實驗二丙類高頻功率放大器實驗

1、實驗三 丙類高頻功率放大器實驗 一 . 實驗目的1. 通過實驗,加深對于高頻諧振功率放大器工作原理的理解。2. 研究丙類高頻諧振功率放大器的負載特性,觀察三種狀態(tài)的脈沖電流波形。 3. 了解基極偏置電壓、集電極電壓、激勵電壓的變化對于工作狀態(tài)的影響。 4. 掌握丙類高頻諧振功率放大器的計算與設計方法。二 . 預習要求:1. 復習高頻諧振功率放大器的工作原理及特點。 2. 熟悉并分析圖 3所示的實驗電路,了解電路特點。三 . 實驗儀表設備1. 雙蹤示波器 2. 數(shù)字萬用表3. TPE-GP5通用實驗平臺 4. G1N 實驗模塊 5. G2N 實驗模塊四 . 電路特點及實驗原理簡介1. 電路特點

2、本電路的核心是諧振功率放大器,在此電路基礎上,將音頻調制信號加入集電極回 路中,利用諧振功率 放大電路的集電極調 制特性,完成集電極調幅實驗。當電路的 輸出負載為天線回路 時,就可以完成無線 電發(fā)射的任務。為了使電路穩(wěn)定,易于調 整,本電路設置了獨 立的載波振蕩源。2. 高頻諧振功率放大器的工作原理參見圖 1。諧振功率放大器是以選頻網(wǎng)絡為負載的功率放大器,它是在無線電發(fā)送中最為重 要、 最為難調的單元電路之一。根據(jù)放大器電流導通角的范圍可分為甲類、 乙類、丙類等類型。 丙類功率放大器導通角 <900,集電極效率可達 80%, 一般用作末級放大,以 獲得較大的功率和較高的效率。圖 1中,

3、V bb 為基極偏壓, V cc 為集電極直流電源電壓。為了得到丙類工作狀態(tài), V bb 應為負值,即基極處于反向偏置。 u b 為基極激勵電壓。圖 2示出了晶體管的轉移特性 曲線,以便用折線法分析集電極電流與基極激勵電壓的關系。 V bz 是晶體管發(fā)射結的起 始電壓(或稱轉折電壓 。由圖可知,只有在 u b 的正半周,并且大于 V bb 和 V bz 絕對值之 和時,才有集電極電流流通。即在一個周期內,集電極電流 i c 只在 -+時間內導 通。 由圖可見, 集電極電流是尖頂余弦脈沖, 對其進行傅里葉級數(shù)分解可得到它的直流、 基波和其它各次諧波分量的值,即:i c =IC0+ IC1m CO

4、S t + IC2M COS2t + + ICnM COSn t + bm bbbz U VV COS +=圖 3 高頻功放(調幅及發(fā)射電路原理圖求解方法在此不再敘述。為了獲取較大功率和有較高效率,一般取 =700800左右。 完整的電路圖見圖 3。V 3001為推動級, 為末級功放電路提供足夠的激勵電壓。 V 3002構成丙類諧振放大電路。 R3006、 C3007以及 L3003等元件構成了自給負偏置電路。 R L1R L3為負載電阻,在負載 電阻和功放電路集電極之間采用變壓器電路, 以完成負載和集電極之間阻抗變換。 利用 跳線端子 SW3002可以方便地把不同的負載電阻分別接入電路中,以

5、完成負載特性的實 驗。在功放輸出級電路中設置了跳線短路端子 J 3002和 J 3003。 J 3003可完成 +12V電源和 +6 9V 可調電源之間的轉換,以觀察集電極調制特性和完成高電平調幅電路的實驗。 J 3002是為了在集電極回路中加入低頻調制信號而設置的。 R 3005是取樣電阻,以便觀察脈沖電 流波形。高頻信號由 P3001輸入,可以使用外接信號源,也可以用實驗箱上的“ LC 與 晶體振蕩器”電路或“變容二極管振蕩器”電路的輸出作信號源。3. 高頻功放電路的調諧與調整原則 理論分析表明,當諧振功率放大器集電極回路對于信號頻率處于諧振狀態(tài)時(此時 集電極負載為純電阻狀態(tài) ,集電極直

6、流電流 I C0為最小,回路電壓 U L 最大,且同時發(fā) 生。 然而, 由于晶體管在高頻工作狀態(tài)時, 內部電容 C bc 的反饋作用明顯, 上述 I C0最小、 回路電壓 U L 最大的現(xiàn)象不會同時發(fā)生。 因此, 本實驗電路, 不單純采用監(jiān)視 I C0的方法, 而采用同時監(jiān)視脈沖電流 i C 的方法調諧電路。由理論分析可知,當諧振放大器工作在 欠壓狀態(tài)時, i C 是尖頂脈沖,工作在過壓狀態(tài)時, i C 是凹頂脈沖,而當處于臨界狀態(tài) 下工作時, i C 是一平頂或微凹陷的脈沖。這也正是高頻諧振功率放大器的設計原則, 即在最佳負載條件下,使功率放大器工作于臨界狀態(tài),以獲取最大的輸出功率和較大 工

7、作效率。本電路的最佳負載為 75。因此調試時也應以此負載為調試基礎。五 . 實驗內容及步驟1. 實驗模塊的緊固與連接取出 G1N 與 G2N 實驗模塊, 并將其正確固定在 TPE-GP5通用實驗平臺的實驗區(qū)上, 建議將 G1N 置于左上角實驗區(qū), G2N 置于與其相連的實驗區(qū)(右上角 。這樣做的目 的是為了便于實驗電路之間的連接。2. 載波振蕩源的調整:(1接通實驗平臺總電源,并在 G1N 模塊上找到“ LC 與晶體振蕩器” ,按下該電路 的電源按鍵 SW1001,此時該電路的電源指示燈發(fā)光,表示電源已接通。(2將該電路連接成晶體振蕩器的形式,即,用短路環(huán)短接跳線端子 J1001,并使 S10

8、01、 S1003和 S1004開路, S1002作適當連接。用示波器在 M1001處測試其 輸出波形,調整 Rp1001和 Rp1002使振蕩器穩(wěn)定輸出,幅度大約為 0.4V (頻率 為 10.7MHz 。用短接線將該信號連接至 P3001(G2N 小板高頻功放電路的輸入 端 。3. 功 放電路的調整:(1按下高頻功放電路的電源按鍵 SW3001,此時該電路的電源指示燈發(fā)光,表示電 源已接通。 用短路環(huán)分別短接跳線端子 J3003的 1、 2端和跳線端子 J3002的 2、 4端, 使 +12V電源直接接入 V3002的集電極。 用跳線端子接通負載電阻 RL2(75 。(2推動級的調整:將示

9、波器 1通道測試探頭 (衰減 10倍, 下同 連接至 M3001, 靈敏度置于 0.2V/DIV 檔(由于探頭有 10倍衰減,故實際相當于 2V/DIV , 用以監(jiān)測推動級的輸出 電壓波形。仔細調整 CT3001,使推動級的輸出電壓最大(約 3.54V P-P 。 (3丙類功放的調整:將示波器 2通道測試探頭(衰減 10倍,下同連接至測試點 M3003處,靈敏 度置于 0.2V/DIV 檔(由于探頭有 10倍衰減,故實際相當于 2V/DIV ,用以監(jiān)測 功放級的輸出波形。 將示波器 1通道測試探頭 (衰減 10倍, 下同 改接至 M3004, 靈敏度置于 10mV/DIV或 20mV/DIV,

10、用以檢測脈沖電流。仔細調整 CT3003,使輸出回路諧振,且實現(xiàn)負載到集電極間的阻抗轉換。觀 察 M3003處的波形, 應能得到失真最小的正弦波形。 同時觀察 M3004處的波形, 是否得到了一個臨界狀態(tài)的脈沖電流波形(略有凹陷的波形界狀態(tài)的脈沖電流,則需要仔細調整 CT3001、 CT3002和 CT3000,使功放級的 輸入達到較好的匹配狀態(tài), 必要時還需適當?shù)卣{整載波信號源的輸出幅度。 正常4. 負 載特性的觀察(1保持信號源頻率和幅度不變,將負載分別接至 RL1(120 和 RL3(47 ,應能 觀察到過壓和欠壓狀態(tài)的脈沖電流形狀。若不能,則電路還需做細心調整,直 至在保持信號源頻率和

11、幅度不變得情況下, 隨著負載的改變可出現(xiàn)過壓、 臨界、 和欠壓的三種狀態(tài)的脈沖電流波形。(2三種狀態(tài)的脈沖電流波形大致如圖所示。R L =120 RL =75 RL =47圖 4 不同負載下的脈沖電流波形上述脈沖波形, 描繪了放大器的負載特性, 即隨著 R c 的增大, I c 隨之減小。 放大 狀態(tài)由欠壓狀態(tài)向過壓狀態(tài)過渡。(3當觀察到負載特性后,記錄三種負載條件下的負載上獲得的輸出電壓 U L(P-P,電 源提供給功放管集電極的電壓 U C ,為了避免電壓表輸入阻抗對于輸出回路的影 響,測量 U C 應當在 J3002的 2端測試。測試三種狀態(tài)下的集電極直流電流時, 既可以采用在 J300

12、2的 2、 4兩點間接入直流電流表 (200mA檔 直接讀數(shù),也可 以采用測量發(fā)射極電阻上的壓降再換算成電流的方法。 但電流表接入回路中后, 會對輸出及脈沖電流波形產生一定影響,所以推薦采用第二種方法測試集電極 直流電流。換算方法:I C0=VE /RE (已知 R E =10 。最后將測試結果填入表中表 1 高頻功放實驗數(shù)據(jù)記錄表 5. 集 電極調制特性的觀察(1將負載置于 47檔,輸入信號電壓及 E b 保持不變,用短路環(huán)將 J3003的 2、 3端短接,用 69V 可調電源給功放管的集電極供電。調整 Rp3002, 觀察發(fā)射極脈 沖電流波形的變化, 這些變化描述了丙類功放電路的集電極調制特性, 即隨著 V cc 增大,脈沖電流將會由過壓狀態(tài)向臨界再向欠壓狀態(tài)變化。E C =10V EC =6V圖 5 EC 不同時的脈沖電流波形(R L =39(2放大特性的觀察保持 V cc 、 E b 、 R L 不變, 改變輸入電壓的幅值,可以看出隨著信號幅度由小到大變化,脈沖電流將由欠壓狀態(tài)向臨界狀態(tài)再向過壓狀態(tài)變化的現(xiàn)象。六 . 問題思考1. 若諧振放大器工作