实验2 高频谐振功率放大器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,厚德博学 追求卓越,高频电子线路,实验,高频谐振功率放大器,(2),高频谐振功率放大器，是无线电发射机的重要组成部分,它的主要功用是实现对高频已调波信号的功率放大,然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间,以实现用无线信道的方式完成信息的远距离传送。,通过本实验：,1,掌握高频谐振功率放大器的电路结构特点、基本功能与工作原理。,2,掌握高频谐振功率放大器的调谐方法和掌握高频谐振功率放大器的调谐特性，负载特性以及激励电压、偏置电压、电源电压变化时对其工作状态的影响。,3.,了解高频谐振功率放大器的主要性能指标意义，掌握测试方法。学会电路设计方法。,一、实 验 目 的,3,观察并测量外部特性（负载、,Ecc,、,VEE,、,Vbm,）变化对谐振功率放大器工作的影响。,1,、高频谐振功率放大器（甲,/,丙类）静态工作状态的测量。,2,、高频谐振功放的谐振频率,fo,的调整与测定（调谐）。,二、实 验 内 容,4,高频谐振功率放大器主要性能指标的测量。,三、实验应知知识,(1),工作频率高，相对频带窄,(2),采用选频网络作为负载回路,(3),放大器一般工作在（丙）类工作状态，属于,非线性电路,(4),电路不能用线性模型电路分析，一般采用图解法,分析和折线法分析,在高频范围内，为了获得足够大的高频信号输出功率，必须采用高频谐振功率放大器，这是发射设备的重要组成部分。,特点：,1,基本电路结构,BT,1,、晶体管：,大功率晶体管，能承受高电压，大电流，,一般工作时发射极反偏,(,丙类,),；,高频谐振功率放大器的电路构成，除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：,Re,Ce,RL,N3,N1,N2,CT,TR,2,、输入激励电路：,3,、输出谐振回路：,Ec,提供功放所需激励信号电压；,（,1,）滤波选频，,（,2,）阻抗匹配,Vi,对高频功率放大器的一般要求同低频功放相同：,输出功率大,效率高,工作丙类，集电极电流导通角：,电路特点,高频功率放大器的工作原理,设输入信号电压,:,则加到晶体管基极,发射级的有效电压为,:,+,u,b,_,BT,Ec,-,V,BB,R,L,+,C,-,Uc1,+,U,BE,_,由晶体管的转移特性曲线可知：,u,BE,i,c,-U,BB,U,BZ,u,b,i,c,U,bm,g,C,功放输出的,Ic,为一连串不连续的余弦脉冲,与输入信号相比完全失真,.,高功放为什么能不失真地放大信号呢,?,尖顶余弦脉冲的数学表达式,若对,分解为付里叶级数为：,i,c,t,c,c,i,c1,i,c2,i,c3,I,co,I,cmax,BT,Ec,-,V,BB,R,L,+,C,-,Uc1,利用功放负载,LC,回路的选频功能,R,L,+,C,-,Uc1,适当选择,LC,的参数使之谐振与基波频率,故输出仍为不失真的正弦波,.,高频功放的工作状态：,高频功放的工作状态有三种,分别是,:,(1),欠压工作状态,特点：,晶体管的工作范围在放大区和截止区。,ic,为尖顶余弦脉冲，,集电极电压利用不充分。,i,c,(2),过压工作状态,特点：,晶体管的动态范围延伸到饱和区,的波形顶部为下凹的余弦脉冲,功放效率高,但输出功率小,(3),临界工作状态,特点：,ic,为尖顶余弦脉冲,晶体管输出功率最大，效率最高,.,高功放通常选择这种工作状态。,三、实验应知知识,BT,RE1,RE2,CE,R1,RL,N3,N1,N2,CT,TR,L,C1,C2,E,利用选频网络作为负载的功率放大器,称为谐振功率放大器。一般工作在丙类,丙类功放的电流导通角, 90,，效率可达到,80%,。它通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的效率。其基本电路组成如图所示,:,晶体管,BT,与选频网络,L,、,CT,组成丙类谐振功率放大器。,丙类功放的基极偏置电压,V,BE,是利用发射极电流的直流分量,I,E0,(,I,E0,I,c0,),在射极电阻,Re,上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路,。,变压器的次级为输出回路,:,集电极基波电压的振幅,:,Vcm,=,Icm,RL,式中，,Icm,为集电极基波电流的振幅；,RL,为集电极负载阻抗。,谐振功率放大器的原理同一般放大器的原理是类似的,即利用输入到基极的信号,来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转化为交流信号功率输出。为提高效率，增加输出功率,高频功放一般采用丙类放大。在丙类状态下,放大器集电极电流,ic,是脉冲状，因而包含很多谐波成分,有很大失真。但谐振功放的集电极电路内采用了并联谐振回路，当该回路谐振于基频，则它对基频呈现很大的纯电阻性阻抗,而对谐波的阻抗很小,可以看作短路。因此,并联谐振电路由于通过,ic,所从产生的压降,vc,也几乎只有基频。由于谐振回路的滤波作用,尽管,ic,的失真很大,仍然能够得到正弦波输出。,三、实验应知知识,（,2,）高功放的,主要技术指标与外部特性,输出功率,高频功放的输出功率是指放大器的负载,R,L,上得到的最大不失真功率。也就是集电极的输出功率，即,效率,常将集电极的效率视为高频功放的效率，用 表示，当集电极回路谐振时， 的值由下式计算：,功率增益,功放的输出功率,P,o,与输入功率,P,i,之比称为功率增益，用,A,P,(,单位：,dB),表示。,1,）,高功放的,主要技术指标,三、实验应知知识,2,）高功放的,主要外部特性,高频功率放大器的负载特性,谐振功放的直流电源,VBB,、,VCC,及激励电压,Vbm,不变时，放大器的输出电流,Ico,、,Icm1,输出电压,Vcm,及功率、效率随负载变化的特性，称为放大器负载特性。,高频功率放大器的振幅特性,谐振功放的直流电源,VBB,、,VCC,及负载,RL,不变时，激励电压,Vbm,变化时，放大器的输出电流,Ico,、,Icm1,输出电压,Vcm,及功率、效率随,Vbm,变化的特性，称为放大器的振幅特性。,高频功率放大器的调谐特性,谐振功放的外部电流,Ico,、,Ieo,和输出电压,Vcm,及功率、效率随回路调谐电容（或电感）变化的特性，称为放大器的调谐特性。,（,3,）,高频功放的调谐测试电路,示波器监测波形失真,高频信号发生器提供激励信号电压与工作频率,直流毫安表,mA,测量集电极的直流电流,高频电压表,V,测量负载,R,L,的端电压,在集电极回路处于谐振状态时，放大器的输出功率可以由下式计算：,在回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器监测的波形为不失真基波。,三、实验应会知识,3,、,1,实验用高频谐振功率放大器实验电路组成,第一级甲类前置高频电压放大器,第二级甲类前置高频电压放大器,丙类谐振高频功率放大器,实验用高频谐振功率放大器电路它由,3,级放大器组成。其中，,BG1,、,BG2,是两级甲类前置放大器，,C2,、,C6,用以调谐，,A,、,B,点用作为这两级的输出测试点。,BG3,为末级丙类功率放大器，当,K4,断开时可在,C,、,D,间串入万用表（直流电流档），以监测,IC0,值。同时，,E,点可近似作为集电极电流,i,C,波形的测试点（,R10=10O,，,C9=100pF,，因而,C9,并未对,R10,构成充分的旁路）。,K1-K3,用以改变集电极负载电阻。,实验现场操作规程,a,、注意安全操作规程，确保人身安全,注意人身安全和仪器设备的安全,为了防止器件损坏，在切断实验电路板上的电源后才能改接电路。,调换仪器时应切断实验台的电源。,逐步养成用右手进行单手操作的习惯。,b,、爱护仪器设备,仪器在使用过程中，不必经常开关电源。,切忌,无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮。,仪器设备出现问题，请向老师寻求帮助，,请勿,随便调换配件。,注意仪表允许安全电压（或电流），切勿超过！,当被测量的大小无法估计时，应从仪表的最大量程开始测试，然后逐渐减小量程。,三、实验应会技能,1,、甲类,丙类放大器直流工作状态与特点的测定,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,连接,+12V,电源与地,连接,“,CD,”,与,RL=120,选定并插上实验电路模块,按下表所列要求，用万用表分别测量,V1,、,V2,、,V3,管的各极静态直流电压，并将测量数据填入表中,根据实验数据，分析甲类与丙类放大器直流静态区别，体会丙类功放直流状态的特点。,电源,+12V,功放模块,万用表,静态测量,Vb(V,),Ve(V,),Vc(V,),Vce(V,),结论：,BG1,BG2,BG3,动态测量,Vb(V,),Ve(V,),Vc(V,),Vce(V,),BG3,三、实验应会技能,2,、两级甲类前置放大器的调整与测量,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,连接,+12V,电源与地,断开,“,CD,”,；,RL=120,选定并插上实验电路模块,实,验,数据测量,Vi=6.5 MHZ/80-100mVp-p,等幅波加入,IN,与地之间。,“,CH1,检测,”,CH2,分别测量缓冲放大器输出（,A,与,B,），并适当微调高信器频率，使放大器谐振。,输出信号最大不失真。记录测量结果。,记录谐振时，两级前置放大器的谐振频率,fo,= ?,并,记录谐振时,Vi,与,Vo,信号波形。,Vi,t,Vo,t,Vi=,函数式,V0=,函数式,谐振时,三、实验应会技能,2,、丙类谐振功放的调整与测量,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,连接,+12V,电源与地,连接,“,CD,”,与,RL=120,实,验,数据测量,Vi=fo/60-80mVp-p,等幅波加入,IN,与地之间。,“,CH1,检测,”,CH2,测量谐振功放输出（,OUT,），并适当微调高信器频率，使放大器谐振。,输出信号最大不失真。记录此时的,Fo,= ?,记录谐振时，谐振功率放大器的谐振频率,fo,= ?,并,记录谐振时,Vi,与,Vo,、,Ie,信号波形。,Vi,t,Vo,t,谐振时,Ie,t,三、实验应会技能,3,、丙类谐振功放的调谐特性与测量,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,保持以上设置不变,测试条件：,Vcc,=+12V RL =120,输入信号频率,=,谐振频率,fo,实,验,数据测量, 使高功放处于最佳谐振状态。, 按表所列要求，以谐振频率作标准，并以,0.1MHZ,为步进，改变高信器的输入信号的频率，保持输入信号幅度（,V2,的,B,点）不变，记录各频率点的输出电压值，得出结论。,f(MHz,),fo,Vi(V,),Vo(V,),结论,根据实验测量数据的结果，说明什么是高功放的调谐特性？,三、实验应会技能,4,、,丙类功率放大器负载特性测定,测试电路框图和实验测试条件同上：,测试条件：,Vcc,=+12V,RL =120,输入信号频率,=,谐振频率,fo, 使高功放处于最佳谐振状态。, 用示波器“,CH1,”,探头检测,“,高频功率放大器,”,实验板的“,Ie,”,波形；,用示波器,”,CH2,”,探头检测,“,高频功率放大器,”,实验板的,“,OUT,”,波形。, 适当调整高频信号发生器的输出信号幅度，使放大器处于过压工作状态，即使,Ie,出现双峰，并记录此时的电流波形。, 改变负载（用连接线），使负载电阻依次变为,7550,。观察并记录不同负载时的电流波形。,根据实验测量数据的结果，说明什么是高功放的负载特性？,三、实验应会技能,三、实验应会技能,5,、,丙类功率放大器放大特性测定,测试电路框图和实验测试条件同上：,测试条件：,Vcc,=+12V,RL =120,输入信号频率,=,谐振频率,fo, 使高功放处于最佳谐振状态。, 用示波器“,CH1,”,探头检测,“,高频功率放大器,”,实验板的“,Ie,”,波形；,用示波器,”,CH2,”,探头检测,“,高频功率放大器,”,实验板的,“,OUT,”,波形。, 适当调整高频信号发生器的输出信号幅度旋钮，使放大器处于欠压工作状态，即,Ie,出现尖顶余弦脉冲，注意观测此时输出信号幅度随输入信号幅度变化的特点（输出信号与输入信号变化成正比）。, 缓慢增大输入信号幅度，使放大器处于临界工作状态，即,Ie,由尖顶余弦脉冲变化到即将出现双峰的时刻，注意观测此时输出信号幅度与输入信号幅度变化的特点（输出信号最大）。, 继续增大输入信号幅度。当输入信号幅度增大到一定程度时，放大器将由临界进入到过压工作状态，即,Ie,由尖顶余弦脉冲变化到集电极电流脉冲则出现凹陷的双峰，注意观测此时输出信号幅度与输入信号幅度变化的特点（输出电压振幅增长缓慢）。,根据实验测量的结果，体会高功放的最佳工作状态？,三、实验应会技能,6,、,高频功率放大器输出功率、效率的测量与计算, 按表所列要求，测试并记录相应的数据。,测试条件：,Vcc,=+12V RL =75,输入信号频率,=,谐振频率,fo, 使高功放处于最佳谐振状态。,Fo,=,实测,实测计算,RL=75,Vb,Ve,Vce,Vi,Vo,Io,Ic,P=,Po,Pc,丙类放大器, 依据测试数据，计算出本谐振功率放大器的主要性能指标。,Vi,：输入电压峰峰值,(BG3,基极处,),Vo,：输出电压峰峰值 （,BG3,的输出）,Io,：发射极直流电压,发射极电阻值 （,10,）,Ic,:,集电极回路测量的电流,P=,：电源供给的直流功率（,P= =,Vcc,*Io,）,Pc,：为管子损耗功率（,Pc,IcVce,）,Po,：输出功率 （,po,=1/2(Vo2/RL),:,高功放效率 （,po/p=,）,五、实验报告内容与思考题,一、实验报告内容：,1,、写明实验目的,.,2,、画出实验电路原理图并说明实验电路的工作原理。,3,、写明实验所用仪器。,4,、写明实验项目并整理实验数据,。,二、实验思考题：,1,、对实验结果进行分析，说明输入信号振幅,Vbm,、集电极电源电压,VCC,、集电极负载对谐振功率放大器工作的影响（工作状态，电压、电流波形，功率、效率）。,2,、说明功放电路欠压、过压与临界工作状态的特点？,正弦波振荡器,下次实验提示,实验预习内容,三点式,LC,振荡器,串联与并联改进（克拉泼与西勒电路）,晶体振荡器,静态工作点,IC,变化、反馈系数、等效,Q,值对振荡器工作的影响,