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实验类型:■验证□综合□设计□创新实验日期:实验成绩:—
实验三非线性丙类功率放大器实验
―、实验目的
了解丙类功率放大器的基本工作原理,掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态特性;
了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。
比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点;
掌握丙类放大器的计算与设计方法。
二、实验内容
观察高频功率放大器丙类工作状态的现象,并分析其特点;
测试丙类功放的调谐特性;
测试丙类功放的负载特性;
观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响。
三、实验仪器与设备
1.
高频信号源
1台
1块
3.
双踪示波器
1台
(可选)
1台
5.
万用表
1块
四、实验原理
放大器按照电流导通角e的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大器电流导通角e越小,放大器的效率n越高。
甲类功率放大器的e=i80°,效率n最高只能达到50%,适用于小信号低功率放大,一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。
非线性丙类功率放大器的电流导通角e<90°,效率可达到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。特点:非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小),基极偏置为负值,电流导通角e<90°,为了不失真地放大信号,它的负载必须是LC谐振回路。
电路原理图如图7-1()所示,该实验电路由两级功率放大器组成。其中Q3(3DG12)、t6组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态,其中r^、r14、r15组成静态偏置电阻,调节
Ra3可改变放大器的增益。W]为可调电阻,调节W]可以改变输入信号幅度,Q4(3DG12)、
T/且成丙类功率放大器。R16为射极反馈电阻,T4为谐振回路,甲类功放的输出信号通过R13送到Q4基极作为丙放的输入信号,此时只有当甲放输出信号大于丙放管04基极一射极间的负偏压值时,Q4才导通工作。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻,改变S1拨码开关的位置可改变并联电阻值,即改变回路Q值。
下面介绍甲类功放和丙类功放的工作原理及基本关系式。
1、甲类功率放大器
1)静态工作点如图7-1所示,甲类功率放大器工作在线性状态,电路的静态工作点由下列关系式确定
%=IEQR15【CQ=%VBQ=%+%EQ=%-ICQR15
2)负载特性
如图7-1所示,甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合,因此甲类功放的交流输出功率P0可表示为:P0=^
%
式中,PfH为输出负载上的实际功率,VB为变压器的传输效率,一般为=0-75〜-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率,静态工作点Q应选在交
流负载线AB的中点,此时集电极的负载电阻尺丹称为最佳负载电阻。集电极的输出功率的
表达式为:
Pc
2rh
式中,Vcm为集电极输出的交流电压振幅;c和为交流电流的振幅,它们的表达式分别为:
式中,RfH为变压器次级接入的负载电阻,即下级丙类功放的输入阻抗。
3)功率增益
与电压放大器不同的是功率放大器有一定的功率增益,对于图7-1所示电路,甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率,而且还要将前级输入的信号进行功率放大,功率放大增益码的表达式为A严。
其中,Pt为放大器的输入功率,它与放大器的输入电压Uim及输入电阻Rj的关系为
V「2RP
imii
2、丙类功率放大器
1)基本关系式
丙类功率放大器的基极偏置电压vbe是利用发射极电流的直流分量lE。(~IC。)在射极电
阻上产生的压降来提供的,故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号v'为正弦波时,集i
电极的输出电流iC为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。图7-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列
基本关系式:V二IR
clmclm0
式中,V为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅;I为集电极基波电流振幅;
clmclm
R为集电极回路的谐振阻抗。
0
P=!VI=丄12R
_1V2
=clm
2R
0
式中,
PC为集电极输出功率:Pd二I/
CO
式中,
PD为电源VCC供给的直流功率;
ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。
放大器的效率耳为:耳
V
―clm•
V
CCCO
c1m
2)负载特性
(欠压)
(过压)
O
V
O
图74谐振功放的负载特性
B
图3-3丙类功放的基极/集电极电流和电压波形
C2clmclm2clm0
当放大器的电源电压+VCC,基极偏压vb,输入电压(或称激励电压)Vsm确定后,如果电流导通角选定,则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图7-4所示。
由图可见,当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时,管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降vces,集电极电流脉冲接近最大值丨。
CEScm
此时,集电极输出的功率PC和效率耳都较高,此时放大器处于临界工作状态。R所对
Cq
厂(V-V)2
应的值称为最佳负载电阻,用R0表示,即R0二一
0
当Rq<R0时,放大器处于欠压状态,如C点所示,集电极输出电流虽然较大,但集电极电压较小,因此输出功率和效率都较小。当R>R0时,放大器处于过压状态,如B点所
q0
示,集电极电压虽然比较大,但集电极电流波形有凹陷,因此输出功率较低,但效率较高
为了兼顾输出功率和效率的要求,谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。判断放大器是
否为临界工作状态的条件是:V-V二V
CCcmCES
五、实验步骤
1、测试调谐特性
在前置放大电路出入J3处输入频率f=(V_~)的高频信号,-p1
周T6,使TP6处信号的电压幅值为6V左右,S]全部开路,改变输入信号频率,从9MHz〜15MHz(以1MHz为步进)记录TP6处的输出电压值,填入表7-1。
表7-1
fi
9MHz
10MHz
11MHz
12MHz
13MHz
14MHz
15MHz
V
0rms
V
0pp
2、测试负载特性
在前置放大电路中输入J3处输入频率f=(Vp-p~)的高频信号,调节
W1使TP6处信号约为6V,调节中周使回路调谐(调谐标准:TH4处波形为对称双峰)。
将负载电阻转换开关S1依次从1—4拨动,用示波器观测相应的Vc值和Ve波形,描绘相应的ie波形,分析负载对工作状态的影响。
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图1Rl=820QVcp-p=19・2V
图2Rl=330QVcp-p=16-2V
Rl(Q)
820
330
100
oo
VcP-P(V)
VeP-P(V)
表3-2Vb=6Vf==5V
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1
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图6R=330QV»=
LeP-r
图8R=aV=
LeP-P
六、实验结果分析
1、对实验参数和波形进行分析,说明输入激励电压、负载电阻对工作状态的影响。激励电压越大,功率越低,效率越高。激励电压越小,功率越低,效率越低。负载电阻越大,输出功率越低,效率越高。负载电阻越小,输出功率越低,效率越低。
3、用实测参数分析丙类功率放大器的特点。丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号,基极偏置为负值,电流导通角小于90度,为了不失真地放大信号,它的负载必须是LC谐振回路。电流导通角越小,效率越高。当<0时,放大器处于欠压状态,集电极输出电流虽然较大,但集电压较小,因此输出功率和效率都较小。当>0时,放大器处于过压状态,集电极电压虽然比较大,但集电极电流波形有凹陷,因此输出功率较低,但效率较高。