高頻 諧振功率放大器

1、諧振功率放大器實(shí)驗(yàn) 121180166 趙琛高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)121180166 趙琛1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 進(jìn)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(diào)諧特性和負(fù)載特性。3. 掌握激勵電壓、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。4. 掌握測量丙類功放輸出功率，效率的方法。二、實(shí)驗(yàn)使用儀器1. 丙類諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)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(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

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(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(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。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(diào)整EB，改變放大器的導(dǎo)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)

3、振蕩回路的功用是作放大器負(fù)載。放大器工作時，晶體管的電流、電壓波形及其對應(yīng)關(guān)系如圖3-1所示。晶體管轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移特性，如圖中實(shí)線所示。 圖中為管子導(dǎo)通電壓，gm為特征斜率（跨導(dǎo)）。圖3-1 高頻諧振功率放大器的工作原理設(shè)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

4、流、基波和各次諧波iC=IC0+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(guān)系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(rèn)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

5、源EC供給的直流輸入功率為集電極效率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(diǎn)、輸入激勵信號幅度、負(fù)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(dāng)C點(diǎn)落在輸出特性(對應(yīng)uBEmax的那條)的放大區(qū)時，為欠壓狀態(tài)；當(dāng)C點(diǎn)正好落在臨界點(diǎn)上時，為臨界狀態(tài)；當(dāng)C點(diǎn)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(fù)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(diǎn)所處的位置，工作狀態(tài)就會相應(yīng)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(fù)載特性是

6、指當(dāng)保持集電極電源電壓EC、基極的直流偏置電壓EB、輸入激勵信號的幅度Ubm不變而改變負(fù)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(jìn)入過壓。相應(yīng)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(fù)載特性 集電極調(diào)制特性是指當(dāng)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

7、化的曲線。當(dāng)EC由小增大時，uCEmin=EC-Ucm也將由小增大，因而由uCEmin、uBEmax決定的瞬時工作點(diǎn)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(jìn)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(diào)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(diǎn)，可以通過控制EC的變化，實(shí)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(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。 圖3-5高頻諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性 基極調(diào)制特性是指當(dāng)EC、Ubm、Re保

8、持不變而改變基極的直流偏置電壓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(dāng)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(dǎo)致工作狀態(tài)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，iC波形如圖3-6所示。利用這一特點(diǎn)，可通過控制EB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。圖3-6高頻諧振功率放大器的基極調(diào)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(dāng)保

9、持EC、EB、Re不變，而改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(diào)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(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3-8。圖3-8 高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)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

10、進(jìn)行放大，由于丙類功放屬于大信號放大，若輸入信號幅度過小，丙類功放不能夠?qū)ǎ虼诵枰葘斎胄盘栠M(jìn)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(dāng)輸入信號使晶體管導(dǎo)通后，晶體管的射極有一個直流偏置電壓，所以此時的Vbe<0，晶體管工作在丙類狀態(tài)。集電極調(diào)諧回路由固定電容，可變電容和中周組成，調(diào)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(diào)整滑動變阻器RW2可以改變負(fù)載電阻值，從而觀察功放的負(fù)載調(diào)制特性。 集電極供電電源部分由三端可調(diào)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

11、調(diào)制特性。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與數(shù)據(jù)分析注：在原始數(shù)據(jù)上，我所有計算的依據(jù)在于實(shí)驗(yàn)手冊上實(shí)驗(yàn)電路圖所給出的R7=10。而在實(shí)際測量中我測得其為31。在正式試驗(yàn)報告中，我將按照31進(jìn)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(shí)驗(yàn)電路的調(diào)整調(diào)整幅度，使得電路調(diào)諧。 2. 丙類諧振功率放大器的激勵調(diào)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(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)〕Ａ縍c=150，Ec=10.6V，R7=31。欠壓臨界過壓Uo929mV2.08V2.49VVe90mV264mV345mV5.75mW28.8mW41.3mWIC0=Ve/R72.90mA8

12、.52mA11.1mA30.77mW90.27mW 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(rèn)為原因是此時功率放大器剛剛進(jìn)入了過壓狀態(tài)，并未完全達(dá)到最大效率狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，過壓狀態(tài)我們?nèi)〉幂斎腚妷捍蠹s是180mV，而臨界狀態(tài)大約在150mV160mV，這兩者在我們的試驗(yàn)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(jìn)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(fù)載特性測試取

13、Ec=10.6VRl150200450Uo929mV1.63V1.64VVe90.0mV86.6mV29.0mV5.75mW13.2mW5.97mWIC0=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(fù)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(jìn)入臨界進(jìn)入過壓狀態(tài)。二Ic0則不斷下降。但是我們也應(yīng)該看到，即使在過壓區(qū)效率也不夠高，我認(rèn)為是：1調(diào)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(jié)處說明。負(fù)載特性曲線

14、圖4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）的測試取負(fù)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?yàn)槲覀冐?fù)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(diào)制曲線圖在進(jìn)行完三組實(shí)驗(yàn)之后，我們可以明顯的看到，我們的實(shí)驗(yàn)箱在各個情況下效率都較低，低于理論值。對此，我認(rèn)為有以下幾點(diǎn)原因：1中周問題。由于實(shí)驗(yàn)箱質(zhì)量不確定性，中周可能有損毀，導(dǎo)致調(diào)諧不能夠完全。2調(diào)諧問題 在我們的調(diào)諧中，我們盡力想要保證調(diào)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(shí)驗(yàn)中，我觀察到一個奇怪的現(xiàn)象，那就是調(diào)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(shí)驗(yàn)帶來了極大的困難。例如負(fù)載特性曲線，數(shù)據(jù)不夠令人信服，我認(rèn)為和這種現(xiàn)象有著極大的關(guān)系。我們調(diào)節(jié)到一個固定阻值之后開始實(shí)驗(yàn)，但是完成之后再測量電阻值發(fā)現(xiàn)明