高頻 諧振功率放大器

1、諧振功率放大器實驗 121180166 趙琛高頻諧振功率放大器實驗121180166 趙琛1、實驗目的1. 進一步掌握高頻丙類諧振功率放大器的工作原理。2. 掌握丙類諧振功率放大器的調諧特性和負載特性。3. 掌握激勵電壓、集電極電源電壓及負載變化對放大器工作狀態(tài)的影響。4. 掌握測量丙類功放輸出功率，效率的方法。二、實驗使用儀器1. 丙類諧振功率放大器實驗板2. 200MH泰克雙蹤示波器3. FLUKE萬用表 4. 高頻信號源 5. 掃頻頻譜儀（安泰信） 6 . 高頻毫伏表 三、實驗基本原理與電路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換器件，它可以將電源供給的直流能量轉換

2、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，使之達到足夠的功率輸出，以滿足天線發(fā)射和其它負載的要求。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。放大器電流導通角愈小，放大器的效率愈高。如甲類功放的180，效率最高為50，而丙類功放的90，效率可達到80。諧振功率放大器采用丙類功率放大器，采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的丙類功率放大器稱為高頻諧振功率放大器。高頻諧振功率放大器原理電路如圖3-1。圖中Ub為輸入交流信號，EB是基極偏置電壓，調整EB，改變放大器的導通角，以改變放大器工作的類型。EC是集電極電源電壓。集電極外接LC并聯(lián)振蕩回路的功

3、用是作放大器負載。放大器工作時，晶體管的電流、電壓波形及其對應關系如圖3-1所示。晶體管轉移特性如圖3.2中虛線所示。由于輸入信號較大，可用折線近似轉移特性，如圖中實線所示。 圖中為管子導通電壓，gm為特征斜率（跨導）。圖3-1 高頻諧振功率放大器的工作原理設輸入電壓為一余弦電壓，即 ub=Ubmcost則管子基極、發(fā)射極間電壓uBE為uBE=EB+ub=EB+Ubmcost在丙類工作時，EB，在這種偏置條件下，集電極電流iC為余弦脈沖，其最大值為iCmax，電流流通的相角為2，通常稱為集電極電流的通角，丙類工作時，/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iC=IC

4、0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcost+Ic2mcos2t+式中，IC0為直流電流，Ic1m、Ic2m分別為基波、二次諧波電流幅度。 圖3-2高頻諧振功率放大器電壓和電流關系諧振功率放大器的集電極負載是一高Q的LC并聯(lián)振蕩回路，如果選取諧振回路的諧振角頻率0等于輸入信號ub的角頻率，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為只有基波電壓，即uc=Ucmcost=Ic1mRecost式中，Ucm為uc的振幅；Re為LC諧振回路的諧振電阻。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EC供給的直流輸入功率為集

5、電極效率C為輸出高頻功率Po與直流輸入功率PE之比，即 靜態(tài)工作點、輸入激勵信號幅度、負載電阻，集電極電源電壓發(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3-3所示，當C點落在輸出特性(對應uBEmax的那條)的放大區(qū)時，為欠壓狀態(tài)；當C點正好落在臨界點上時，為臨界狀態(tài)；當C點落在飽和區(qū)時，為過壓狀態(tài)。諧振功率放大器的工作狀態(tài)必須由集電極電源電壓EC、基極的直流偏置電壓EB、輸入激勵信號的幅度Ubm、負載電阻Re四個參量決定，缺一不可，其中任何一個量的變化都會改變C點所處的位置，工作狀態(tài)就會相應地發(fā)生變化。 圖3-3 高頻丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)負載特性是指當保持集電極電源電壓EC、

6、基極的直流偏置電壓EB、輸入激勵信號的幅度Ubm不變而改變負載電阻Re時，諧振功率放大器的電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm，輸出功率Po，集電極損耗功率PC，電源消耗的總功率PE及集電極效率C隨之變化的曲線。從上面動態(tài)特性曲線隨Re變化的分析可以看出，Re由小到大，工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進入過壓。相應的集電極電流由余弦脈沖變成凹陷脈沖，如圖3-4(a)所示。圖3-4高頻丙類諧振功率放大器的負載特性 集電極調制特性是指當保持EB、Ubm、Re不變而改變集電極電源電壓EC時，功率放大器電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm以及電源消耗的總功率、效率隨之變化的曲線。當EC由小增大時，

7、uCEmin=EC-Ucm也將由小增大，因而由uCEmin、uBEmax決定的瞬時工作點將沿uBEmax這條輸出特性由特性的飽和區(qū)向放大區(qū)移動，工作狀態(tài)由過壓變到臨界再進入欠壓，iC波形由iCmax較小的凹陷脈沖變?yōu)閕Cmax較大的尖頂脈沖，如圖3-5所示。由集電極調制特性可知，在過壓區(qū)域，輸出電壓幅度Ucm與EC成正比。利用這一特點，可以通過控制EC的變化，實現(xiàn)集電極輸出電壓、集電極輸出電流、集電極輸出功率的相應變化，這種功能稱為集電極調幅，所以稱這組特性曲線為集電極調制特性曲線。 圖3-5高頻諧振功率放大器的集電極調制特性 基極調制特性是指當EC、Ubm、Re保持不變而改變基極的直流偏置電

8、壓EB時，功放電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm以及電源消耗的總功率、效率的變化曲線。當EB增大時，會引起、iCmax增大，從而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不變，uCEmin=EC-Ucm則會減小，這樣勢必導致工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進入過壓。進入過壓狀態(tài)后，集電極電流脈沖高度雖仍有增加，但凹陷也不斷加深，iC波形如圖3-6所示。利用這一特點，可通過控制EB實現(xiàn)對電流、電壓、功率的控制，稱這種工作方式為基極調制，所以稱這組特性曲線為基極調制特性曲線。圖3-6高頻諧振功率放大器的基極調制特性 圖3-7高頻諧振功率放大器的放大特性 放大特性是指當保持EC、EB、Re不變，而改

9、變輸入激勵信號的幅度Ubm時，功率放大器電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm以及電源消耗的總功率、效率的變化曲線。Ubm變化對諧振功率放大器性能的影響與基極調制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、C隨Ubm的變化曲線如圖3-7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.實驗電路 高頻諧振功率放大器實驗電路如圖3-8。圖3-8 高頻諧振功率放大器實驗電路 電容C1是輸入隔直電容，第一級電路是小信號諧振放大器，對輸入信號進行放大，由于丙類功放屬于大

10、信號放大，若輸入信號幅度過小，丙類功放不能夠導通，因此需要先對輸入信號進行前置放大。第二級電路是丙類諧振功率放大器，電阻R7提供自己偏置，靜態(tài)時，基極直流電壓為0V。當輸入信號使晶體管導通后，晶體管的射極有一個直流偏置電壓，所以此時的Vbe0，晶體管工作在丙類狀態(tài)。集電極調諧回路由固定電容，可變電容和中周組成，調整可變電容值或者中周的鐵芯位置可改變諧振回路的諧振頻率，調整滑動變阻器RW2可以改變負載電阻值，從而觀察功放的負載調制特性。 集電極供電電源部分由三端可調DC變換器LM317提供，改變滑動變阻器的阻值，可改變集電極的供電電源電壓，從而觀察功放的集電極調制特性。四、實驗內容與數(shù)據(jù)分析注：

11、在原始數(shù)據(jù)上，我所有計算的依據(jù)在于實驗手冊上實驗電路圖所給出的R7=10。而在實際測量中我測得其為31。在正式試驗報告中，我將按照31進行計算，因此數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比有出入。 1高頻諧振功率放大器實驗電路的調整調整幅度，使得電路調諧。 2. 丙類諧振功率放大器的激勵調制特性測試（1） 三種狀態(tài)波形欠壓狀態(tài)波形臨界狀態(tài)波形過壓狀態(tài)波形（2） 效率計算在本組實驗中，我們取常量Rc=150，Ec=10.6V，R7=31。欠壓臨界過壓Uo929mV2.08V2.49VVe90mV264mV345mV5.75mW28.8mW41.3mWIC0=Ve/R72.90mA8.52mA11.1mA30.77mW

12、90.27mW 118mW18.7%31.9%35.0%分析：由數(shù)據(jù)可見，從欠壓、臨界到過壓，功率放大器效率在不斷提高。而對于過壓狀態(tài)下的效率較低，僅為35.0%，我認為原因是此時功率放大器剛剛進入了過壓狀態(tài)，并未完全達到最大效率狀態(tài)。在實驗中，過壓狀態(tài)我們取得輸入電壓大約是180mV，而臨界狀態(tài)大約在150mV160mV，這兩者在我們的試驗中差距并不大。從圖也可以看出，我們的臨界和所取得過壓狀態(tài)幾乎高度一致，說明剛哥進入了過壓。而從數(shù)據(jù)來看，效率也和臨界狀態(tài)近似相同，因此在兼顧了波形的情況下效率不可能太高。工作狀態(tài)曲線圖3高頻諧振功率放大器的負載特性測試取Ec=10.6VRl15020045

13、0Uo929mV1.63V1.64VVe90.0mV86.6mV29.0mV5.75mW13.2mW5.97mWIC0=Ve/R72.90mA2.79mA0.935mA30.77mW29.58mW 9.92mW18.7%44.91%59.5%數(shù)據(jù)分析：由數(shù)據(jù)可見，隨著負載電阻的上升，有效功率先升高再降低，總功率則不斷下降，效率不斷上升，從欠壓進入臨界進入過壓狀態(tài)。二Ic0則不斷下降。但是我們也應該看到，即使在過壓區(qū)效率也不夠高，我認為是：1調諧不夠完全，使得效率不夠 2 過壓區(qū)沒有深度過壓，使得效率和臨界區(qū)別不大。具體的解釋，我再后文總結處說明。負載特性曲線圖4集電極電源電壓變化對放大器工作狀

14、態(tài)的影響（集電極調制特性）的測試取負載電阻Rl=150Ec10.42V8.74V5.78VUo890mV900mV890mVVe84.2mV87.8mV94mV5.28mW5.40mW5.28mWIC0=Ve/R72.72mA2.79mA2.90mA28.3mW28.07mW 16.8mW18.6%22.1%31.5%分析：從數(shù)據(jù)來看，各組都在欠壓區(qū)域。這也符合邏輯。因為我們負載電阻R1取的較小，此時即使Ec=10.42V也處于欠壓趨于，各組都必然處于欠壓區(qū)。集電極調制曲線圖在進行完三組實驗之后，我們可以明顯的看到，我們的實驗箱在各個情況下效率都較低，低于理論值。對此，我認為有以下幾點原因：1中周問題。由于實驗箱質量不確定性，中周可能有損毀，導致調諧不能夠完全。2調諧問題 在我們的調諧中，我們盡力想要保證調諧之后波形的優(yōu)良，這樣帶來的問題必然就是效率有所下降。3在實驗中，我觀察到一個奇怪的現(xiàn)象，那就是調節(jié)完電阻之后拿萬用表測量時電阻值會不斷變小且很難停止，這就為我們的實驗帶來了極大的困難。例如負載特性曲線，數(shù)據(jù)不夠令人信服，我認為和這種現(xiàn)象有著極大的關系。我們調節(jié)到一個固定阻值之后開始實驗，但是完成之后再測量電阻值發(fā)現(xiàn)明顯