，這樣，Iclm,Ico隨Ec降低而明顯減小，并且Ec=0時(shí)，Iclm,Ico均為0。由于過壓狀態(tài)改變Ec能明顯改變Ic1m的大小，從而也能改變高頻輸出電壓Uclm，這就是集電極調(diào)幅的原理。通過上述分析，得出下列結(jié)論：第一.在欠壓區(qū)，輸出功率隨Re增大而增大，集電極損耗功率隨Re減小而增大，(Pc二Po-Pout),當(dāng)Re較小時(shí)，有可能使Pc上升超過晶體管的最大管耗Pcmax而損壞晶體管，因此，在調(diào)試放大器功率電路時(shí)，為了防止集電極諧振回路失諧而損壞晶體管，常采用降低電流電壓Ec值的辦法便于放大器工作在過壓狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)試。第二．在過壓區(qū)，Ico隨Re的減少而迅速增加，這對集電極諧振回路的調(diào)諧提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)諧時(shí)，適當(dāng)降低Ec的值，使放大器工作在過壓狀態(tài)。調(diào)節(jié)諧振回路，當(dāng)Ic。為最小時(shí)，說明電路諧振于工作頻率。

如圖8所示，輸入信號頻率為4MHZ,電源電壓為Ec=15V,輸入信號由高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過BG1,BG2三極管放大推動未級功放管BG3。BG1集電極輸出信號經(jīng)LI、C7、C8組成的T型匹配電路接BG3基極。輸出是由L和C10組成的諧振回路，諧振于4MHZ頻率。當(dāng)開關(guān)K1撥在“天線”時(shí)，其負(fù)載就是天線。當(dāng)開關(guān)K1撥到R時(shí)，表示以電阻作為輸出負(fù)載。本實(shí)驗(yàn)要求在75Q負(fù)載電阻上，使信號Ub=0.6V,輸出功率最大值。丙類功率放大器電路圖五．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一） 仔細(xì)閱讀本實(shí)驗(yàn)線路圖；（二） 熟悉需測試點(diǎn)的位置，高頻信號發(fā)生器輸出Ubm信號的幅度選在0.6V左右;（三） 丙類攻放工作狀態(tài)的調(diào)整1?將開關(guān)K1撥到“R”時(shí)，K2撥到“4”，75Q電阻作為輸出負(fù)載，電源Ec15V減少到10V,適當(dāng)?shù)臏p小輸入信號幅度，先分別諧振輸出和輸入耦合電路，使放大器滿足諧振和匹配，可用觀察Ico為最小或R上的輸出信號幅度為最大的辦L法進(jìn)行諧調(diào)。若電路已調(diào)到諧振，則可將Ec加大至15V，并增加輸入信號幅度或Ub=0.6V,使得輸出功率最大。P=U2/R。LL（四）研究直流電源電壓Ec對PL的影響。保持Ec1=12V,輸入U(xiǎn)bm=0.6V幅度不變。將Ec由3V逐漸增加至15V,測出相應(yīng)的V值。填入下表。并作出P-Ec曲線分析圖與Ec-Ico曲線分析圖。L LEc(V)3456789101112131415V(V)Ico(mA)P(Mw)（五）研究輸入信號幅度Ubm對P和集電極效率n的影響。保持Rc=75Q、Ec=15V不變，，改變Ubm值，測出相應(yīng)的V和Ico值；根據(jù)測L出的結(jié)果作出Ubm-P和Ubm-n曲線圖，并進(jìn)行定性分析。Ubm(V)0.50.550.60.650.70.80.91.0V(V)Ico(mA)P(mW)n(%)六）研究R對P的影響LL保持Ubm不變=0.6V。將開關(guān)K2從“1”-“8”順次轉(zhuǎn)動；此時(shí)R值從小到大,L測出相應(yīng)的U值,填入下表并畫R-P曲線圖。*（七）觀察高頻輻射現(xiàn)象將開關(guān)K1撥至天線，用75Q天線代替，75Q負(fù)載電阻，觀察天線靠近和遠(yuǎn)離示波器輸入端。增大或減小輸出功率（改變Ubm和Ec時(shí)高頻輻射現(xiàn)象）。六．實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告要求：（一）復(fù)習(xí)高頻丙類功率放大器的工作原理。（二）認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容（三）回答下列問題：1．判斷本實(shí)驗(yàn)電路是屬于窄帶還是寬帶高頻功率放大器，判斷的依據(jù)是什么。2.本實(shí)驗(yàn)電路應(yīng)工作于 （甲，乙，丙，?。?/p>