实验10 高频功率放大与发射实验

—、实验准备

1．做本实验时应具备的知识点：   

谐振功率放大器的基本工作原理（基本特点，电压、电流波形） 谐振功率放大器的三种工作状态

集电极负载变化对谐振功率放大器工作的影响

2．做本实验时所用到的仪器：     

高频功率放大与发射实验模块 双踪示波器 万用表 频率计 高频信号源

二、实验目的

1．通过实验，加深对丙类功率放大器基本工作原理的理解，掌握丙类功率放大器的调谐特性。

2．掌握输入激励电压，集电极电源电压及负载变化对放大器工作状态的影响。 3．通过实验进一步了解调幅的工作原理。

三、实验内容

1．观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点； 2．测试丙类功放的调谐特性；

3．测试负载变化时三种状态（欠压、临界、过压）的余弦电流波形； 4．观察激励电压、集电极电压变化时余弦电流脉冲的变化过程； 5．观察功放基极调幅波形。

四、基本原理

1．丙类调谐功率放大器基本工作原理

放大器按照电流导通角的范围可分为甲类、乙类及丙类等不同类型。功率放大器电流导通角越小，放大器的效率则越高。丙类功率放大器的电流导通角<90°,效率可达80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。

由于丙类调谐功率放大器采用的是反向偏置，在静态时，管子处于截止状态。只有当激励信号ub足够大，超过反偏压Eb及晶体管起始导通电压ui之和时，管子才导通。这样，管子只有在一周期的一小部分时间内导通。所以集电极电流是周期性的余弦脉冲，波形如图10-1所示。

icicEb0Uj0UbUbett 图10-1 折线法分析非线性电路电流波形

根据调谐功率放大器在工作时是否进入饱和区，可将放大器分为欠压、过压和临界三种工作状态。若在整个周期内，晶体管工作不进入饱和区，也即在任何时刻都工作在放大

区，称放大器工作在欠压状态；若刚刚进入饱和区的边缘，称放大器工作在临界状态；若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，则称放大器工作在过压状态。放大器的这三种工作状态取决于电源电压Ec、偏置电压Eb、激励电压幅值Ubm以及集电极等效负载电阻Rc。

（1）激励电压幅值Ubm变化对工作状态的影响

当调谐功率放大器的电源电压Ec、偏置电压Eb和负载电阻Rc保持恒定时，激励振幅

Ubm变化对放大器工作状态的影响如图10-2所示。

ic231icAUbm3Ubm2Ubm1Ubewt0321ECQ0Uce0wtUceUcm2Ucm1Ucm3wt

图10-2 Ubm变化对工作状态的影响

由图可以看出，当Ubm增大时，icmax、Ucm也增大；当Ubm增大到一定程度，放大器的工作状态由欠压进入过压，电流波形出现凹陷，但此时Ucm还会增大（如Ucm3）。

（2）负载电阻Rc变化对放大器工作状态的影响

当EC、Eb、Ubm保持恒定时，改变集电极等效负载电阻Rc对放大器工作状态的影响，如图10-3所示。

icicA2A30wtA'303A12ECQ0UbeUbe maxRc1Uce0wt180°UceUc1mUc2mUc3mwt

图10-3 不同负载电阻时的动态特性

图10-3表示在三种不同负载电阻Rc时，做出的三条不同动态特性曲线QA1、QA2、AQ3A′3。其中QA1对应于欠压状态，QA2对应于临界状态，AQ3A’3对应于过压状态。QA1相对应的负载电阻Rc较小，Ucm也较小，集电极电流波形是余弦脉冲。随着Rc增加，动态负载线的斜率逐渐减小，Ucm逐渐增大，放大器工作状态由欠压到临界，此时电流波形仍为余弦脉冲，只是幅值比欠压时略小。当Rc继续增大，Ucm进一步增大，放大器进入过压状态，此时动态负载线A3Q与饱和线相交，此后电流ic随Ucm沿饱和线下降到A′3，电流波形顶端下凹，呈马鞍形。

（3）电源电压EC变化对放大器工作状态的影响

在Eb、Ubm、RC保持恒定时，集电极电源电压EC变化对放大器工作状态的影响如图10-4所示。

icicA22330过压临界欠压wt012EC3Q3EC2Q2EC1Q13UceA11Ube maxEc3图10-4 EC改变时对工作状态的影响

由图可见，EC变化，Ucemin也随之变化，使得Ucemin和Uces的相对大小发生变化。当EC较大时，Ucemin具有较大数值，且远大于Uces,放大器工作在欠压状态。随着EC减小，Ucemin也减小，当Ucemin接近Uces时，放大器工作在临界状态。EC再减小，Ucemin小于Uces时，放大器工作在过压状态。图10-4中，EC>EC2时，放大器工作在欠压状态；

EC=EC2时，放大器工作在临界状态；EC大变小时，放大器的工作状态由欠压进入过压，ic 波形也由余弦脉冲波形变为中间凹陷的脉冲波。

2．高频功率放大器实验电路

高频功率放大器实验电路如图10-5所示。

3U01MC78053+5VVin1GND11C1411K03A211L03+12V111C1511C0711L0411C1111C1211W0111C1311C0811R0911C0111L0211C1011K0411TP06111TP0011TP0211R0611R0811D01LED11C1天线11W021111C0211K03B11TP0321311K01211C0511TP0111BG0211C0911R106111K0211L01511TP0531111P01高频信号输出11R0111BG01C11P03111C033DG122B1E11TP04111R0711C06311R0211R0311R0511P02音频信号输入11C04GND141 图10-5 高频功率放大与发射实验图

本实验单元由两级放大器组成，11BG02是前置放大级，工作在甲类线性状态，以适应较小的输入信号电平。11TP01、11TP02为该级输入、输出测量点。由于该级负载是电阻，对输入信号没有滤波和调谐作用，因而既可作为调幅放大，也可作为调频放大。11BG01为丙类高频功率放大电路，其基极偏置电压为零，通过发射极上的电压构成反偏。因此，只有在载波的正半周且幅度足够大时才能使功率管导通。其集电极负载为LC选频谐振回路，谐振在载波频率上以选出基波，因此可获得较大的功率输出。本实验功放有两个选频回路，由11K03来选定。当11K03拨至左侧时，所选的谐振回路谐振频率为6.3MHZ左右，此时的功放可用于构成无线收发系统。当11K03拨至右侧时，谐振回路揩振频率为1.9MHZ左右。此时可用于测量三种状态（欠压、临界、过压）下的电流脉冲波形，因频率较低时测量效果较好。11K04用于控制负载电阻的接通与否，11W02电位器用来改变负载电阻的大小。11W01用来调整功放集电极电源电压的大小（谐振回路频率为1.9MHZ左右时）。在功放构成系统时，11K02控制功放是由天线发射输出还是直接通过电缆输出。当11K02往上拨时，功放输出通过天线发射，11TP00为天线接入端。11K02往下拨时，功放通过11P03输出。11P02为音频信号输入口，加入音频信号时可对功放进行基极调幅。11TP03为功放集电极测试点，11TP04为发射极测试点，可在该点测量电流脉冲波形。11TP06用于测量负载电阻大小。

五、实验步骤

1．实验准备

在实验箱主板上装上高频功率放大与射频发射模块，接通电源即可开始实验。 2．激励电压、电源电压及负载变化对丙类功放工作状态的影响 （1）激励电压Ub对放大器工作状态的影响

开关11K01置“on”，11K03置“右侧”，11K02往下拨。保持集电极电源电压Ec=6V（用万用表测11TP03直流电压，调11W01等于6V），负载电阻RL=8KΩ（11K04置“off”，用万用表测11TP06电阻，调11W02使其为8KΩ，然后11K04置“on”）不变。

高频信号源频率1.9MHZ左右，幅度200mv（峰—峰值），连接至功放模块输入端（11P01）。示波器CH1接11TP03，CH2接11TP04。调整高频信号源频率，使功放谐振即输出幅度（11TP03）最大。改变信号源幅度，即改变激励信号电压Ub，观察11TP04电压波形。信号源幅度变化时，应观察到欠压、临界、过压脉冲波形。其波形如图10-6所示（如果波形不对称，应微调高频信号源频率。如果是DDS高频信号源，频率步长调节应放1000HZ档）。

欠压临界弱过压图10-6 三种状态下的电流脉冲波形

（2）集电极电源电压Ec对放大器工作状态的影响

过压

保持激励电压Ub（11TP01电压为200mv峰—峰值）、负载电阻RL=8KΩ不变，改变功放集电极电压Ec（调整11W01电位器，使Ec为5—10V变化），观察11TP04电压波形。调整电压Ec时，仍可观察到图10-6的波形，但此时欠压波形幅度比临界时稍大。 （3）负载电阻RL变化对放大器工作状态的影响

保持功放集电极电压Ec=6V，激励电压（11TP01点电压、150mv峰—峰值）不变，

改变负载电阻RL（调整11W02电位器，注意11K04至“on”），观察11TP04电压波形。同样能观察到图10-6的脉冲波形，但欠压时波形幅度比临界时大。测出欠压、临界、过压时负载电阻的大小。测试电阻时必须将11K04拨至“off”，测完后再拨至”on”。 3．功放调谐特性测试

11K01置“on”，11K02往下拨，11K03置“左侧”。前置级输入信号幅度峰—峰值为600mv（11TP01）。频率范围从5.2MHZ—7.2MHZ，用示波器测量11TP03的电压值，并填入表10-1，然后画出频率与电压的关系曲线。

表10-1

f（MHZ） 5.2 5.5 5.8 6.0 6.2 6.4 6.7 7.0 7.3 VC(VPP)

4．功放调幅波的观察

保持上述3的状态，调整高频信号源的频率，使功放谐振，即使11TP03点输出幅度最大。然后从11P02输入音频调制信号，用示波器观察11TP03的波形。此时该点波形应为调幅波，改变音频信号的幅度，输出调幅波的调制度应发生变化。改变调制信号的频率，调幅波的包络亦随之变化。

六、实验报告

1．认真整理实验数据，对实验参数和波形进行分析，说明输入激励电压、集电极电源电压，负载电阻对工作状态的影响。

2．用实测参数分析丙类功率放大器的特点。 3．总结由本实验所获得的体会。