实验报告
课程名称： 高频电子线路实验 指导老师： 韩杰 、龚淑君 成绩：__________________
实验名称： 高频功率放大器 实验类型： 验证型实验 同组学生姓名： _
一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、 实验目的
1、了解高频功率放大器的主要技术指标——输出功率、中心频率、末级集电极效率、稳定增益或输入功率、线性动态范围等基本概念，掌握实现这些指标的功率放大器基本设计方法，包括输入、输出阻抗匹配电路设计，回路及滤波器参数设计，功率管的安全保护，偏置方式及放大器防自激考虑等。
2、掌握高频功率放大器选频回路、滤波器的调谐，工作状态（通角）的调整，输入、输出阻抗匹配调整，功率、效率、增益及线性动态范围等主要技术指标的测试方法和技能。
二、实验原理
高频功率放大器实验电路原理图如下图图1所示。电路中电阻、电容元件基本上都采用贴片封装形式。放大电路分为三级，均为共射工作，中心频率约为10MHz。
图1 高频功率放大器
第一极（前置级）管子T1采用9018或9013，工作于甲类，集电极回路调谐于中心频率。第二级（驱动级）管子T2采用3DG130C，其工作状态为丙类工作，通角可调。通角在45°~60°时效率最高。调整RW1时，用示波器在测试点P2可看到集电极电流脉冲波形宽度的变化，并可估测通角的大小。第二级集电极回路也调谐于中心频率。第三级（输出级）管子T3也采用3DG130C，工作于丙类，通角调在60°~70°左右。输出端接有T形带通滤波器和π型阻抗变换器，具有较好的基波选择性、高次谐波抑制和阻抗匹配性能。改变短路器开关K1~K4可观看滤波器的失谐状态，为保证T3管子安全，调整时应适当降低电源电压或减小激励幅度。改变K5、K6可影响T3与51Ω负载的匹配状态。匹配时，51Ω负载上得到最大不失真功率为200mW左右，二次谐波抑制优于20dB，三级总增益不小于20dB，末级集电极到负载上的净效率可达30%左右，考虑滤波匹配网络的插入损耗，集电极效率可达40%以上。开关K8只有在接通后才能使功放达到预定效率，但实验时，为了使R16对末级管子T3起到限流保护作用，K8不要接通，而R16上的电压降也不必扣除，这只使功放总效率略有降低。电源开关K7用于防止稳压电源开机或关机时电压上冲导致末级功放管损坏。
三、 主要仪器设备
10MHz高频功率放大器实验板、BT3C（或NW1252）扫频仪、高频信号发生器（QF1056B或EE1461）、示波器、超高频毫伏表（DA22）、直流稳压电源（电压5~15V连续可调，电流1A）、500型万用表（或数字万用表
四、实验内容和步骤
主要测试指标：功率、效率、线性动态范围
实验准备与仪器设置
1、实验板：
l 开关K7用于防止稳压电源开机或关机时电压上冲导致末级功放管损坏，所以稳压电源开机或关机前，开关K7必须置于关闭（向下）；
l 短路开关置于K1、K3、K6、K9、K10，否则滤波器失谐，影响T3与51Ω负载的匹配状态，从而影响实验结果。
2、电源：
l 为保证T3管子安全，电源电压最高不超过+15V，实验时设置为+14.5V~+15V。
实验内容与步骤
4）用信号源及示波器测功放输出功率及功率增益
（1）适当改变信号幅度（200~300mV左右），使51Ω负载上得到额定功率200mW。
（2）在测试点P2观察电流脉冲，宽度应为周期的1/3左右。
（3）从输入输出信号幅度求得功放的（转换）功率增益。
（4）比较滤波器输入输出幅度，估计滤波器插入衰减。
5）用双踪示波器观察电流电压波形
（1）比较功放末级发射极电流脉冲波形和负载上基波电压波形的相位。
（2）比较功放第二级发射极电流脉冲波形与集电极电压基波波形的相位，并分别画出波形。
6）高频功放效率（主要是末级）的调试与测量
（1）用示波器观看第二级发射极电阻电流脉冲宽度。
（2）用示波器在第三级功放发射极电阻上观看其电流脉冲波形。
8）功放线性观察
(1) 调幅波通过功率放大器
将中心频率为10MHz、调制度为60%的调幅信号电压加到功放输入端，适当调整输入信号幅度（200mV），使51Ω负载上输出调幅波峰值功率不超过功放额定功率200mW，用双踪示波器比较输入、输出调幅波的波形并加以说明。
(2) 调频波通过功率放大器
将中心频率为10MHz的调频波（频偏60KHz）输入功放，调节信号幅度使负载上调频信号功率不超过功放额定功率，比较输入、输出调频波的波形并加以说明。
五、实验数据记录和处理
1、用信号源及示波器测功放输出功率及功率增益
（1）适当改变信号幅度（200~300mV左右），使51Ω负载上得到额定功率200mW。
本次实验采用的电路板，当输入信号幅度为350mv时，51Ω负载上可以达到200mW的额定功率，此时负载两端输出电压峰峰值为9.02V。
当输入信号幅度为350mW时，负载两端波形如下所示：
由图可知此时波形峰峰值为9.02V，与理论计算的9.03V十分接近，所以实验数据可靠。
（2）测试点P2的电流脉冲：
已测：频率为10MHz，周期为T=100ns，电流脉冲宽度为43ns，约为周期的1/3。
（3）功放的（转换）功率增益：
∵VPP-in=300mV*2=0.6V Vpp-out=9.03V 又输入输出阻抗匹配
∴功率增益：
上述结果满足实验原理中三级总增益不小于20dB的结论。
（4）比较滤波器输入输出幅度，估计滤波器插入衰减。
滤波器输入：信号峰峰值= 2.01V 滤波器之后的输出峰峰值=1.27V
插入损耗为：20*lg（1.27/2.01）= -3.99db
2、用双踪示波器观察电流电压波形。
（1）功放末级发射极电流脉冲波形的相位与负载上基波电压波形的相位比较：
由上图可知，两者之间的相位差约为180度。
（2）功放第二级发射极电流脉冲波形与集电极电压基波波形的相位比较：
根据波形比较可知，两者之间的波形相位相差180度。
3、高频功放频率（主要是末级）的调试与测量
（1）第二级发射极电阻电流脉冲宽度：
第二级发射极电流脉冲宽度约为42ns
（2）第三级功放发射极电阻上观察电流脉冲波形：
4、功放线性观察：
（1）输入、输出调幅波的波形：
如图可以看出，输出调幅波与输入调幅波相比较，可知输入调幅波通过高频功放之后波形产生了很大的失真。
（2）输入、输出调频波的波形：
如图所示，通过高频功率放大器之后调频波的输入输出波形并没有太大的差别（均为正弦波），只是输出波形稍微有些失真，但是并不明显。
六、实验结果与分析
1、用信号源及示波器测功放输出功率及功率增益
实验中，通过调节变阻器的值调节电路，最终当输入信号幅度取到300mV时，51Ω负载上得到的功率为200mW。由于实验中T2管子工作状态为丙类，即为C类高频功放，导通角约为60度，因此在发射极P2测试点测得的电流脉冲为周期T的1/3左右（60°/180°=1/3）。比较滤波器的输入输出波形可以看出，功率增益为23.55dB，满足三级功放的功率增益不小于20dB，插入的滤波器可以将C类放大器引起的非线性失真补偿，这是因为T形带通滤波器和π型阻抗变换器具有较好的基波选择性、高次谐波抑制和阻抗匹配性能，但同时付出了增加插入损耗的代价。实验中测得滤波器的插入损耗为 dB。
2、用双踪示波器观察电流电压波形
比较功放第2级发射极P2电流脉冲波形与集电极P3电压基波波形的相位，发现相位差约为180度，这与三极管的反相特性吻合；当比较功放末级发射极P4电流脉冲波形与负载上基波电压波形的相位，发现相差也为180度。
3、高频功放频率的调试与测量
通过观察高频功放末级发射极上电流脉冲波形，发现仍然存在失真，脉冲宽度约为一周期的0.4，但是信号的幅度与第二级发射极电流脉冲来讲已经被放大了。
4、功放线性观察
试验中分别观察了调幅波通过高频功放与调频波通过高频功放之后的失真，发现调幅失真度比调频的失真度要大很多，这是因为实验中T2\T3均为C类放大器，是属于非线性放大器，不适合放大为非恒定包络的已调信号。对于普通调幅波信号，C类放大器对幅度不同的输入信号的导通角不同，输出电流基波分量的幅度与导通角成非线性关系，使得输出电压幅度的包络与输入电压包络不成正比，从而产生较大失真，而调频信号适合使用C类高频功放，因此输入输出波形没有太大差别。
八、思考题
1、简述放大器分类以及各类放大器的区别与应用？
答：功率放大器根据输出功率与效率不同，分为A、B、C、D、E等几类。
按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角的大小，功率放大器可分为A、B、C三类。在信号一周期内管子均导通，导通角为180°，称为A类放大器，理想效率为50%，负载为电阻。一周期内只有一半导通的称为B类放大器，导通角为90°，理想效率为78.5%，电路一般采用两个管子轮流导通的推挽形式。AB类放大器介于A、B类两者之间，导通角为90°~180°，理想效率为50%~78.5%，电路同样采用推挽形式。而导通时间小于一半周期的成为C类放大器，即导通角小于90°，理想效率大于78.5%。
如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大类，它们的晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E属于另一类功放，它们的晶体管被等效为受输入信号控制的开关，导通角都近似为90°，都属于高效率的非线性功率放大器。
对于音频功率放大器，目前使用最多的是AB 类功放，这类功放优点是音质较好，缺点是它的平均效率不高，大约40%左右，在大音量时整机温升较高。因此许多电子工作者设计了其他种类的音频功率放大器，如G类功放。G类功率放大器设计基本思想是，当功放输出幅度较小时功放末级供电采用低电压，当输出幅度升高时功放末级供电采用较高一些电压，如输出幅度继续升高时，功放末级供电再用更高一些电压，这样就减小了信号小幅度下的管耗，大大提高了整机效率。采用数字切换电源方式的G类功放的功率管功耗很低，带来的好处是整机发热大大降低，提高了电路的可靠性，减小了电源的功率和功率管散热片的大小，而音质又与AB 类功放差不多，是很值得推广的一种音频功率放大器。
2、当高频功放负载电阻发生短路或开路时，功放管会发生什么危险？
答：当负载短路时会使功放管烧毁，当负载开路时会使功放管击穿。
3、当高频功放集电极回路或滤波器电路严重失谐时，功放管可能出现什么危险，为什么？
答：功放管可能因集电极电流过大而烧毁，也可能因集电极脉冲电压过大而击穿。具体情况与激励幅度、信号频率、回路或滤波器阻抗、Q值、失谐量、阻抗变换比、电源电压等因素有关。
4、当高频功放激励幅度过大或过小时，会产生什么不良后果？
答：若高频功放管激励幅度过小时，则输出功率太小，观察不明显，容易与噪声混淆。若输入信号激励过大时则可能会产生波形的失真、模糊等现象，即出现寄生调制，间歇振荡或高频自激等，从而可能使得功放管烧毁或击穿。
5、调节RW1减小功放第二级导通角时，功放总幅频特性会发生什么变化，为什么？导通角改变对功放管安全性有什么影响？
答：当调节RW1减小功放第二级导通角时，可能使功放总特性输出幅度升高，而带宽变窄，并在中心频率的1/2、1/3、1/4……处产生增益。因为导通角减小时，管子阻抗升高，从而使得贿赂的损耗减小，Q值升高，进而使得功放级等效阻抗升高，电压增益升高，线性动态范围减小，因而出现严重非线性失真，即在中心频率1/2、1/3……处出现明显的高次谐波输出。这会使得末级功放容易被击穿，并可能在带外产生严重的杂波辐射，对其他射频信号产生干扰。
6、高频功放电源电压应如何选定？若外接负载固定为50Ω，为得到最大输出功率，甲类、乙类高频功放的输出阻抗匹配应如何考虑？
答：高频功放电源电压一般小于BVCEO/2（30/2V=15V），并尽可能采用通用标准直流电压，即功放调谐后，电源电压最高不超过15V。为了提高功率，功放末级管子T3采用3DG130C，工作于丙类，通角在60°~70°左右，此时集电极匹配负载阻抗约为（2.5~3）BVCEO/ICM，再将50Ω负载阻抗转换成这个值即可。末级功放甲类、乙类工作时，上述阻抗括号内数字为1和2。
8、如何提高高频功放的稳定功率增益？
答：根据公式
功放管稳定功率增益与管子的工作点及稳定系数大小有关，当满足绝对稳定条件：
|K|>1、|S11|<1、|S22|<1时，只要输入输出端满足阻抗共轭匹配，即可达到最大稳定功率增益。然而大多数管子不满足绝对稳定条件，因而通常只在输入端实行共轭匹配，而输出端失配，失配负载阻抗可能有两个值，也可能有一个值或者没有值。如有两个值，则可根据其他指标作出选择；如只有一个值，则没有选择余地；如没有稳定失配阻抗值，则应改变工作点，电源电压或跟换管子。稳定失配负载电阻为：
式子中Vsat为管子高频饱和压降（比直流饱和压降大很多，测试方法为：输入额定功率，监视输出电压或功率，逐渐降低VCC至电压或功率开始下跌时，记下VCC值，并测出输出电压幅值Vom，则Vsat=、VCC-Vom。
9、高频功放的实际功率增益如何测量？
答：高频功放的实际功率增益测量,主要是不匹配输入阻抗实部Rin的测量。方法有开路(高阻为近似开路)法,等效 阻抗置换法及电流取样法等。
1）开路法最简单信号源内阻Rs通常为50Ω已知，加上额定激励幅度Uin（注意输入回路调谐），再断开后测信号源开路电势E，则Rin=UinRs/（E-Uin），Pin=Uin/Rin，实际功率增益Kp=Pout/Pin。
2）等效阻抗置换法稍麻烦，既要保证管子输入端回路 调谐，又要调整等效电阻大小，使电阻上电压与管子额定输入电压幅度相等。
3）电流取样法需要在输入端调谐后串接一个小电阻R，测出电阻两端电压差Vin-Vin，求出电流Iin=（Vin-Vin）/R，则Pin=VinIin，实际功率增益Kp=Pout/Pin=PoutR/Uin（Vin-Vin）。
10、怎样防止高频功放自激？
答：预防功放自激措施如下所示。
1）选择合适的管子参数（功率PcM、电流IcM、频率fT、耐压BVce0等；
2）选择合适的工作状态（电源电压、导通角（60~70º））；
3）正确选择电路形式；
4）正确设计电路参数，特别是回路阻抗、带宽及扼流圈电感量等，并根据绝对稳定条件，充分留有稳定性余量；
5）准确测出管子S参数，并适当修正设计参数；
6）正确设计结构布局，充分缩短电路走线和元件引线（特别是管子发射极引线）长度，减少元件之间的分布电容，级间双电容宽带去耦、级间及总体屏蔽，采用大面积地线及就近接地；
7）准确调谐频率和调整信号激励幅度；
8）微带功放要采用较薄、高 εr的氧化铍陶瓷基板，采用加散热器、风冷等稳定措施，进行低频滤波，采用低频短路负载等。
11、用3DG130C管设计一个5MHz高频功放，负载为50Ω，输出功率200mW，功率增益大于20dB，二次谐波抑制优于20dB，末级放大器到负载净效率大于35%，电源电压为12~15V。
答：电路的设计与本次实验及其类似，但是几个元器件的工作参数发生了变换，具体参数如下：
1.第一级
1）管子：9013（fT 300MHz，PcM 700mW，BVce0实测 ≥30V）
2）工作状态：甲类
2.第二级
1）管子：3DG130C（fT≥300MHz，IcM≥300mA，PcM≥700mW，BVce0≥30V，实测≥30V）
2）工作状态：丙类-乙类-甲乙类-甲类连续可调。
3. 第三级
1）管子： 3DG130C（参数同第二级）
2）工作状态：
丙类通角：60~70° 集电极负载：300Ω
最大输出功率：约300mW 集电极效率：约35%
3）滤波器 ：
最平型带通T型3级（视谐波抑制指标而定）
中心频率： 5MHz
相对带宽（2Δf/f。）：约0.05~0.1
终端阻抗: 200~300Ω
插入损耗: 约3~5dB
4)π型导纳变换器:
特征阻抗: 约50Ω