高頻諧振功率（W）放大器實驗

一、 實驗目的
進一步掌控把握高頻諧振功率（W）放大器的作業原理。
掌控把握諧振功率（W）放大器的調諧特性和負載特性。
掌控把握激勵電壓（V）、集電極電源電壓（V）及負載改變對放大器作業狀態的影響。

二、實驗使用儀表器具
1．小信號調諧放大器實驗板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬用表
三、實驗基礎原理與電子回路
1.高頻諧振功率（W）放大器原理電子回路
高頻諧振功率（W）放大器是一種能量變換器件，它可以將電源供給的直線DC能量變換為高頻交流ACAC輸出。高頻諧振功率（W）放大器是通信系統中發送裝置的重要結合套件，其作用是放大信號，使之達到足夠的功率（W）輸出，以適用天線發射和其它負載的要求。
高頻諧振功率（W）放大器研究的主要問題是如何獲取高效率、大功率（W）的輸出。放大器電流（A）導通角θ愈小，放大器的效率η愈高。如甲類功放的θ＝180，效率η最高為50％，而丙類功放的θ＜90°，效率η可達到80％。諧振功率（W）放大器應用丙類功率（W）放大器，應用選頻互聯網作為負載線路的丙類功率（W）放大器稱為高頻諧振功率（W）放大器。

圖中u_b為寫入交流ACAC信號，E_B是基極偏置電壓（V），調節E_B，改變放大器的導通角，以改變放大器作業的類型。E_C是集電極電源電壓（V）。集電極外接LC并聯振蕩線路的功用是作放大器負載。放大器作業時，晶體管的電流（A）、電壓（V）波動線及其對應關系如圖9-2所示。晶體管轉移特性如圖2.2中虛線所示。由于寫入信號較大，可用折線近似轉移特性，如圖中實線所示。 圖中為管子導通電壓（V），g_m為特征斜率。
設寫入電壓（V）為一余弦電壓（V），即
u_b=U_bmcosωt
則管子基極、發射極間電壓（V）u_BE為
u_BE=E_B+u_b=E_B+U_bmcosωt
在丙類作業時，E_B<，在這種偏置條件下，集電極電流（A）i_C為余弦脈沖，其最大值為i_Cmax，電流（A）流通的相角為2θ，通常稱θ為集電極電流（A）的通角，丙類作業時，θ<π/2 。把集電極電流（A）脈沖用傅氏級數展開，可分解為直線DC、基波和各次諧波

i_C=I_C0+i_c1+i_c2+=I_C0+I_c1mcosωt+I_c2mcos2ωt+…
式中，I_C0為直線DC電流（A），I_c1m、I_c2m分別為基波、二次諧波電流（A）幅度。


諧振功率（W）放大器的集電極負載是一高Q的LC并聯振蕩線路，如果選取諧振角頻率ω₀等于寫入信號u_b的角頻率ω，那么，盡管在集電極電流（A）脈沖中含有豐富的高次諧波分量，但由于并聯諧振線路的選頻濾波作用，振蕩線路兩端的電壓（V）可近似認為只有基波電壓（V），即
u_c=U_cmcosωt=I_c1mR_ecosωt
式中，U_cm為u_c的振幅；R_e為LC線路的諧振電阻。在集電極電子回路中，LC振蕩線路得到的高頻功率（W）為

集電極電源E_C供給的直線DC寫入功率（W）為


集電極效率η_C為輸出高頻功率（W）P_o與直線DC寫入功率（W）P_E之比，即


靜態作業點、寫入信號、負載發生改變，諧振功率（W）放大器的作業狀態將發生改變。如圖9-3所示。當C點落在輸出特性(對應u_BEmax的那條)的放大區時，為欠壓狀態；當C點正好落在臨界點上時，為臨界狀態；當C點落在飽和區時，為過壓狀態。諧振功率（W）放大器的作業狀態必須由E_C、E_B、U_bm、U_cm四個參量決定，缺一不可，其中任何一個量的改變全部會改變C點所處的位置，作業狀態就會相應地發生改變。

負載特性是指當保持E_C、E_B、U_bm不變而改變R_e時，諧振功率（W）放大器的電流（A）I_C0、I_c1m，電壓（V）U_cm，輸出功率（W）P_o，集電極損耗功率（W）P_C，電源功率（W）P_E及集電極效率η_C隨之改變的彎彎曲線。從上面動特性彎彎曲線隨R_e改變的解析可以看出，R_e由小到大，作業狀態由欠壓變到臨界再進入過壓。相應的集電極電流（A）由余弦脈沖變成凹陷脈沖。
集電極調制特性是指當保持E_B、U_bm、R_e不變而改變E_C時，功率（W）放大器電流（A）I_C0、I_c1m，電壓（V）U_cm以及功率（W）、效率隨之改變的彎彎曲線。當E_C由小增大時，u_CEmin=E_C-U_cm也將由小增大，因而由u_CEmin、u_BEmax決定的瞬時作業點將沿u_BEmax這條輸出特性由特性的飽和區向放大區位移，作業狀態由過壓變到臨界再進入欠壓，i_C波動線由i_Cmax較小的凹陷脈沖變為i_Cmax較大的尖頂脈沖，如圖9-5所示。由集電極調制特性可知，在過壓區域，輸出電壓（V）幅度U_cm與E_C成正比。運用這一特別點，可以經過控制E_C的改變，完成電壓（V）、電流（A）、功率（W）的相應改變，這種功能稱為集電極調幅，所以稱這組特性彎彎曲線為集電極調制特性彎彎曲線。


基極調制特性是指當E_C、U_bm、R_e保持不變而改變E_B時，功放電流（A）I_C0、I_c1m，電壓（V）U_cm以及功率（W）、效率的改變彎彎曲線。當E_B增大時，會引起θ、i_Cmax增大，從而引起I_C0、I_c1m、U_cm增大。由于E_C不變，u_CEmin=E_C-U_cm則會減小，這樣勢必導致作業狀態會由欠壓變到臨界再進入過壓。進入過壓狀態后，集電極電流（A）脈沖高度雖仍有多加，但凹陷也不斷深入，i_C波動線如圖9-6所示。運用這一特別點，可經過控制E_B完成對電流（A）、電壓（V）、功率（W）的控制，稱這種作業方法為基極調制，所以稱這組特性彎彎曲線為基極調制特性彎彎曲線。


放大特性是指當保持E_C、E_B、R_e不變，而改變U_bm時，功率（W）放大器電流（A）I_C0、I_c1m，電壓（V）U_cm以及功率（W）、效率的改變彎彎曲線。U_bm改變對諧振功率（W）放大器功能的影響與基極調制特性相似。i_C波動線及I_C0、I_c1m、U_cm、P_o、P_E、ηC隨U_bm的改變彎彎曲線如圖9-7所示。由圖可見，在欠壓區域，輸出電壓（V）振幅與寫入電壓（V）振幅基礎成正比，即電壓（V）增益近似為常數。運用這一特別點可將諧振功率（W）放大器用作電壓（V）放大器，所以稱這組彎彎曲線為放大特性彎彎曲線。

2.實驗電子回路
高頻諧振功率（W）放大器實驗電子回路如圖9-8。


圖9-8 高頻諧振功率（W）放大器實驗電子回路

四、實驗內容
1．高頻諧振功率（W）放大器實驗電子回路的調節。
2．諧振功率（W）放大器的負載特性測量試驗---負載改變對放大器作業狀態的影響測量試驗。
3．集電極電源電壓（V）改變對放大器作業狀態的影響（集電極調制特性）的測量試驗。
（一） 實驗電子回路的調節測試

五、實驗步驟
1．高頻諧振功率（W）放大器實驗電子回路的調節
⑴ 在實驗箱主板上插上高頻諧振功率（W）放大器實驗電子回路模型塊。接通實驗箱上電源開關電源指標燈點亮。 實驗箱上高頻信號源10.7MHz信號（來自LC、晶體振蕩電子回路模型塊，要求電子回路規定的諧振頻率符合寫入信號頻率）由IN1端接入高頻諧振功率（W）放大器實驗電子回路，幅度在200mV左右。
⑵ 調節電位器RW1和微調CV1、CV2、B1、B2, 在OUT端用示波器，查看到放大后的不失真的寫入信號。
2．高頻諧振功率（W）放大器的負載特性測量試驗
調節RW3，保持電源電壓（V）為最大值（測量TP5點），激勵電壓（V）U_bm一定，改變負載R_L，查看對電壓（V）波動線、電流（A）波動線的影響，測量輸出電壓（V）Uo、TP3發射極平均電流（A）I_C0（注意，電流（A）信號對外部干擾對比敏感，本次實驗測電流（A）值時請將探頭及示波器設成X10檔），因基極電流（A）極小，故I_C0≈Ie₀

表9-1諧振功率（W）放大器的負載特性測量試驗 U_{bm= V} Ec= V

RL （Ω） 斷開J2測
Uo （V）
IC0 （mA）

3．集電極電源電壓（V）改變對放大器作業狀態的影響（集電極調制特性）的測量試驗
保持激勵電壓（V）U_bm，負載R_L 不變，調節RW4改變Ec，測量TP3點，查看對電壓（V）波動線、電流（A）波動線的影響、測量輸出電壓（V）Uo、由TP3發射極平均電流（A）I_C0＝V（TP3）/R7。

表9-2諧振功率（W）放大器的負載特性測量試驗 U_{bm= V} R_L= Ω

Ec （V）
Uo （V）
IC0 （mA）

六、實驗報告要求
1．由實驗數值解析負載R_L、電壓（V）Ec對高頻諧振放大器作業狀態的影響 。
2． 繪出U_Cm ~ R_L， I_C0 ~ R_L 彎彎曲線。
3．繪出U_Cm ~ Ec， I_C0~ Ec 彎彎曲線。
4.總結由本實驗所獲取的體會。