高频电子通信实验之高频功率放大与发射实验

一、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θ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θ越小，放大器的效率则越高。丙类功率放大器的电流导通角θ<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。只有当激励信号足够大，超过反偏压及晶体管起始导通电压之和时，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。

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、偏置电压、激励电压幅值以及集电极等效负载电阻。
（1）激励电压幅值变化对工作状态的影响
当调谐功率放大器的电源电压、偏置电压和负载电阻保持恒定时，激励振幅变化对放大器工作状态的影响如图10-2所示。

图10-2  变化对工作状态的影响

 
由图可以看出，当增大时，、也增大；当增大到一定程度，放大器的工作状态由欠压进入过压，电流波形出现凹陷，但此时还会增大（如）。
（2）负载电阻变化对放大器工作状态的影响
当、、保持恒定时，改变集电极等效负载电阻对放大器工作状态的影响，如图10-3所示。

 
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相对应的负载电阻较小，也较小，集电极电流波形是余弦脉冲。随着增加，动态负载线的斜率逐渐减小，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。当继续增大，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，此后电流随沿饱和线下降到A′3，电流波形顶端下凹，呈马鞍形。
（3）电源电压变化对放大器工作状态的影响
在、、保持恒定时，集电极电源电压变化对放大器工作状态的影响如图10-4所示。

图10-4  改变时对工作状态的影响

 
由图可见，变化，也随之变化，使得和的相对大小发生变化。当较大时，具有较大数值，且远大于,放大器工作在欠压状态。随着减小，也减小，当接近时，放大器工作在临界状态。再减小，小于时，放大器工作在过压状态。图10-4中，>时，放大器工作在欠压状态；=时，放大器工作在临界状态；<时，放大器工作在过压状态。即当由大变小时，放大器的工作状态由欠压进入过压， 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。

图10-5  高频功率放大与发射实验图

图10-6  三种状态下的电流脉冲波形