基于虛擬儀器技術(shù)的高頻功率放大器分析儀

董 琳， 葉建芳， 張志強(qiáng)

(東華大學(xué)通信工程系，上海201620)

0 引言

高頻功率放大器用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，使信號(hào)功率滿足發(fā)射所需，是各種無線發(fā)射機(jī)的主要組成部分［1-4］。其導(dǎo)通角不僅決定了功率放大器的工作狀態(tài)，就丙類功率放大器而言，導(dǎo)通角的取值對(duì)電路的輸出功率和集電極效率有著重要的影響。本文以Multisim仿真電路為依托，利用LabVIEW開發(fā)高頻功率放大器虛擬分析儀，為定量研究影響導(dǎo)通角的電路參數(shù)以及導(dǎo)通角對(duì)電路性能的影響提供了直觀準(zhǔn)確而又高效的虛擬儀器［5-8］。

1 高頻功率放大電路

如圖1所示，電路由甲類、丙類兩級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。輸入信號(hào)通過甲類進(jìn)行信號(hào)放大后進(jìn)入丙類功率放大器［9-12］。

圖1 高頻功率放大電路

電路性能指標(biāo):工作中心頻率f0=3 MHz，帶寬BW≥7 kHz，PO=12 mW，ηc＞60%。選取型號(hào)為2N2369的NPN型三極管作為功放晶體管，其最大集電極電流ICM=200 mA，集電極與發(fā)射極之間擊穿電壓UCEO=15 V，集電極與發(fā)射極之間的飽和電壓UCES=0.25 V，截止電壓UBZ=0.7 V，電流放大倍數(shù) 珔β 在40～120之間。集電極電源12 V，輸入信號(hào)有效值6 mV，負(fù)載電阻RL=3 kΩ。設(shè)導(dǎo)通角θ=70°。

(1)基極偏置電路設(shè)計(jì)。圖1所示電路的丙類功放采用自給偏置的方式獲取基極偏置電壓。當(dāng)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，流向三極管基極的電流將對(duì)與基極相連的電容Cb2進(jìn)行充電;當(dāng)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電容Cb2將通過高頻扼流圈Lb對(duì)電阻R4進(jìn)行放電，由此在回路之中產(chǎn)生放電電流IBO，此時(shí)電路獲得基極電位UBB≈R4IBO。

輸入信號(hào)經(jīng)甲類進(jìn)行信號(hào)放大后，丙類功放基極輸入信號(hào)幅度Ubm=2.05 V，對(duì)于導(dǎo)通角θ，

則

通過在電路中調(diào)節(jié)電阻R4，使UBB=－1.1 mV即可，則R4=51 Ω。

通過上述分析可知，導(dǎo)通角θ與基極電壓UBB大小有關(guān)，在開發(fā)中通過調(diào)節(jié)R4阻值來改變基極電壓UBB，從而改變 θ。

(2)確定功率放大電路的工作狀態(tài)。功率放大器的集電極等效電阻:

集電極基波電流振幅:

集電極電流脈沖的最大振幅:

集電極電流脈沖的直流分量:

電源提供的直流功率:

集電極的效率:

以上，滿足丙類功放設(shè)計(jì)要求。

2 虛擬儀器架構(gòu)及功能

本文所開發(fā)的虛擬儀器利用Multisim與LabVIEW的I/O交互接口實(shí)現(xiàn)兩者實(shí)時(shí)聯(lián)合仿真［13-15］。由Multisim完成電路信號(hào)與數(shù)據(jù)生成，LabVIEW進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)定與處理，從而完成對(duì)功放電路導(dǎo)通角的分析設(shè)定以及不同大小導(dǎo)通角下電路輸出參數(shù)的分析與呈現(xiàn)。系統(tǒng)框架及功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬儀器系統(tǒng)框架

該虛擬分析儀含有以下兩大功能:

(1)數(shù)據(jù)采集與信號(hào)波形顯示。LabVIEW虛擬平臺(tái)具有對(duì)Multisim仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理的能力。利用LabVIEW編程對(duì)仿真電路輸出波形數(shù)據(jù)進(jìn)行文件寫入與讀取，對(duì)波形數(shù)據(jù)文件進(jìn)行幅值、直流分量等參數(shù)的分析與計(jì)算，再結(jié)合MATLAB程序語(yǔ)言獲取必要的電路參數(shù)。電路信號(hào)波形的顯示方面，使用LabVIEW中的波形圖表控件對(duì)波形進(jìn)行分組顯示與對(duì)比。

(2)功放特性曲線擬合與參數(shù)計(jì)算。本文所開發(fā)的分析儀具有對(duì)電路任意兩參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)擬合，近似得到兩者關(guān)系曲線的功能。利用LabVIEW控件通過I/O接口改變電路參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)讀取，獲取不同參數(shù)下的電路輸出結(jié)果。運(yùn)用參數(shù)擬合方法確定各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，完成θ與R4、ηc、PO之間關(guān)系曲線的顯示以及各參數(shù)之間的定值推導(dǎo)計(jì)算。

3 程序設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

通過LabVIEW編程完成開發(fā)實(shí)現(xiàn)以下功能:①R4對(duì)θ的影響變化趨勢(shì);②θ對(duì)ηc、PO的影響;③不同θ對(duì)功率放大器發(fā)射極輸出的余弦脈沖信號(hào)的影響。其中，采用參數(shù)關(guān)系曲線與定值計(jì)算的方法研究θ與R4、ηc、PO間的相互影響;利用多點(diǎn)波形顯示與數(shù)據(jù)計(jì)算完成不同θ下的電路輸出參數(shù)對(duì)比。

(1)參數(shù)關(guān)系曲線與定值計(jì)算。調(diào)整R4可改變功率放大器θ大小，擬合R4－θ關(guān)系曲線可以很好地展示兩者間的關(guān)系。擬合θ－ηc、θ－PO關(guān)系曲線，便于分析導(dǎo)通角對(duì)集電極效率、輸出功率的影響。同時(shí)，通過擬合得到的參數(shù)關(guān)系式可以雙向地對(duì)參數(shù)進(jìn)行定值的實(shí)時(shí)計(jì)算。開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 參數(shù)擬合流程圖

開發(fā)過程:①新建TDMS、TXT文件準(zhǔn)備Multisim數(shù)據(jù)寫入。②在While循環(huán)中利用LabVIEW控件為Multisim電路設(shè)置不同的參數(shù)，并將電路返回?cái)?shù)據(jù)寫入TDMS文件中直至While循環(huán)結(jié)束。③通過LabVIEW編程讀取TDMS文件數(shù)據(jù)，并利用MATLAB語(yǔ)言加以輔助，計(jì)算出θ、ηc、PO等參數(shù)結(jié)果。④將不同R4下的結(jié)果，以(R4，θ)、(θ，ηc)、(θ，PO)的形式寫入TXT文件，并利用LabVIEW編程采用廣義多階多項(xiàng)式Bisquare擬合算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行(X，Y)擬合，并將擬合得到的多項(xiàng)式系數(shù)通過編程以函數(shù)Y=f(X)的形式提供最終擬合結(jié)果。⑤利用擬合結(jié)果函數(shù)自動(dòng)繪制R4－θ、θ－ ηc、θ－PO關(guān)系曲線，并借助 LabVIEW 編程，結(jié)合多項(xiàng)式求解函數(shù)對(duì)擬合函數(shù)Y=f(X)進(jìn)行系數(shù)處理，完成X或Y的雙向定值求解。

開發(fā)完成前面板用戶界面如圖4所示。

圖4 關(guān)系曲線與定值計(jì)算界面

(2)多點(diǎn)發(fā)射極波形顯示與數(shù)據(jù)計(jì)算。利用LabVIEW數(shù)值控件與I/O交互接口為電阻R4賦予阻值得到不同的θ，對(duì)各θ下的電路參數(shù)以及發(fā)射極輸出脈沖波形進(jìn)行對(duì)比可以獲得直觀的結(jié)果對(duì)比，流程圖如圖5所示。

圖5 多點(diǎn)波形顯示與數(shù)據(jù)計(jì)算流程圖

圖6所示為開發(fā)完成前面板用戶界面。

圖6 多點(diǎn)波形顯示與數(shù)據(jù)計(jì)算

開發(fā)過程:①在控制與仿真循環(huán)中，利用LabVIEW控件設(shè)置不同的R4數(shù)值，依次通過I/O交互接口傳遞至Multisim電路。②利用文件寫入函數(shù)將電路運(yùn)行結(jié)果(電路發(fā)射極輸出信號(hào)數(shù)據(jù))寫入指定文件，并在循環(huán)停止時(shí)完成數(shù)據(jù)寫入進(jìn)行文件保存。③停止控制與仿真循環(huán)，利用文件讀取函數(shù)對(duì)文件進(jìn)行讀取與數(shù)據(jù)處理。④通過LabVIEW編程，將讀取得到的信號(hào)進(jìn)行捆綁，同時(shí)顯示至一個(gè)波形圖表中;將不同R4下的θ、ηc、PO根據(jù)擬合函數(shù)Y=f(X)進(jìn)行計(jì)算，并通過矩陣計(jì)算與轉(zhuǎn)換組成數(shù)組矩陣，以數(shù)據(jù)表格的形式顯示最終結(jié)果。

4 結(jié)果分析

(1) 關(guān)系曲線R4－θ、θ－ηc、θ－PO。關(guān)系曲線擬合結(jié)果如圖7所示。由于R4阻值增大，電路基極電壓UBB增大，根據(jù)式(1)可知電路θ減小，如圖7(a)所示。對(duì)于高頻功率放大器集電極電源提供的直流輸入功率PD=UccIc0，輸出功率:

則集電極效率:

式中:g1(θ)=α1(θ)/α0(θ)，ξ=Ucm/Ucc，想要提高 ηc可通過提高波形系數(shù)g1(θ)實(shí)現(xiàn)，而g1(θ)與θ有關(guān)。已知θ越小，g1(θ)越大，ηc越高，但減小θ會(huì)使余弦脈沖分解系數(shù)α1(θ)減小，則輸出功率PO下降，與圖7(b)、(c)曲線擬合分析結(jié)果相符。因此在導(dǎo)通角的選擇上，提高效率與提高輸出功率是相互矛盾的。一般認(rèn)為，在具體設(shè)計(jì)中最佳導(dǎo)通角設(shè)置在70°［16］。根據(jù)圖4中②指標(biāo)計(jì)算區(qū)域可以雙向計(jì)算θ、ηc、PO值:當(dāng) θ=70°，ηc=71.86%，PO=12.51 mW;同時(shí)可計(jì)算，期望PO=13 mW，則 θ=71°，期望 ηc=74%，則 θ=62°。結(jié)合以上曲線與定值計(jì)算方法可以幫助使用者研究并快速地確定電路所需要的導(dǎo)通角。

圖7 關(guān)系曲線擬合結(jié)果

(2)不同導(dǎo)通角的輸出與數(shù)據(jù)對(duì)比。在設(shè)定偏置電阻R4分別為 50、800、3 000 Ω 時(shí)，對(duì)應(yīng)的 θ、ηc、PO如圖8(a)所示，發(fā)射極輸出信號(hào)波形如圖8(b)所示。

圖8 曲線與數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，對(duì)圓圈中區(qū)域進(jìn)行放大可知，導(dǎo)通角減小，發(fā)射極輸出信號(hào)幅度降低。根據(jù)圖9所示晶體管正向轉(zhuǎn)移特性曲線可知，在輸入U(xiǎn)bm不變的情況下，R4變大導(dǎo)致電路基極電壓UBB增大，輸入信號(hào)位置后移，導(dǎo)通角減小，對(duì)應(yīng)iC減小(iCmax降低)，因而出現(xiàn)圖8所示結(jié)果。

圖9 晶體管正向轉(zhuǎn)移特性曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用LabVIEW編程并借助其與Multisim的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)用于分析偏置電阻對(duì)高頻功率放大器導(dǎo)通角的影響以及導(dǎo)通角對(duì)電路輸出參數(shù)的影響的分析儀。該虛擬分析儀可以實(shí)時(shí)擬合、顯示導(dǎo)通角與電路參數(shù)之間的關(guān)系曲線，完成參數(shù)間的雙向計(jì)算，并將不同狀態(tài)下的信號(hào)進(jìn)行多點(diǎn)對(duì)比顯示，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物理儀器只能完成“逐點(diǎn)單值單信號(hào)”測(cè)量的缺陷，為電路重要參數(shù)的設(shè)置與分析提供了更直觀高效的方法。