高频功率放大器设计和计算

实验目的

1．加深对丙类功率放大器基本工作原理的理解。
2．掌握输入电压幅度Vbm，集电极电源Vcc及负载RP变化对放大器工作状态的影响。

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；
2．调节电路，观察输入信号幅度Vbm，集电极电源Vcc变化时余弦电流脉冲的变化过程；
测试负载变化时三种状态（欠压、临界、过压）的余弦电流波形。
实验原理概述
高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。它的主要参数是输出功率和效率，一般工作在丙类状态。
高频功放的电路原理图如图1所示。

在我们的课程中，对该电路的工作原理、计算方法、动态特性、负载特性、VCC变化特性和馈电电路都进行了详细讲解。这里不再赘述，大家做实验时结合讲义进行回顾。

此处只补充输入的激励电压幅值Vbm变化对工作状态的影响。当集电极电源电压 $V_{CC}$ 、偏置电压 $V_{BB}$ 和负载电阻 $R_P$ 保持恒定时，Vbm变化对放大器工作状态的影响如图2所示。
可以看出，当Vbm增大时， $i_{cmax}$ 、Vcm也增大；当Vbm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Vcm还会增大（如Vcm3）。

高频功率放大器实验电路如图3所示。
本实验单元由三级放大器组成，3Q1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。高频信号由3P2输入，经3R26、3C21加到3Q1的基极。3TP2、3TP3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。3Q2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，谐振在载波频率上已选出基波，因此可获得较大的功率输出。本级功放有两个选频回路，由3K1来选定。当3K1拨至左侧（1、2接通）时，所选谐振回路由3L2、3L4、3C16、3C17和3C20组成，其谐振频率为6.3MHZ左右，此时的功放可用于构成无线收发系统。当3K1拨至右侧时（2、3接通），谐振回路由3L1、3C10组成，其谐振回路谐振频率为2MHZ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。在测量三种状态下的电流脉冲波形时，3K2用于控制负载电阻的接通与否，3W4电位器用来改变负载电阻的大小，3TP6为负载电阻测量点。3W3用来调整VCC的大小（谐振回路频率为2MHZ左右时），谐振频率为2MHZ时,3TP7为3Q2集电极输出测量点，该点也用来测量集电极直流电压。3TP5为发射极测试点，可在该点测量电流脉冲波形。3Q3为第三级放大，该级主要用来对6.3MHZ的信号进一步放大，以提高输出功率。3Q3同样工作于丙类状态，其集电极负载为LC选频谐振回路，谐振回路由3C03、3C05、3L7和3R02构成，谐振在6.3MHZ左右。3K4用来测量3Q3的集电极电流，将3K4短路块拔掉，用直流电流表测3K4下面2个点，即可测量其电流。3TP9用接天线，3P8为高频功放输出口，3TP8为其测量点。功放构成系统时，输入信号频率为6.3MHZ，3K1拨至左侧，使3Q2集电极回路为6.3MHZ。3K3拨至“on”（左侧），接通3Q3的输入。3K4接至“on”。3P1接入音频调制信号，此时输出为6.3MHZ的调幅信号通过天线发射出去，完成了高频信号的发射。
本实验只将3K1拨至右侧，测量功率放大器的基本特性。

实验步骤

1．实验准备
打开实验箱，点击显示屏，选择“实验系统”中的“高频原理实验”，然后再选择“非线性丙类功率放大电路实验”，此时显示屏会显示高频功放原理实验图，图中3W3和3W4可调元件可通过点击和旋转模块右下角编码器3SS1来调整。图中的开关和跳线器因为不是电子控制的，只能通过手工操作。
2．测试前置放大级输入、输出波形
高频信号源频率设置为6.3MHZ，幅度峰-峰值400mV左右，用连接线接到高频输入端3P2，用示波器测试3TP2和3TP3的波形的幅度，并计算其放大倍数（算一下，实验报告不要求）。由于该级集电极负载是电阻，没有选频作用。计算完毕后拔下示波器探头和信号源连线。

Vbm、VCC、RP变化对工作状态的影响
（1）Vbm对放大器工作状态的影响
3K1置“右侧”。保持集电极电源电压VCC=7.2V左右（用万用表测3TP7直流电压，万用表档位切换到直流电压20V档，正表笔接3TP7，负表笔接GND，点击3W3，旋转3SS1使其电压为7.2V），负载电阻RL=2.5KΩ左右（3K5置“off”，即拔下红色的跳线帽，用万用表测3TP6电阻，万用表档位切换到20K档，一端接3TP6，一端接地，点击3W4，旋转3SS1使负载电阻为2.5KΩ，调好后3K5置“on”，即再装上跳线帽）不变。
高频信号源频率2MHz，幅度360mv（峰—峰值），连接至功放模块输入端（3P2）。示波器接3TP5，微调一下高频信号源频率，使输出波形对称。改变信号源的峰峰值，即改变Vbm，依次观察到3TP5的欠压、临界、弱过压、强过压波形（此波形相当于集电极电流波形），同时观察3TP7输出信号峰峰值。填写下表，分析结论（实验报告要求）。
结论：当Vbm增大时，Vcm也增大，电流波形为尖顶余弦脉冲；当Vbm增大到一定程度，放大器的工作状态由欠压状态进入临界状态，再进入到过压状态，电流波形出现凹陷，变化为凹顶余弦脉冲；Vbm继续增大时，此时Vcm还会增大，电流波形凹陷增大
（2）VCC对放大器工作状态的影响
保持Vbm（3TP2电压为300mv峰—峰值，此时信号源发生器输出不一定是300mv峰—峰值）、负载电阻RL=2.5KΩ不变，改变集电极电压VCC（调整3W3电位器，使VCC为4—9V变化），分别观察3TP5电压波形和3TP7输出信号峰峰值，填写下表，分析结论（实验报告要求）。
特别验证：改变VCC时，Vcm的变化曲线，是否和课件一致（实验报告要求）。
由上表可得3TP7实际输出信号峰峰值与VCC的关系如下图所示：

经验证，改变VCC 时，Vcm 的变化曲线，与课件一致.结论：只改变VCC时，由于 $R_P V_{BB} V_{bm}$ 不变，则动态线斜率与 $v_{Bmax}$ 的值都不变。假设放大器原工作在临界状态，那么当Vcc增大时，Q点向右移动，放大器进入欠压状态。由于 $v_{Bmax}$ 的值不变，则A点与Q点相当于在平行线上以同速率向同方向移动，因此Vcm几乎不变。假设放大器原工作在临界状态，那么当Vcc减小时，Q点向左移动，放大器进入过压状态，此时A点在临界线上向左移动。由于临界线斜率较大，因此A点在水平方向上速率小于Q点速率，因此Vcm逐渐减小。
（3）负载电阻RL变化对放大器工作状态的影响改变RL相当于间接改变了RP。首先保持功放集电极电压VCC=4.2V（这个值各个实验箱可能有差异），Vbm（3TP2点电压为300mv峰—峰值，此时信号源发生器输出不一定是300mv峰—峰值）不变，改变负载电阻RL（调整3W4电位器，注意3K5至“on”），观察3TP5电压波形和3TP7输出信号峰峰值，测量RL电阻。注意：测试电阻时必须将3K5拨至“off”，测完后再拨至“on”。填写下表，分析结论（实验报告要求）。
选定临界状态，利用示波器估测出半导通角 $\theta_c$ ，计算此时的集电极效率 $\eta_c$ （实验报告要求）。
在临界状态，经示波器测量，信号一个周期为480ns，相位经过一个半导通角对应的时间时间为60ns，则半导通角 $\theta_c = \frac{60}{480}$ 360°=45°。经查表知， $g_1$ (45°）=1.88，则集电极效率 $g_1$ ≈78.33％
*结论：改变RL相当于间接改变了RP，当RL增大时RP增大，当RL减小时RP减小。当RL减小时Vcm也较小，此时工作在欠压状态，电流波形为尖顶余弦脉冲。随着RL增大，动态线斜率逐渐减小，Vcm也逐渐增加，直到临界状态，此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲。RL继续增大，Vcm进一步增加，进入过压状态，动态特性曲线穿过临界点后电流将沿临界线下降，集电极电流脉冲成为凹顶状。