实验一 高频丙类功率放大器要点_丙类高频功率放大器
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实验一 高频丙类功率放大器
在高频范围内为获得足够大的高频输出功率, 必须采用高频放大器, 高频功率放大器主 要用于发射机的未级和中间级, 它将振荡产生的信号加以放大, 获得足够高频功率后, 再送 到天线上辐射出去。另外,它也用于电子仪器作未级功率放大器。
高频功率放大器要求效率高, 输出功率大。丙类放大器它是紧紧围绕如何提高它的效率 而进行的。高频功率放大器的工作频率范围一般为几百 kHz — 几十 MHz。一般都采用 LC 谐 振网络作负载, 且一般都是工作于丙类状态, 如果要进一步提高效率, 也可工作于丁类或戊 类状态。
一、实验目的及要求(一 实验目的1.进一步了解高频丙类功率放大器的工作原理和调试技术。2.熟悉负载变化对放大器工作状态的影响及各指标的测试方法。
3.掌握输入激励电压, 集电极电压, 基极偏置电压变化对放大器工作状态的影响。(二 实验要求
1.认真阅读本实验教材及有关教材内容。2.熟悉本实验步骤,并画出所测数据表格。3.熟悉本次实验所需仪器使用方法。(三 实验报告要求
1.写出本次实验原理及原理图。
2.认真整理记录的测试数据及绘出相应曲线图。
3.对测试结果与理论值进行比较分析,找出产生误差的原因,提出减少实验误差 的方法。
4.详细记录在调谐和测试过程中发生的故障和问题,并进行故障分析,说明排除 过程和方法。
5.本次实验收获,体会以及改进意见。
二、实验仪器及实验板 1.双踪示波器(CA8020 一台 2.高频信号发生器(XFG-7 一台
3.晶体管直流稳压电源 一台 4.数字万用表 一块 5.超高频毫伏表(DA22 一台 6.直流毫安表 一块 7.高频丙类功率放大器实验板 一块
三、实验原理及公式推导
高频谐振放大器的主要作用是使电路输出功率大, 效率高;主要特点是用谐振回路来实 现阻抗变换,并且为了提高效率常工作在丙类状态。
高频功率放大器一般有两种:窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。前者由于频 带比较窄, 故常用选频网络作为负载回路, 所以又称为谐振功率放大器。而宽带高频功率放 大器的输出电路则是传输线变压器或其它宽带高频功率放大器, 以高效率, 小失真得到较大 输出功率。因此一般都工作在丙类状态。其导通角小于 π,其通角小于 π/2。
如图 1所示是丙类功率放大器原理图。图中 LC 谐振回路为集电极的负载, c E 为集电极 直流电源, b E 为基极负偏置电源。b U 是高频输入信号, t U U bm b ωcos =
可见,只有输入信号电压足够大时,即 b b b E E U '+>(b E '为晶体管截止偏压 时晶体管 才导通。显然电流的通角
高频功率放大器是由输入回路,晶体管、负载和电源几部分组成。1.高频丙类功率放大器的输出功率和效率。
为了便于计算脉冲电流 c i , 将晶体管的动态转移特性曲线 be c U i-用折线 m g 表示。如图 2所示。
由图 2可知: cos('(b b bm m b be m c E E t U g E U g i '-+=-=ω(1 m g 为跨导。当 θω=t 时, 0=c i =θc o s bm b b U E E-'(2 当 0=t ω时 , 1((max bm b b bm m b b bm m c c U E E U g E E U g i i-'-='-+== = cos 1(θ-bm m U g(3 由(1(2(3式得出 :θ
θ
ωcos 1cos cos max--⋅ =t i i c c(4 因为丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲,是以 ω为角频率的周期性函数。故 可用付里叶级数求系数方法来表示它的直流、基波分量,各次谐波分量的数值。
由付氏级数的系数求得: cos 1(cos sin 21max 0θπθ θθωπ π π--== ⎰-c c c i t d i I cos 1(cos sin cos 1 max 1θπθ θθωωπ
π π--== ⎰-c c m c i t td i I ] cos 1(1([ cos cos(sin2cos 1 2max θπθθθωωπ π π---== ⎰-n n n n n i t td n i I c c cnm 上述三 式可写成:(0max 0θαc c i I =(1max 1θαc m c i I =(max θαn c cnm i I =(,(,(10θαθαθαn 为余弦脉冲电流 c i 的分解系数。因此 c i 分解为付氏级数为:
t n I t I t I I i cnm m c m c c c ωωωcos 2cos cos 210++++=
在功率放大器中, 主要研究它的输出功率和效率。为什么要工作于丙类状态, 从三极管 输出功率来看: dt E i P c c ⎰-= θ θπ 210 直流电源供给功率:0c c dc I E P = 三级管输出功率:e m c e m c out R U R I P 2 121212 1== e R 为 L R 折合到集电极谐振回路初级的阻抗。集电极效率:(2 1 2121101011θξεηg I I I I E U P P c m c c m c c m c dc out ====
m c U 1为集电极基波电压振幅,(1θg 为波形参数, ξ为集电极电源电压利用系数。为
了得到足够大的输出功率,应使它工作在临界状态。使 c m c E U =1,即 1=ξ。θ θθθ θθξ
ηcos sin cos sin 21212 1 0101--= =⋅=c m c c m c I I I I 可以看出减少管耗 c P , 或者提高 ξ和(1θg 都可以提高放大器的效率。这是因为:(1要减少集电极损耗功率 c P ,则要求减少 ce U。当管内有较大电流 c i 时, ce U 应尽 量减少,最好在 c i 整个流通时间内 ce U 均很小,或者当 ce U 较大时,要尽量减少集电极电流
c i。
(2要提高集电极效率,则要求提高集电极电压利用系数 ξ。m c U 1增大, ξ可增大, 因为 m c U 1增大使 ce U 减小。(t U E U m c c ce ωcos 1-= ,所以,当 c i 较大时, ce U 的减少使 得管子集电极损耗 c P 减少,从而提高效率。
图 3 甲、乙、丙类三种工作状态
(3要提高效率,也可增大(1θg。θ的减少,可使(1θg 增大,于是提高效率。θ减 少,意味着减少 c i 与 ce U 均不为零的时间,这可用甲、乙、丙 3种工作状态的集电极电压、电流波形来说明,如图 3所示。
甲类在一个周期中都有 c i 流通,因而 ce U 正半周,也有 c i ,所以管耗大,效率低。乙类 c i 只有半个周期流通,而且,当放大器的负载为电阻时, c i 流通半周正好与 ce U 负
半周相对应,此时, ce U 小,因而效率比甲类高。
丙类工作时波形, c i 流通时间小于半个周期, 当集电极谐振回路对激励信号谐振时, c i 仅在 ce U 负半周瞬时值较大时流过,此时 ce U 较小,所以丙类比乙类效率高。当 2π
θ
当 θ→ 0时,使得输出功率也显著下降,为了兼顾输出功率和不使激励功率过大,因而 θ不能太小,从而限制效率提高。一般情况下 ππθ18
73-= 时,相应的集电极效率较大, η在 80%-90%之间。
2.丙类功率放大器的负载特性 丙类功率放大器的负载特性是指在 c E、b E、bm U 不变的条件下,各种电流输出电压, 功率和效率等随 e R 变化的曲线。
因为高频功率放大器的工作状态取决于 e R、bm U、b E 和 c E 四个参数。如果保持 bm U、b E 和 c E 不变,则工作状态仅取决于 e R。(1负载变化对工作状态的影响
如果保持 bm U、b E 和 c E 不变则 e R 变化影响工作状态的变化如图 4所示。
从图 4看出: ① 动特性表示 e R 较小时,这时 m c U 1也较小,动态负载线 1A 在线性放大区,这种状态 称为欠压状态。在欠压状态, c i 呈余弦脉冲。
② 动特性随 e R 增加,动态负载线 2A 在临界线上,称这种状态为临界状态,此时 c i 还 是呈余弦脉冲。
③ 动特性随 e R 继续增大, 3A 进入饱和区,此时 c i 呈凹脉冲,这种状态称过压状态, 在过压状态,随 e R 增大, c i 的幅度也迅速下降,但它的基波输出电压振幅基本不变,即 c m c E U ≈1。
(2负载 e R 变化对 0c I、cm I、m c U1、out P、0P 和 η的影响。当维持 bm U、b E 和 c E 不变时, 放大器 0c I、cm I、m c U1、out P、0P 和 η随负载阻抗 e R 变化。因为 e m c m c R I U 11=。如图 5:
在欠压区:m c I 1与 0c I 基本不变, 仅随 e R 增加略有下降, m c U 1也随 e R 增加而直线增加, c P 管耗下降。把放大器看成恒流源。
在过压区:m c U 1几乎不变, 0c I 和 m c I 1则随 e R 的增大也急剧下降。把放大器看成恒压 源。
从图 5看出:集电极电源输入功率 00c c I E P =。由于 c E 不变,因而 0P 与 e R 关系曲线 和 0c I 曲线的形状相同。放大器输出功率 m c m c out U I P 112 1= , out P 与 e R 关系是根据 m c U1、m c I 1两条曲线相乘求出 来。
在临界状态时, out P 达到最大值,放大器效率也较高。这就是希望放大器工作在临界工 作状态的原因。
集电极损耗功率 out c P P P-=0,故 c P 曲线由 0P 与 out P
曲线相减得出。
在欠压区,当 e R 减小, c P 上升很快;当 e R =0时, c P 达到最大值, 可能使晶体管烧坏。(这种情况是短路放大器的效率 0 P P out =η,在欠压状态时, 0P 变化小,所以 η随 out P 增加 而增加,到临界状态后, out P 下降没有 0P 快,在过压状态时, out P 主要是随 m c I 1急剧下降而 下降,因而 η也略有下降,故在靠近临界的弱过压状态 η出现最大值。
3.放大器各级电压对工作状态的影响(1 bm U 对工作状态的影响
在讨论激励电压幅度 bm U 的变化对放大器工作状态影响,设 c E、b E、e R 不变。当 bm U 较小时, bm b be U E U +=max 也较小,从 be c U i-动态特性看出:放大器工作在欠 压状态,集电极电流为尖顶余弦脉冲。
当 bm U 增大时, max c I、m c I 1也增大,引起 e m c c ce R I E U 1-=的减少。从而使放大器由 欠压状态过渡到过压状态。
如图 6所示:
(a 为 be c U i-此称平面上 c i 的动特性。(b 为集电极电流脉冲波形。
(c m c I1、0c I、bm m c U U-1的关系。
从图 6可看出:在欠压状态时,随着 bm U 的增加,将引起 max c i 增加,于是 m c I1、0c I 和 m c U 1与 bm U 几乎成正比增加。在过压状态时,随着 bm U 的继续增加,虽然电流脉冲高度继 续增大,但其凹度增大。所以 m c I1、0c I 在过压区增加不大。在欠压区, m c U 1与 bm U 成线性 关系。
(2 b E 变化对工作状态影响(设 c E、bm U、e R 不变
由于 bm b be U E U +=max。所以 b E 变化与 bm U 变化一样,都要引用 max be U 的变化。当 c E、bm U、e R 不变时, b E 减小相当于 bm U 的增大。这样,当 b E 反向偏置向正向偏置变化 时, max c i 增大,放大器从欠压状态转入过压状态。因此, b E 变化对集电极电流脉冲波以及 0c I , m c I 1和 m c U 1的影响与 bm U 变化
引起的影响类似。如图 7,在欠压状态改变 b E , 可控制 高频输出电压,这就是基极偏压调幅的原理。
54321b b b b b E E E E E
(3集电极电源 c E 对放大器的影响
设 b E、bm U、e R 不变。当 b E、bm U 不变时, bm b be U E U +=max 也不变,若 e R 不变, 则 ce c U i-坐标平面上的 c i 的动特性的斜率也不变。
假设放大器原来工作在临界状态,则当 c E 增大, c i 动特性向右平行移动,放大器将工 作与欠压状态。反之, c E 减小, c i 动特性向左平行移动,放大器工作于过压状态。如图 8所示。
当 2c c E E >时,放大器工作在欠压状态。由于 max be U 不变,所以 c E 减小而使得 cem U 减小 时, max c i 略有下降, θ变化也很小,故 m c I1、0c I 随 c E 减小而略有下降。这样,欠压状态, c E 对 m c I 1不能有效控制。
当 2c c E E
1、0c I 随 c E 降低而明显减小, 并且 c E =0时, m c I1、0c I 均为 0。由于过压状态改变 c E 能明显改变 m c I 1的 大小,从而也能改变高频输出电压 m c U 1,这就是集电极调幅的原理。
通过上述分析,得出下列结论: 第一.在欠压区,输出功率随 e R 增大而增大,集电极损耗功率随 e R 减小而增大,(out c P P P-=0 , 当 e R 较小时,有可能使 c P 上升超过晶体管的最大管耗 max c P 而损坏晶体 管,因此, 在调试放大器功率电路时,为了防止集电极谐振回路失谐而损坏晶体管,常采用 降低电源电压 c E 值的办法便于放大器工作在过压状态下进行调试。
第二.在过压区, 0c I 随 e R 的减少而迅速增加,这对集电极谐振回路的调谐提供了一个标 准。在调谐时,适当降低 c E 的值,使放大器工作在过压状态。调节谐振回路,当 0c I 为最小 时,说明电路谐振于工作频率。
四、实验电子线路
如图 9所示,输入信号频率为 4MHz ,电源电压为 c
E =15V,输入信号由高频信号发生器 产生,经过 BG1,BG2三极管放大推动未级功放管 BG3。BG1集电极输出信号经 L1、C7、C8组成的 T 型匹配电路接 BG3基极。输出是由 L 和 C10组成的谐振回路,谐振于 4MHz 频率。当开关 K1拨在“天线”时 , 其负载就是天线。当开关 K1拨到 R 时,表示以电阻作为输出负
载。本实验要求在 75Ω负载电阻上,使信号 b U =0.6V,输出功率最大值。
五、实验内容及步骤(一仔细阅读本实验线路图;(二熟悉需测试点的位置,高频信号发生器输出 bm U 信号的幅度选在 0.6V 左右;(三丙类功放工作状态的调整
1.将开关 K1拨到“ R ”时, K2拨到“ 4” , 75Ω电阻作为输出负载,电源 c E =15V减少 到 10V ,适当的减小输入信号幅度,先分别谐振输出和输入耦合电路,使放大器满足谐振和 匹配,可用观察 0c I 为最小或 L R 上的输出信号幅度为最大的办法进行调谐。
2.若电路已调到谐振,则可将 c E 加大至 15V ,并增加输入信号幅度或 b U =0.6V,使得
输出功率最大。L L L R U P 2 =。
(四 研究直流电源电压 c E 对 L P 的影响。
保持 1c E =12V, 输入 bm U =0.6V幅度不变。将 c E 由 3V 逐渐增加至 15V, 测出相应的 L V 值。填入下表。并作出 c L E P-曲线分析图与 0c c I E-曲线分析图。
(五 研究输入信号幅度 bm U 对 L P 和集电极效率 η的影响。
L R =75Ω、c E =15V不变,改变 bm U 值,测出相应的 L V 和 0c I 值;根据测出的结果作出
bm U-L P 和 bm U-η曲线图,并进行定性分析。
(六研究 L R 对 L P 的影响
保持 bm U 不变 =0.6V。将开关 K2从“ 1”-“ 8”顺次转动;此时 L R 值从小到大,测出相 应的 L V 值 , 填入下表并画 R L-P L 曲线图。
﹡(七观察高频辐射现象
将开关 K1拨至天线,用 75Ω天线代替, 75Ω负载电阻,观察天线靠近和远离示波器输 入端。增大或减小输出功率(改变 bm U 和 c E 时高频辐射现象。
六、预习要求及思考题:
(一复习高频丙类功率放大器的工作原理。(二认真阅读本实验指导内容(三回答下列问题: 1.判断本实验电路是属于窄带还是宽带高频功率放大器,判断的依据是什么? 2.本实验电路应工作于 3.高频功率放大器的工作状态取决于 , , 4.输入电压为正弦波时, 输入电流为 输出电流为 输出电压为 5.丙类功放有 , 状态称为恒压区, 称为恒流区。
6.调谐时, LC 的谐振频率应调到为。
7.调谐时即 R L 变化,其它条件不变时,三极管管耗在(欠、过压状态下较大,为保 护三极管的安全工作,一般采用(减小,增加 Ec 的方法使放大器工作于(欠, 过压状态。调谐时,负载两端电压 U L 为(最大,最小时,或直流电流 Ic(最 大,最小时,指示调谐完毕,可恢复电源电压正常工作值。
8.在其它条件不变时, Ec 逐渐增加, 放大器的工作状态将由 状态变化。(过压,欠压,临界。在过压状态时,负载两端的电压 U L 将随 Ec 的增加而(增 加,减小,基本不变。在欠压状态时,负载两端的电压 U L 将随 Ec 的增加而(增 大,减小,基本不变。Ico 随 Ec 的增加而(增大,减小,基本不变。
9.其他条件不变, Ubm 增大时,放大器的工作状态由 状态(过 压,欠压,临界。在过压状态时,负载两端的电压 U L 随 Ubm 的增加而(增加,减 小,基本不变。Ico 的值随 Ubm 的增加而(增加,减小,基本不变。在欠压状态 下, U L 随 Ubm 的增加而(增加,减小,基本不变。Ico 的值随 Ubm 的增加而(增加,减小,基本不变。
10.其它条件不变时, R L 变化, 放大器的工作状态由 到 状态(过 压,欠压,临界。
七、实验报告要求: 1.分别列出所测数据(表格形式。并用坐标纸画出所对应的曲线。
2.对所得出的曲线的特性进行分析, ,即变化参数对工作状态的影响。3.对实验中所遇到的问题进行分析,总结。
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