高频谐振功率放大器实验

高频谐振功率（W）放大器实验

一、 实验目的
进一步掌控把握高频谐振功率（W）放大器的作业原理。
掌控把握谐振功率（W）放大器的调谐特性和负载特性。
掌控把握激励电压（V）、集电极电源电压（V）及负载改变对放大器作业状态的影响。

二、实验使用仪表器具
1．小信号调谐放大器实验板
2．20MH双踪示波器
3. 万用表
三、实验基础原理与电子回路
1.高频谐振功率（W）放大器原理电子回路
高频谐振功率（W）放大器是一种能量变换器件，它可以将电源供给的直线DC能量变换为高频交流ACAC输出。高频谐振功率（W）放大器是通信系统中发送装置的重要结合套件，其作用是放大信号，使之达到足够的功率（W）输出，以适用天线发射和其它负载的要求。
高频谐振功率（W）放大器研究的主要问题是如何获取高效率、大功率（W）的输出。放大器电流（A）导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ＝180，效率η最高为50％，而丙类功放的θ＜90°，效率η可达到80％。谐振功率（W）放大器应用丙类功率（W）放大器，应用选频互联网作为负载线路的丙类功率（W）放大器称为高频谐振功率（W）放大器。

图中u_b为写入交流ACAC信号，E_B是基极偏置电压（V），调节E_B，改变放大器的导通角，以改变放大器作业的类型。E_C是集电极电源电压（V）。集电极外接LC并联振荡线路的功用是作放大器负载。放大器作业时，晶体管的电流（A）、电压（V）波动线及其对应关系如图9-2所示。晶体管转移特性如图2.2中虚线所示。由于写入信号较大，可用折线近似转移特性，如图中实线所示。 图中为管子导通电压（V），g_m为特征斜率。
设写入电压（V）为一余弦电压（V），即
u_b=U_bmcosωt
则管子基极、发射极间电压（V）u_BE为
u_BE=E_B+u_b=E_B+U_bmcosωt
在丙类作业时，E_B<，在这种偏置条件下，集电极电流（A）i_C为余弦脉冲，其最大值为i_Cmax，电流（A）流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流（A）的通角，丙类作业时，θ<π/2 。把集电极电流（A）脉冲用傅氏级数展开，可分解为直线DC、基波和各次谐波

i_C=I_C0+i_c1+i_c2+=I_C0+I_c1mcosωt+I_c2mcos2ωt+…
式中，I_C0为直线DC电流（A），I_c1m、I_c2m分别为基波、二次谐波电流（A）幅度。


谐振功率（W）放大器的集电极负载是一高Q的LC并联振荡线路，如果选取谐振角频率ω₀等于写入信号u_b的角频率ω，那么，尽管在集电极电流（A）脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振线路的选频滤波作用，振荡线路两端的电压（V）可近似认为只有基波电压（V），即
u_c=U_cmcosωt=I_c1mR_ecosωt
式中，U_cm为u_c的振幅；R_e为LC线路的谐振电阻。在集电极电子回路中，LC振荡线路得到的高频功率（W）为

集电极电源E_C供给的直线DC写入功率（W）为


集电极效率η_C为输出高频功率（W）P_o与直线DC写入功率（W）P_E之比，即


静态作业点、写入信号、负载发生改变，谐振功率（W）放大器的作业状态将发生改变。如图9-3所示。当C点落在输出特性(对应u_BEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率（W）放大器的作业状态必须由E_C、E_B、U_bm、U_cm四个参量决定，缺一不可，其中任何一个量的改变全部会改变C点所处的位置，作业状态就会相应地发生改变。

负载特性是指当保持E_C、E_B、U_bm不变而改变R_e时，谐振功率（W）放大器的电流（A）I_C0、I_c1m，电压（V）U_cm，输出功率（W）P_o，集电极损耗功率（W）P_C，电源功率（W）P_E及集电极效率η_C随之改变的弯弯曲线。从上面动特性弯弯曲线随R_e改变的解析可以看出，R_e由小到大，作业状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流（A）由余弦脉冲变成凹陷脉冲。
集电极调制特性是指当保持E_B、U_bm、R_e不变而改变E_C时，功率（W）放大器电流（A）I_C0、I_c1m，电压（V）U_cm以及功率（W）、效率随之改变的弯弯曲线。当E_C由小增大时，u_CEmin=E_C-U_cm也将由小增大，因而由u_CEmin、u_BEmax决定的瞬时作业点将沿u_BEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区位移，作业状态由过压变到临界再进入欠压，i_C波动线由i_Cmax较小的凹陷脉冲变为i_Cmax较大的尖顶脉冲，如图9-5所示。由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压（V）幅度U_cm与E_C成正比。运用这一特别点，可以经过控制E_C的改变，完成电压（V）、电流（A）、功率（W）的相应改变，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性弯弯曲线为集电极调制特性弯弯曲线。


基极调制特性是指当E_C、U_bm、R_e保持不变而改变E_B时，功放电流（A）I_C0、I_c1m，电压（V）U_cm以及功率（W）、效率的改变弯弯曲线。当E_B增大时，会引起θ、i_Cmax增大，从而引起I_C0、I_c1m、U_cm增大。由于E_C不变，u_CEmin=E_C-U_cm则会减小，这样势必导致作业状态会由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流（A）脉冲高度虽仍有多加，但凹陷也不断深入，i_C波动线如图9-6所示。运用这一特别点，可经过控制E_B完成对电流（A）、电压（V）、功率（W）的控制，称这种作业方法为基极调制，所以称这组特性弯弯曲线为基极调制特性弯弯曲线。


放大特性是指当保持E_C、E_B、R_e不变，而改变U_bm时，功率（W）放大器电流（A）I_C0、I_c1m，电压（V）U_cm以及功率（W）、效率的改变弯弯曲线。U_bm改变对谐振功率（W）放大器功能的影响与基极调制特性相似。i_C波动线及I_C0、I_c1m、U_cm、P_o、P_E、ηC随U_bm的改变弯弯曲线如图9-7所示。由图可见，在欠压区域，输出电压（V）振幅与写入电压（V）振幅基础成正比，即电压（V）增益近似为常数。运用这一特别点可将谐振功率（W）放大器用作电压（V）放大器，所以称这组弯弯曲线为放大特性弯弯曲线。

2.实验电子回路
高频谐振功率（W）放大器实验电子回路如图9-8。


图9-8 高频谐振功率（W）放大器实验电子回路

四、实验内容
1．高频谐振功率（W）放大器实验电子回路的调节。
2．谐振功率（W）放大器的负载特性测量试验---负载改变对放大器作业状态的影响测量试验。
3．集电极电源电压（V）改变对放大器作业状态的影响（集电极调制特性）的测量试验。
（一） 实验电子回路的调节测试

五、实验步骤
1．高频谐振功率（W）放大器实验电子回路的调节
⑴ 在实验箱主板上插上高频谐振功率（W）放大器实验电子回路模型块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。 实验箱上高频信号源10.7MHz信号（来自LC、晶体振荡电子回路模型块，要求电子回路规定的谐振频率符合写入信号频率）由IN1端接入高频谐振功率（W）放大器实验电子回路，幅度在200mV左右。
⑵ 调节电位器RW1和微调CV1、CV2、B1、B2, 在OUT端用示波器，查看到放大后的不失真的写入信号。
2．高频谐振功率（W）放大器的负载特性测量试验
调节RW3，保持电源电压（V）为最大值（测量TP5点），激励电压（V）U_bm一定，改变负载R_L，查看对电压（V）波动线、电流（A）波动线的影响，测量输出电压（V）Uo、TP3发射极平均电流（A）I_C0（注意，电流（A）信号对外部干扰对比敏感，本次实验测电流（A）值时请将探头及示波器设成X10档），因基极电流（A）极小，故I_C0≈Ie₀

表9-1谐振功率（W）放大器的负载特性测量试验 U_{bm= V} Ec= V

RL （Ω） 断开J2测
Uo （V）
IC0 （mA）

3．集电极电源电压（V）改变对放大器作业状态的影响（集电极调制特性）的测量试验
保持激励电压（V）U_bm，负载R_L 不变，调节RW4改变Ec，测量TP3点，查看对电压（V）波动线、电流（A）波动线的影响、测量输出电压（V）Uo、由TP3发射极平均电流（A）I_C0＝V（TP3）/R7。

表9-2谐振功率（W）放大器的负载特性测量试验 U_{bm= V} R_L= Ω

Ec （V）
Uo （V）
IC0 （mA）

六、实验报告要求
1．由实验数值解析负载R_L、电压（V）Ec对高频谐振放大器作业状态的影响 。
2． 绘出U_Cm ~ R_L， I_C0 ~ R_L 弯弯曲线。
3．绘出U_Cm ~ Ec， I_C0~ Ec 弯弯曲线。
4.总结由本实验所获取的体会。