基于NI Multisim12.0的OCL功率放大電路仿真測試

侯衛(wèi)周， 楊 毅

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封 475004)

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基于NI Multisim12.0的OCL功率放大電路仿真測試

侯衛(wèi)周， 楊 毅

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封 475004)

利用NI Multisim12.0仿真軟件對OCL功放電路的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行虛擬測試分析；通過改變輸入信號大小讓輸出無交越失真且輸出幅值最大時，觀察輸出電壓的正、負(fù)峰值；測試功放電路中的電源直流電流值和負(fù)載的功率；將這兩個值分別與理論計(jì)算的電源總功耗、輸出功率相比較，發(fā)現(xiàn)仿真測試的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合；進(jìn)一步驗(yàn)證了功放電路的仿真對電路設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義；測試實(shí)例證實(shí)了將NI Multisim12.0合理引入到電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能大大提升理論課的教學(xué)效果，有利于學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更好地掌握電子電路設(shè)計(jì)方法。

無輸出電容; 功率放大; 仿真測試; NI Multisim12.0

0 引 言

在實(shí)用電子電路或信號的發(fā)射過程中，往往要求放大電路的末級(即輸出級)輸出一定的功率，以驅(qū)動負(fù)載，能向負(fù)載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路(簡稱功放)。從能量的控制和轉(zhuǎn)換角度出發(fā)，功放電路與其他的放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別[1-2]；只是功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。故從功放電路的組成和分析方法，到元件的選擇，都與小信號放大電路有著明顯的區(qū)別。功放電路組成形式很多，有變壓器耦合乙類推挽功放、無輸出變壓器(OTL) 功放、無輸出電容(OCL) 功放等，目前電子電路功放應(yīng)用最多的是OTL和OCL電路，為更好的掌握功放電路的輸出功率大和效率高的特點(diǎn)，下面以O(shè)CL功放電路為例來介紹其工作原理。

1 OCL功率放大電路的工作原理

任何不加保護(hù)措施的直接耦合互補(bǔ)輸出將產(chǎn)生交越失真現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出電壓波形畸變，放大將失去意義；另外需要說明的是OCL電路中兩只晶體管特性對稱，兩管在輸入信號下，交替導(dǎo)通。

1.1 OCL功放電路的組成

為消除基本OCL電路所產(chǎn)生的交越失真，應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使得兩只晶體管均提前處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)，能消除交越失真的OCL功放電路組成如圖1所示。其中， +UCC電源為T1管導(dǎo)通時供電， -UCC為電源T2管導(dǎo)通時供電，電阻R1、R3起保護(hù)作用，防止+UCC從到-UCC的電流過大，電阻R2較小，調(diào)節(jié)R2阻值使得在靜態(tài)(ui= 0 V)時，E點(diǎn)的靜態(tài)電位為零，D1、D2管壓降導(dǎo)通時鉗位在1.4 V，防止輸出電壓發(fā)生交越失真現(xiàn)象。

圖1 消除交越失真的OCL功放電路

1.2 OCL功放電路的工作原理

在圖1中，靜態(tài)時從正電源+UCC經(jīng)R1、R2、D1、D2、R3到負(fù)電源-UCC形成一個直流電流，它在T1和T2的基極B1和B2之間產(chǎn)生電壓，即UB1B2=UR2+UD1+UD2，使UB1B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和[3-4]。由上可知，ui= 0 V，uO= 0 V，+VCC和-VCC不供電，晶體管靜態(tài)功耗小。

當(dāng)ui取一定值(設(shè)ui為正弦波測試信號，下同)時，由于D1、D2的動態(tài)電阻很小且R2電阻也較小，因而可認(rèn)為T1和T2的基極電位變化近似相等，即ub1≈ub2≈ui。當(dāng)ui的正半周分別加載在B1、B2點(diǎn)，由于T1已提前處于微導(dǎo)通狀態(tài)，此時ui從零逐漸增大時，T1管NPN的uBE增大，一直處于導(dǎo)通，而T2管PNP的uEB2減小，T2管逐漸截止；同樣，當(dāng)ui的負(fù)半周分別加載在B1、B2點(diǎn)，由于T2已提前處于微導(dǎo)通狀態(tài)，此時ui從零逐漸負(fù)增時，T2管NPN的uEB2增大，一直處于導(dǎo)通，而T1管NPN的uB1E減小，T1管將截止。這樣即使ui很小，總能保證至少一個三極管導(dǎo)通，從而消除交越失真。綜上所述，ui正半周主要是T1管發(fā)射極驅(qū)動負(fù)載，ui負(fù)半周主要是T2管發(fā)射極驅(qū)動負(fù)載，無論ui的正半周還是負(fù)半周，每個管子的導(dǎo)通時間都比輸入信號ui的半個周期長，在功放電路中，通常將這種工作狀態(tài)稱為甲乙類狀態(tài)。

1.3 OCL功放電路的輸出功率和效率

功放電路最重要的技術(shù)指標(biāo)是電路的最大輸出功率Pom和效率η。為求解Pom，需先求出負(fù)載上可能獲得最大不失真輸出電壓Uom。當(dāng)輸入信號幅值足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真時，電路的圖解分析如圖2所示。

圖2 OCL功放電路的圖解分析

圖中Ⅰ區(qū)為T1管的輸出特性，Ⅱ區(qū)為T2管的輸出特性。因兩只三極管的靜態(tài)電流很小，所以可認(rèn)為靜態(tài)工作點(diǎn)位于橫軸上，如圖2中的Q點(diǎn)所示位置，因而最大不失真輸出電壓的幅值Uom=UCC-UCES。設(shè)飽和管壓降：UCES=UCES1=-UCES2。則最大輸出功率Pom為：

(1)

在忽略基極回路電流(很小)的情況下[5-6]，經(jīng)過計(jì)算直流電源最終功耗PU為：

(2)

因此，OCL功放電路的轉(zhuǎn)換效率η為：

(3)

由于篇幅有限，關(guān)于OCL功放電路中的晶體管參數(shù)如何選擇，在此不予以討論。

2 OCL功放電路的仿真測試要求和目的

為更好的研究和分析OCL功放電路在消除交越失真后，當(dāng)輸入信號足夠大時，負(fù)載能得到最大不失真輸出電壓Uom大的特點(diǎn)，從而獲得大的Pom和高的轉(zhuǎn)換效率η，必須對虛擬測試電路提出一定的要求。

2.1 OCL功放測試電路的構(gòu)建

NI Multisim 是由美國國家儀器有限公司研發(fā)的電子電路虛擬仿真軟件[7-8]，將該仿真軟件用于電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對傳統(tǒng)教學(xué)模式能起到很好的補(bǔ)充和輔助作用[9-10]。利用NI Multisim12.0仿真軟件對OCL功放電路進(jìn)行測試和分析研究，按照特定的電路參數(shù)和元器件要求搭建OCL功放測試電路，并且按上面介紹的功放電路組成和工作原理，掌握仿真測試電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)布局，進(jìn)一步對OCL電路的輸出最大功率Pom和轉(zhuǎn)換效率η進(jìn)行虛擬測試，同時觀察輸出波形的失真情況；當(dāng)加載輸入信號時，測試電源直流電流、輸出電壓的幅值和輸出功率Pom，來計(jì)算電源功耗Pu和轉(zhuǎn)換效率η，進(jìn)一步得出正確的結(jié)論。

2.2 OCL功放電路的波形特點(diǎn)

對OCL功放電路而言，采取一定的措施會克服的輸出波形的交越失真[7-8]，在輸入信號幅值足夠大，電源電壓UCC和晶體管的管壓降UCES取值一定的情況下，輸出波形能獲得最大的幅值，從而使得負(fù)載獲得最大不失真輸出功率Pom，進(jìn)一步獲得高的轉(zhuǎn)換效率η；OCL功放電路中的輸入、輸出電壓有跟隨特性，若輸出產(chǎn)生交越失真會造成輸出電壓幅值Uom偏小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率η會偏低。

2.3 OCL功放電路的仿真測試內(nèi)容

(1) 與輸入信號波形比對，觀察輸出信號波形有無交越失真現(xiàn)象；

(2) 利用萬用表(測電流)和瓦特表進(jìn)行測試，當(dāng)輸入信號為零(即靜態(tài)) 時，電路能否實(shí)現(xiàn)零輸入零輸出；

(3) 當(dāng)輸入信號不為零時，測試直流電流表讀數(shù)(萬用表)、瓦特表和輸出電壓峰值Uom大小，進(jìn)一步比對理論計(jì)算后的Pom和測試的Po數(shù)據(jù)接近程度，進(jìn)而驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

2.4 OCL功放電路測試仿真的目的

對于OCL功放電路進(jìn)行測試仿真的主要目的是：① 掌握OCL功放電路如何獲得較大Pom和較高轉(zhuǎn)換效率η的工作原理；② 觀察并研究有輸出波形變化無交越失真兩種情況下的特征；③ 通過測試的數(shù)據(jù)來分析、比對和計(jì)算電源UCC提供的功率Pu、最大輸出功率Pom及轉(zhuǎn)換效率η。

3 NI Multisim 12.0測試軟件對OCL功率放大電路的虛擬仿真分析

3.1 搭建OCL功放測試電路

搭建OCL互補(bǔ)對稱輸出功放測試電路如圖3所示。在圖3中，特性對稱的晶體管一個采用NPN型低頻功率晶體管2SC2001，其參數(shù)：ICM=700 mA，PT=600 mW，UCES=0.2 V，另一個采用PNP型低頻功率晶體管2SA952，其參數(shù)：ICM=-700 mA，PT=600 mW，UCES=-0.25 V；在NI Multisim虛擬測試仿真中可做到NPN和PNP特性基本對稱；供電的直流電源一個是+UCC=12 V，另一個是-UCC=-12 V；兩個二極管型號均為1N4001；電阻R1=R2=2 kΩ，負(fù)載電阻RL=50

圖3 OCL互補(bǔ)對稱輸出功放測試電路

Ω；電容C1=C2=10 μF較大；兩個單刀雙擲開關(guān)S1、S2，同時合在上面端子時輸出波形將會出現(xiàn)交越失真(輸入信號較小時明顯)，同時合在下面端子后，無交越失真；XSC1示波器觀察輸入輸出波形；萬用表XMM1測試+UCC電源的電流大小，XMM2測試-UCC電源的電流大小；瓦特表測試負(fù)載RL的功率大小。經(jīng)驗(yàn)證信號源U1正弦波的輸入信號ui電壓的有效值是8.38 V(其最大值比UCC-UCES大，因?yàn)殡娙萦薪涣鲏航?。若信號源U1的ui電壓有效值再大些，輸出波形會出現(xiàn)峰值失真。

3.2 相關(guān)數(shù)據(jù)的測試

在圖3中，為得到最大輸出的交流功率Pom，采用瓦特表來測量，將瓦特表的電壓V兩個端子并接在負(fù)載RL的兩端，電流I兩個端子串接在RL支路上；為得到兩個電源UCC提供的平均功率，可采用兩個萬用表分別串接在+UCC和-UCC的附近，分別測量電源的輸出直流電流，然后計(jì)算電源的總功耗PU值。

(1) 點(diǎn)擊NI Multisim12.0仿真軟件的仿真開關(guān)，分別后雙擊圖3中的萬用表(在此當(dāng)直流電流表用，下同)XMM1和XMM2。并分別讀出加載輸入信號時得到的直流電流讀數(shù)。

(2) 雙擊圖3瓦特計(jì)XWM1，讀出相應(yīng)的輸出交流功率Po，由于OCL功放電路是共集電極接法，因此輸出電壓和輸入電壓近似相等，考慮到電容C1、C2上有壓降，當(dāng)輸入信號有效值是8.38 V時，晶體管的管壓降最小為|UCES|，此時輸出交流功率Po≈Pom，輸出波形無幅值失真，測出的最大不失真電壓Uom才準(zhǔn)確。

(3) 雙擊圖3示波器XSC1，觀察輸入波形和輸出波形，并進(jìn)一步讀出輸出電壓幅值Uom，該讀數(shù)用于理論計(jì)算最大輸出功率Pom，與瓦特表XWM1讀數(shù)進(jìn)行比對。

(4) 上述測試得到的數(shù)據(jù)，再與理論計(jì)算結(jié)果相比較，看虛擬測試對功放電路的設(shè)計(jì)有無指導(dǎo)意義。

3.3 仿真測試的結(jié)果

(1) 點(diǎn)擊NI Multisim12.0仿真軟件的仿真開關(guān)后，雙擊示波器XSC1來觀察輸入波形和輸出波形，如圖4所示。由于電路已經(jīng)消除了交越失真，為更好觀察波形，分別將通道A的Y軸偏移(格)設(shè)為“1.2”，顯示輸入信號波形，即圖4中的紅色波形；通道B的Y軸偏移(格)設(shè)為“-1.2”，主要顯示輸出信號波形，即圖4中的藍(lán)色波形；通道A和通道B刻度均設(shè)為“10 V/Div”，時基標(biāo)度均設(shè)為“1 ms/Div”。 由圖4可看出輸出波形沒有交越失真產(chǎn)生，而輸出信號uo正、負(fù)峰值的測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 OCL互補(bǔ)對稱功放電路的輸入、輸出波形

圖5 輸出信號uo正、負(fù)峰值的測試

(2) 圖3中的萬用表XMM1和XMM2、瓦特計(jì)XWM1和圖5輸出電壓幅值Uomax +、Uomax-，最終的測試數(shù)據(jù)如表1所示(電源+UCC和 -UCC的總功率利用瓦特表來測試，讀者自行操作，在此略)。

表1 OCL互補(bǔ)功放電路的相關(guān)測試數(shù)據(jù)

(3) 利用表1中的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)簡單計(jì)算可得電源總功耗、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，如表2所示。

3.4 仿真測試的結(jié)論與分析

對上述OCL互補(bǔ)對稱功放電路而言，仿真測試的波形和輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等可得出如下結(jié)論：

(1) 將圖3 的OCL功放測試電路中開關(guān)S1、S2均置上端后，由圖4可知，輸出信號uo沒有交越失真現(xiàn)象發(fā)生，ui和uo具有很好的跟隨特性；而若將圖3中

表2 OCL互補(bǔ)功放電路的功率和轉(zhuǎn)換效率

開關(guān)S1、S2均置下端后，在ui較小時輸出電壓波形發(fā)生明顯交越失真；由圖5波形得出輸出信號正、負(fù)峰值略有不對稱，這是由于兩個晶體管不是理想對稱引起的。

(2) 由理論計(jì)算得出：電源總功耗PU為：

(4)

轉(zhuǎn)換效率η為：

(5)

理論分析和計(jì)算中，電源總功耗等于晶體管T1、T2和負(fù)載RL的功率之和，而實(shí)際測試的圖3電路，除這兩部分功率之外，還需考慮電阻R1、R2和二極管D1、D2上的功率，因此仿真測試的電源總功耗值大于理論計(jì)算的值；另外理論計(jì)算的輸出功率Pom值大于測試瓦特表的讀數(shù)Po值，是因?yàn)榫w管特性實(shí)際不對稱，因此理論效率η略偏高，但誤差在5%之內(nèi)。

(3) 表1中，當(dāng)信號源為零時，能實(shí)現(xiàn)零輸出，電源±UCC功耗很小(原因是消除交越失真引起)。

(4) 通過OCL互補(bǔ)對稱功放電路的仿真測試，說明利用NI Multisim12.0虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合，該仿真測試對電子電路的功放電路設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

4 結(jié) 語

在對OCL功放電路測試中，當(dāng)±UCC=±12 V，晶體管的UCES≈ 0.2 V時，若輸入信號足夠大，本測試在輸入信號ui有效值等于8.38 V時，發(fā)現(xiàn)輸出電壓最大，電路無交越失真；利用萬用表測試±UCC兩路電源的直流電流，計(jì)算出電源的總功耗；利用瓦特表測試負(fù)載RL的最大輸出功率Pom，仿真測試的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果基本接近；驗(yàn)證了利用NI Multisim12.0仿真軟件對OCL互補(bǔ)對稱功放電路的虛擬測試結(jié)果是正確的，說明對功率放大電路設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用；利用示波器觀測輸出波形的有無交越失真現(xiàn)象，測試輸出電壓峰值的讀數(shù)來計(jì)算最大輸出功率，進(jìn)一步理解和掌握OCL功放電路的特點(diǎn)，領(lǐng)會軟件對不同電路的分析方法和處理方法。可預(yù)見引入仿真軟件輔助電類課程教學(xué)[11-13]，是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢；仿真軟件的不斷發(fā)展會不斷推進(jìn)教學(xué)方法的改進(jìn)，把NI Multisim12.0 仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來[14-15]，發(fā)揮各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的特長，讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正掌握電子電路的設(shè)計(jì)奧妙。

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The Simulation Test Research of the OCL Power Amplifier Circuit Based on NI Multisim 12.0

HOUWei-zhou，YANGYi

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475003, China)

The output power and conversion efficiency had been virtually tested for OCL circuit via NI Multisim 12.0 software. By changing the amplitude of the input signal, we made the output without cross distortion and the output amplitude reach its maximum, then we observed the positive and negative peak values of the output voltage, recorded the values of the source DC current and the load power in the test circuit. The two values were compared with the power consumption and output power obtained by theoretical calculation. The results of virtual test were basically consistent with the theoretical calculation results. It verifies the power amplifier circuit simulation for the circuit design has a good guiding significance. The test also verifies the rationalities of introduction of NI Multisim12.0 into the electronic circuit virtual experiment teaching. The virtualized experiment can greatly improve the theoretical teaching effect, and is good for students to master the electronic circuits design method.

OCL; power amplifier circuit; simulation test; NI Multisim12.0

2015-12-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (21173068)；2015年河南省“電子信息科學(xué)與技術(shù)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

侯衛(wèi)周(1973-)，男，山西永濟(jì)人，碩士，副教授，現(xiàn)從事電子線路設(shè)計(jì)與研究、基本電子電路仿真研究。

Tel.: 13569509212; E-mail: hwz204@163.com

TN 710.9; TN 721

A

1006-7167(2016)09-0086-05