高頻諧振丙類(lèi)功率放大器仿真分析

韓新風(fēng)，王玉蓮，張永鋒

(安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，安徽鳳陽(yáng) 233100)

高頻功率放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)高頻功放)主要用于放大高頻信號(hào)或高頻已調(diào)波(即窄帶)信號(hào)，采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路[1]，解決了大功率放大時(shí)的效率、失真、阻抗變換等問(wèn)題，因而高頻功率放大器通常又稱(chēng)為諧振功率放大器。高頻功率放大器的另一個(gè)作用是可以構(gòu)成高電平調(diào)幅電路，利用調(diào)制信號(hào)控制放大器的輸出，既可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，又能夠兼顧功率和效率。因此，有必要對(duì)高頻功率放大器的調(diào)制特性進(jìn)行討論[2]。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角大小的不同將其分為甲類(lèi)、乙類(lèi)和丙類(lèi)等類(lèi)型[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使得高頻諧振功率放大器能兼顧高的輸出功率和高的集電極效率，一般將電路設(shè)置為丙類(lèi)工作狀態(tài)[4]，即半通角θC<90°,且通常θC為60°～80°時(shí)效果較好[5]。丙類(lèi)功率放大電路優(yōu)點(diǎn)在于其效率高達(dá)到80%，所以適合作為主要的功率放大級(jí)[6]。本文在Multisim 13.0軟件平臺(tái)上構(gòu)建了高頻諧振丙類(lèi)功率放大電路，并對(duì)電路的特性進(jìn)行了仿真測(cè)試。

1 仿真電路的搭建

Multisim軟件是一款基于Windows的仿真軟件，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出，被譽(yù)為計(jì)算機(jī)里的電子實(shí)驗(yàn)室[7-9]。Multisim 13.0是該軟件的一個(gè)新版本。該軟件具有龐大的元器件模型參數(shù)庫(kù)和功能齊全的儀器儀表庫(kù)，能夠完成交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、參數(shù)掃描等十幾種電路分析功能，實(shí)驗(yàn)速度快,效率高。

根據(jù)高頻諧振丙類(lèi)功率放大電路的要求，在Multisim 13.0軟件工作區(qū)構(gòu)建如圖1所示的電路。其中，輸入信號(hào)ui是頻率為10.7 MHz、幅值為0.9 V的正弦波信號(hào)，基極反向偏置電源VBB=0.1 V，集電極電源電壓VCC=12 V，LC并聯(lián)諧振回路中電容C=400 pF，變壓器T1中原邊線(xiàn)圈電感為0.553 μH,副邊線(xiàn)圈為0.1119 μH，耦合系數(shù)為1。負(fù)載電阻RL=300 Ω。示波器A通道可測(cè)量輸入信號(hào)ui的波形，B通道可測(cè)量負(fù)載電阻RL上的輸出電壓uC的波形。

圖1 高頻功率放大電路

圖2 輸入電壓ui和輸出電壓uC的時(shí)序波形

2 高頻諧振丙類(lèi)功率放大器的特性仿真分析

2.1 高頻諧振丙類(lèi)功率放大器基本原理

2.1.1 集電極電流iC和輸入信號(hào)之間的非線(xiàn)性關(guān)系

高頻諧振丙類(lèi)功率放大器中三極管隨著輸入正弦波信號(hào)ui的變化，在導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換。三極管導(dǎo)通時(shí)，集電極電流iC隨ui的變化而變化，三極管截止時(shí)，集電極電流iC為零。因此，在輸入正弦波信號(hào)ui的一個(gè)變化周期內(nèi)，集電極電流iC的波形不再是正弦波形，而是脈沖波形。

在圖1所示的高頻功率放大電路中，輸入信號(hào)ui為正弦波信號(hào)，電壓波形如圖2上半部分波形所示。此時(shí)對(duì)應(yīng)的集電極電流iC的時(shí)序波形為余弦脈沖波形(圖3)，其中脈沖電流的幅值ICM約為24.5 mA。三極管的非線(xiàn)性，導(dǎo)致集電極電流iC中除直流和輸入信號(hào)的頻率(即基波頻率)外，還會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量。利用構(gòu)成Multisim軟件的傅立葉分析功能[10]，可得其頻譜構(gòu)成如圖4所示，可見(jiàn)iC由直流、基波(頻率10.7 MHz)電流構(gòu)成，還有基波的倍頻諧波成分。

圖3 三極管集電極電流iC時(shí)序波形圖

圖4 集電極電流iC的頻譜圖

2.1.2 輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系

雖然集電極電流iC中含有直流、基波和諧波成分，但由于三極管的集電極負(fù)載為具有選頻特性的LC并聯(lián)諧振回路，且工作于基波頻率。這使得在負(fù)載電阻RL上的獲得的輸出電壓uC可以從中取出基波分量，輸出電壓的頻譜圖如圖5所示，可見(jiàn)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的頻率成分相同。圖2中下半部分為輸出信號(hào)時(shí)序波形，可見(jiàn)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的依然保持線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 輸出電壓uC的頻譜圖

2.2 高頻諧振丙類(lèi)功率放大器的外部特性仿真

2.2.1 調(diào)諧特性

圖6 調(diào)諧特性圖

另外，該功放電路的諧振特性還可以借助于Multisim軟件的參數(shù)掃描功能來(lái)驗(yàn)證。圖7所示為電容C分別取100 pF、400 pF、700 pF三個(gè)不同數(shù)值時(shí)，三極管集電極電流iC的時(shí)序波形。從圖7中可見(jiàn)，C=400 pF時(shí)，集電極電流幅值最小(此時(shí)等效阻抗最大)。當(dāng)LC回路失諧(C=100 pF和C=700 pF)時(shí)，由于其等效阻抗會(huì)減小，集電極電流iC會(huì)有所增加。圖8所示為電容C分別取以上三個(gè)不同數(shù)值時(shí)輸出電壓uC的波形，由圖8可見(jiàn)，為C=400 pF時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振狀態(tài)下，輸出電壓uC幅值Ucm最大，約為3 V；當(dāng)LC并聯(lián)諧振回路失諧時(shí)，輸出電壓uC幅值Ucm明顯減小，其中C=100 pF時(shí)，Ucm約為1.8 V，當(dāng)C=700 pF時(shí)，Ucm約為0.05 V。

2.2.2 負(fù)載特性

當(dāng)電路其他參數(shù)不變，僅改變負(fù)載電阻RL時(shí)，電路的工作狀態(tài)、電流、電壓等也會(huì)隨之發(fā)生改變。

當(dāng)RL為100 Ω、200 Ω或300 Ω時(shí)，集電極電流iC波形如圖9(a)所示，均為余弦脈沖電流，隨著RL的增大，余弦脈沖電流iC變化非常小，此時(shí)電路工作在欠壓狀態(tài)；當(dāng)RL=400 Ω時(shí)，集電極電流iC為凹頂脈沖電流，波形如圖9(b)所示，此時(shí)電路工作在過(guò)壓狀態(tài)。負(fù)載電阻RL發(fā)生上述變化時(shí)，輸出電壓uC也會(huì)發(fā)生改變，變化如圖10所示。其中，RL在100 Ω至500 Ω等間隔取5個(gè)點(diǎn)，從圖10中可以看出,隨RL由100 Ω增大到300 Ω時(shí)，輸出電壓uC發(fā)生了明顯的增大，對(duì)照?qǐng)D9(a)可知此時(shí)電路工作在欠壓狀態(tài)。但RL由300 Ω增大到500 Ω時(shí)，輸出電壓uC幾乎不變，對(duì)照?qǐng)D9(b)可知此時(shí)電路工作在過(guò)壓狀態(tài)。

圖7 電容C取不同數(shù)值時(shí)的集電極電流iC時(shí)序波形

圖8 電容C取不同數(shù)值時(shí)的負(fù)載電壓uC波形

(a)RL為100 Ω、200 Ω或300 Ω時(shí)集電極電流iC波形 (b)RL為400 Ω時(shí)集電極電流iC波形圖9 負(fù)載電阻RL取不同數(shù)值時(shí)的集電極電流iC波形

綜合圖9和圖10可得，隨著負(fù)載電阻RL的增大，電路逐漸由欠壓經(jīng)臨界進(jìn)入過(guò)壓工作狀態(tài)。在欠壓區(qū)，集電極電流iC為余弦脈沖電流，RL增大時(shí)iC變化非常小，故集電極電流iC的基波電流分量Ic1m和直流分量Ic0也幾乎不變。此時(shí)輸出電壓uC的幅值Ucm=Ic1mRL隨著RL的增大而線(xiàn)性增大；進(jìn)入過(guò)壓區(qū)后，集電極電流iC變?yōu)榘柬斆}沖電流，RL增大時(shí)凹頂脈沖電流在不斷減小，輸出電壓uC的幅值Ucm隨RL的增大和Ic1m的減小而逐漸趨向于飽和。基波電流分量Ic1m、直流分量Ic0和輸出電壓uC的幅值Ucm的變化規(guī)律如圖11所示[5]。

圖10 RL取不同值時(shí)輸出電壓uC的波形

圖11 負(fù)載特性圖

圖12 ui=1.0 V時(shí)集電極電流iC的時(shí)序波形

2.2.3 振幅特性

高頻功率放大電路的其他參數(shù)不變，隨著輸入信號(hào)ui幅值的改變，三極管中的電流、電壓也會(huì)隨之發(fā)生變化。輸入電壓ui幅值Ubm由0.6 V增大至1.2 V時(shí)，集電極電流直流分量IC0也會(huì)發(fā)生改變。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 集電極電流IC0隨輸入信號(hào)ui的變化

由表1可知，隨輸入信號(hào)幅值Ubm由0.6 V增大至0.9 V時(shí)，集電極電流IC0也會(huì)隨之發(fā)生明顯增大，但當(dāng)Ubm由0.9 V增大至1.0 V時(shí)，集電極電流IC0'出現(xiàn)了減小值，ui由1.0 V繼續(xù)增大時(shí)，IC0也會(huì)繼續(xù)增大，但增大的速率明顯比ui小于0.9 V時(shí)增大的速率要小得多。

圖3所示為Ubm=0.9 V時(shí)的集電極電流iC的余弦脈沖波形。當(dāng)ui=1.0 V時(shí)，集電極電流iC的波形如圖12所示，可見(jiàn)，此時(shí)為凹頂脈沖電流?？梢?jiàn)，Ubm由0.9 V增大至1.0 V時(shí)，電路從欠壓狀態(tài)進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)，此過(guò)程集電極電流iC從尖頂?shù)挠嘞颐}沖電流變?yōu)榘柬數(shù)拿}沖電流，使得集電極電流直流分量IC0減小。

2.2.4 調(diào)制特性

2.2.4.1 集電極調(diào)制特性

在電路其它條件不變的情況下，僅改變集電極電源電壓，當(dāng)VCC為3 V時(shí)，集電極電流iC的波形變化如圖13(a)所示，集電極電流iC為凹頂脈沖波形。當(dāng)VCC分別為6 V、14 V、20 V時(shí)，集電極電流iC的波形如圖13(b)所示,為余弦脈沖電流，且變化非常很小，基本趨于穩(wěn)定。從圖13(a)和(b)的波形對(duì)比來(lái)看，隨VCC的變化，電路由過(guò)壓逐漸經(jīng)臨界進(jìn)入欠壓狀態(tài)。

(a)VCC為3 V時(shí)集電極電流iC的時(shí)序波形 (b)VCC為6 V、13 V和20 V時(shí)集電極電流iC的時(shí)序波形圖13 集電極電源VCC取不同數(shù)值時(shí)的集電極電流iC的波形

當(dāng)VCC分別為1 V、2 V、3 V時(shí)，負(fù)載電阻RL上的輸出電壓Ucm波形如圖14(a)所示。由圖14可見(jiàn)Ucm=Ic1mRL近似是線(xiàn)性增大的。由于負(fù)載電阻RL保持不變，因此，對(duì)照?qǐng)D13(a)可知，在過(guò)壓區(qū)Ic1m會(huì)隨VCC的增大而線(xiàn)性增大。而當(dāng)VCC分別為6 V、13 V、20 V時(shí)，負(fù)載電阻RL上的輸出電壓uC波形如圖14(b)所示，由圖可見(jiàn)Ucm=Ic1mRL變化非常微弱，對(duì)照?qǐng)D13(b)可知，電路此時(shí)工作在欠壓區(qū)，輸出電壓uC此時(shí)具有恒壓源特性。

(a)VCC為1 V、2 V和3 V時(shí)uC的波形 (b)VCC為6 V、13 V和20 V時(shí)uC的波形圖14 集電極電源VCC取不同數(shù)值時(shí)的輸出電壓uC的波形

圖15 集電極電源電壓VCC對(duì)電流的影響

綜上對(duì)比，當(dāng)VCC較小時(shí)，電路工作在過(guò)壓區(qū)，集電極電流iC雖為凹頂脈沖波形，但基波電流Ic1m會(huì)隨VCC的增大而線(xiàn)性增大，輸出電壓uC也會(huì)隨之線(xiàn)性增大。隨著VCC的增大，電路由過(guò)壓逐漸經(jīng)臨界進(jìn)入欠壓狀態(tài)，基波電流Ic1m會(huì)隨之進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出電壓uC也會(huì)隨之進(jìn)入飽和狀態(tài)。隨VCC的增大，基波電流Ic1m增大變化符合如圖15所示的特性[8]，因此在過(guò)壓區(qū)，輸出電壓uC的幅值Ucm=Ic1mRL(負(fù)載電阻RL不變時(shí))隨VCC的變化規(guī)律相同，具有調(diào)幅特性。利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅。

2.2.4.2 基極調(diào)制特性

在電路其他條件不變的情況下，僅改變基極偏置電源VBB時(shí)，集電極電流也會(huì)發(fā)生改變，電路如圖16所示。

由圖17(a)可知，VBB=0.6 V時(shí)，集電極電流iC為凹頂脈沖電流，電路處于過(guò)壓狀態(tài)；隨著VBB增大至0.7 V，由圖17(b)可見(jiàn)，集電極電流iC依然為凹頂脈沖電流，但下凹深度減??；由圖17(c)可見(jiàn)，隨VBB的進(jìn)一步增大，集電極電流iC的波形已經(jīng)由凹頂脈沖電流變?yōu)橛嘞颐}沖電流，電路的工作狀態(tài)已經(jīng)由過(guò)壓狀態(tài)經(jīng)臨界狀態(tài)進(jìn)入欠壓狀態(tài)，隨VBB由0.8 V增大至0.95 V時(shí)，集電極余弦脈沖電流iC的最大值ICM由24 mA減小至大約8 mA左右，下降非常明顯。而負(fù)載電阻RL上的輸出電壓uC波形的變化過(guò)程如圖17(d)所示，可見(jiàn)當(dāng)VBB由0.6 V增大至0.75 V時(shí)，輸出電壓uC波形幾乎不變，對(duì)照?qǐng)D17(a)和17(b)可知，此時(shí)電路工作于過(guò)壓狀態(tài)，當(dāng)VBB為0.8 V時(shí)，輸出電壓uC明顯減小，對(duì)照?qǐng)D17(c)可知，此時(shí)電路已經(jīng)由過(guò)壓狀態(tài)經(jīng)臨界進(jìn)入欠壓狀態(tài)。當(dāng)VBB為0.8 V至0.95 V時(shí)，負(fù)載電阻RL上的電壓Ucm波形如圖17(d)所示，此時(shí)電路處于欠壓狀態(tài)，輸出電壓uC會(huì)隨VBB的增大(即三極管發(fā)射結(jié)上的反偏壓的增大)而明顯減小。因此，在過(guò)壓區(qū)，輸出電壓uC具有恒壓源特性；而在欠壓區(qū)，uC跟隨VBB的變化而發(fā)生線(xiàn)性變化，故具有調(diào)幅特性，可以實(shí)現(xiàn)基極調(diào)幅。

圖16 基極調(diào)制特性電路圖

(a)VBB=0.6 V時(shí)集電極電流iC的波形 (b)VBB=0.7 V時(shí)集電極電流iC的波形

(c)VBB為0.8 V至0.95 V時(shí)集電極電流iC的波形 (d)VBB為0.6 V至0.8 V時(shí)電壓uC波形

(e)VBB為0.8 V至0.95 V時(shí)電壓uC波形圖17 基極反向偏置電源VBB取不同數(shù)值時(shí)的集電極電流iC和負(fù)載電阻RL上的電壓uC波形

3 結(jié)語(yǔ)

高頻丙類(lèi)功率放大電路的工作狀態(tài)除了受到的三極管參數(shù)的影響外，還受到其他電路參數(shù)的影響，例如，諧振電阻RP(其值隨負(fù)載電阻RL的變化而變化)，輸入信號(hào)ui的幅值Ubm，基極偏置電源電壓VBB，集電極直流電源VCC。隨著以上各參數(shù)的變化，電路的工作狀態(tài)可能在欠壓與過(guò)壓之間轉(zhuǎn)換。筆者根據(jù)高頻丙類(lèi)功率放大電路的基本要求，設(shè)計(jì)了電路，并借助于Multisim 13.0仿真軟件的Transient Analysis(瞬態(tài)分析)和Parameter Sweep Analysis(參數(shù)掃描分析)功能，分析出隨著以上各參數(shù)的變化，電路中負(fù)載電壓uC和集電極電流iC的波形的變化。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了隨電路中各參數(shù)的變化，電路工作狀態(tài)和集電極電流、負(fù)載電壓的變化過(guò)程。