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高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)

一、      實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
進(jìn)一步掌握高頻諧振功率放大器的工作原理。
掌握諧振功率放大器的調(diào)諧特性和負(fù)載特性。
掌握激勵(lì)電壓、集電極電源電壓及負(fù)載變化對放大器工作狀態(tài)的影響。

二、實(shí)驗(yàn)使用儀器
1．小信號調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬用表
三、實(shí)驗(yàn)基本原理與電路
1.高頻諧振功率放大器原理電路
高頻諧振功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它可以將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。高頻諧振功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件，其作用是放大信號，使之達(dá)到足夠的功率輸出，以滿足天線發(fā)射和其它負(fù)載的要求。
高頻諧振功率放大器研究的主要問題是如何獲得高效率、大功率的輸出。放大器電流導(dǎo)通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ＝180，效率η最高為50％，而丙類功放的θ＜90°，效率η可達(dá)到80％。諧振功率放大器采用丙類功率放大器，采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的丙類功率放大器稱為高頻諧振功率放大器。

圖中u_b為輸入交流信號，E_B是基極偏置電壓，調(diào)整E_B，改變放大器的導(dǎo)通角，以改變放大器工作的類型。E_C是集電極電源電壓。集電極外接LC并聯(lián)振蕩回路的功用是作放大器負(fù)載。放大器工作時(shí)，晶體管的電流、電壓波形及其對應(yīng)關(guān)系如圖9-2所示。晶體管轉(zhuǎn)移特性如圖2.2中虛線所示。由于輸入信號較大，可用折線近似轉(zhuǎn)移特性，如圖中實(shí)線所示。圖中為管子導(dǎo)通電壓，g_m為特征斜率。
設(shè)輸入電壓為一余弦電壓，即
                            u_b=U_bmcosωt
則管子基極、發(fā)射極間電壓u_BE為
u_BE=E_B+u_b=E_B+U_bmcosωt
在丙類工作時(shí)，E_B<，在這種偏置條件下，集電極電流i_C為余弦脈沖，其最大值為i_Cmax，電流流通的相角為2θ，通常稱θ為集電極電流的通角，丙類工作時(shí)，θ<π/2 。把集電極電流脈沖用傅氏級數(shù)展開，可分解為直流、基波和各次諧波

i_C=I_C0+i_c1+i_c2+=I_C0+I_c1mcosωt+I_c2mcos2ωt+…
式中，I_C0為直流電流，I_c1m、I_c2m分別為基波、二次諧波電流幅度。

諧振功率放大器的集電極負(fù)載是一高Q的LC并聯(lián)振蕩回路，如果選取諧振角頻率ω₀等于輸入信號u_b的角頻率ω，那么，盡管在集電極電流脈沖中含有豐富的高次諧波分量，但由于并聯(lián)諧振回路的選頻濾波作用，振蕩回路兩端的電壓可近似認(rèn)為只有基波電壓，即
u_c=U_c_mcosωt=I_c1mR_ecosωt
式中，U_cm為u_c的振幅；R_e為LC回路的諧振電阻。在集電極電路中，LC振蕩回路得到的高頻功率為

集電極電源E_C供給的直流輸入功率為

集電極效率η_C為輸出高頻功率P_o與直流輸入功率P_E之比，即

     靜態(tài)工作點(diǎn)、輸入信號、負(fù)載發(fā)生變化，諧振功率放大器的工作狀態(tài)將發(fā)生變化。如圖9-3所示。當(dāng)C點(diǎn)落在輸出特性(對應(yīng)u_BEmax的那條)的放大區(qū)時(shí)，為欠壓狀態(tài)；當(dāng)C點(diǎn)正好落在臨界點(diǎn)上時(shí)，為臨界狀態(tài)；當(dāng)C點(diǎn)落在飽和區(qū)時(shí)，為過壓狀態(tài)。諧振功率放大器的工作狀態(tài)必須由E_C、E_B、U_bm、U_cm四個(gè)參量決定，缺一不可，其中任何一個(gè)量的變化都會(huì)改變C點(diǎn)所處的位置，工作狀態(tài)就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。

負(fù)載特性是指當(dāng)保持E_C、E_B、U_bm不變而改變R_e時(shí)，諧振功率放大器的電流I_C0、I_c1m，電壓U_cm，輸出功率P_o，集電極損耗功率P_C，電源功率P_E及集電極效率η_C隨之變化的曲線。從上面動(dòng)特性曲線隨R_e變化的分析可以看出，R_e由小到大，工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進(jìn)入過壓。相應(yīng)的集電極電流由余弦脈沖變成凹陷脈沖。
集電極調(diào)制特性是指當(dāng)保持E_B、U_bm、R_e不變而改變E_C時(shí)，功率放大器電流I_C0、I_c1m，電壓U_cm以及功率、效率隨之變化的曲線。當(dāng)E_C由小增大時(shí)，u_CEmin=E_C-U_cm也將由小增大，因而由u_CEmin、u_BEmax決定的瞬時(shí)工作點(diǎn)將沿u_BEmax這條輸出特性由特性的飽和區(qū)向放大區(qū)移動(dòng)，工作狀態(tài)由過壓變到臨界再進(jìn)入欠壓，i_C波形由i_Cmax較小的凹陷脈沖變?yōu)閕_Cmax較大的尖頂脈沖，如圖9-5所示。由集電極調(diào)制特性可知，在過壓區(qū)域，輸出電壓幅度U_cm與E_C成正比。利用這一特點(diǎn)，可以通過控制E_C的變化，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率的相應(yīng)變化，這種功能稱為集電極調(diào)幅，所以稱這組特性曲線為集電極調(diào)制特性曲線。

基極調(diào)制特性是指當(dāng)E_C、U_bm、R_e保持不變而改變E_B時(shí)，功放電流I_C0、I_c1m，電壓U_cm以及功率、效率的變化曲線。當(dāng)E_B增大時(shí)，會(huì)引起θ、i_Cmax增大，從而引起I_C0、I_c1m、U_cm增大。由于E_C不變，u_CEmin=E_C-U_cm則會(huì)減小，這樣勢必導(dǎo)致工作狀態(tài)會(huì)由欠壓變到臨界再進(jìn)入過壓。進(jìn)入過壓狀態(tài)后，集電極電流脈沖高度雖仍有增加，但凹陷也不斷加深，i_C波形如圖9-6所示。利用這一特點(diǎn)，可通過控制E_B實(shí)現(xiàn)對電流、電壓、功率的控制，稱這種工作方式為基極調(diào)制，所以稱這組特性曲線為基極調(diào)制特性曲線。

放大特性是指當(dāng)保持E_C、E_B、R_e不變，而改變U_bm時(shí)，功率放大器電流I_C0、I_c1m，電壓U_cm以及功率、效率的變化曲線。U_bm變化對諧振功率放大器性能的影響與基極調(diào)制特性相似。i_C波形及I_C0、I_c1m、U_cm、P_o、P_E、ηC隨U_bm的變化曲線如圖9-7所示。由圖可見，在欠壓區(qū)域，輸出電壓振幅與輸入電壓振幅基本成正比，即電壓增益近似為常數(shù)。利用這一特點(diǎn)可將諧振功率放大器用作電壓放大器，所以稱這組曲線為放大特性曲線。

2.實(shí)驗(yàn)電路
高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路如圖9-8。

圖9-8 高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
  1．高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)整。
2．諧振功率放大器的負(fù)載特性測試---負(fù)載變化對放大器工作狀態(tài)的影響測試。
3．集電極電源電壓變化對放大器工作狀態(tài)的影響（集電極調(diào)制特性）的測試。
（一）  實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)試

五、實(shí)驗(yàn)步驟
1．高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)整
⑴ 在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路模塊。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開關(guān)電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。實(shí)驗(yàn)箱上高頻信號源10.7MHz信號（來自LC、晶體振蕩電路模塊，要求電路規(guī)定的諧振頻率符合輸入信號頻率）由IN1端接入高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路，幅度在200mV左右。
⑵ 調(diào)整電位器RW1和微調(diào)CV1、CV2、B1、B2, 在OUT端用示波器，觀測到放大后的不失真的輸入信號。
2．高頻諧振功率放大器的負(fù)載特性測試
    調(diào)整RW3，保持電源電壓為最大值（測量TP5點(diǎn)），激勵(lì)電壓U_bm一定，改變負(fù)載R_L，觀察對電壓波形、電流波形的影響，測量輸出電壓Uo、TP3發(fā)射極平均電流I_C0（注意，電流信號對外部干擾比較敏感，本次實(shí)驗(yàn)測電流值時(shí)請將探頭及示波器設(shè)成X10檔），因基極電流極小，故I_C0_≈Ie₀

表9-1諧振功率放大器的負(fù)載特性測試                    U_bm=    V Ec=    V

R_L （Ω）
斷開J2測

Uo  （V）

I_C0（mA）

3．集電極電源電壓變化對放大器工作狀態(tài)的影響（集電極調(diào)制特性）的測試
保持激勵(lì)電壓U_bm，負(fù)載R_L 不變，調(diào)整RW4改變Ec，測量TP3點(diǎn)，觀察對電壓波形、電流波形的影響、測量輸出電壓Uo、由TP3發(fā)射極平均電流I_C0＝V（TP3）/R7。

表9-2諧振功率放大器的負(fù)載特性測試                    U_bm=    V  R_L=   Ω

Ec （V）

Uo  （V）

I_C0（mA）

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1．由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析負(fù)載R_L、電壓Ec對高頻諧振放大器工作狀態(tài)的影響。
2．繪出U_Cm ~ R_L， I_C0~ R_L曲線。
3．繪出U_Cm ~ Ec，  I_C0~ Ec 曲線。
4.總結(jié)由本實(shí)驗(yàn)所獲得的體會(huì)。

教學(xué)設(shè)備

產(chǎn)品分類

高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)

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