基于高頻諧振功率放大電路分析的仿真教學研究

楊颯，邢鳳闖

（廣東第二師范學院 物理與信息工程系， 廣東 廣州510303）

0 引言

高頻諧振功率放大電路是“高頻電子線路”的一個教學重點和難點. 教學重點表現(xiàn)在高頻諧振功率放大電路是無線通信系統(tǒng)中不可或缺的典型電路，常用于發(fā)射機的末級對高頻信號進行高功率放大，以實現(xiàn)信號的遠距離傳播. 教學難點在于對電路工作原理的理解：丙類工作狀態(tài)的設置、集電極余弦脈沖波形的產生、LC諧振回路的窄帶選頻特性、電路的3 種狀態(tài)、電路高效率的獲得和電路的四大特性. 在高校教學改革的新形勢下，課程學時數(shù)普遍縮減，用于高頻諧振功率放大電路的教學通常在4 學時左右. 如何在有限的學時內講清楚這個重要的高頻電路，相關學者開展了大量的教學研究. 朱高中等［1－4］將Multisim 軟件用于高頻諧振功率放大電路的分析，采用Multisim 軟件的電路設計、虛擬儀器測試、仿真分析等功能，深入分析了高頻諧振功率放大電路的工作原理，使抽象的原理變得形象和直觀，讓仿真軟件在教學上起到事半功倍的作用. 韓新風等［5－6］從仿真教學的角度，研究了如何借助虛擬軟件開展高頻諧振功率放大電路的仿真教學.

學生在前繼課程中并沒有專門學習過Multisim 軟件，在運用Multisim 軟件分析高頻諧振功率放大電路時，往往會陷入因軟件操作不熟而影響仿真教學實效的困境. 本文另辟蹊徑，從高頻諧振功率放大電路研究出發(fā)，循序漸進地開展Multisim 軟件應用的教學，通過電路原理圖設計，集電極電流波形觀察，甲類、乙類和丙類電路的效率分析，LC網(wǎng)絡選頻特性測試和電路四大特性（負載特性、集電極調制特性、基極調制特性和放大特性）分析，闡明Multisim 軟件的操作和應用，讓學生在學習軟件操作的同時，深刻理解高頻功率放大電路在調幅、倍頻和限幅等方面的應用. 本文的仿真測試和電路分析均在Multisim 14 教學版上完成.

1 高頻諧振功率放大電路原理圖設計

本文設計的高頻諧振功率放大電路如圖1 所示，輸入交流信號Vi為V1，基極電源VBB為V2，集極電源VCC為V3，負載電阻RP為R1.為保證電路工作在丙類，需保證｜V2｜≤VBE（on）（晶體管發(fā)射結的開啟電壓），這里V2＝－ 0.1 V. LC諧振回路中，C1＝100 pF，L1＝2.536 μH，使LC回路的諧振頻率為10 MHz，互感線圈T1的匝數(shù)比n＝5，信號源V1為有效值0.8V，頻率10 MHz 的正弦波信號.

圖1 高頻諧振功率放大電路原理圖

2 高頻諧振功率放大電路高效率的獲得——丙類設置

高頻諧振功率放大電路根據(jù)晶體管導通角的大小，分為甲類、乙類和丙類3 種狀態(tài). 要證明高頻諧振功率放大電路工作在丙類，就需要觀察集電極電流是否為余弦脈沖波形； 要證明高頻諧振功率放大器丙類工作時獲得高效率，除了需要把效率計算出來外，還需要跟甲類和乙類工作時的電路效率進行對比. 為此，本文使用Multisim14 軟件的瓦特計、示波器、電流探針來完成此項分析. 示波器不能顯示電流的波形，需要借助Multisim14 軟件虛擬儀器欄中的電流探針把集電極電流轉換成電壓，通過示波器顯示出電流波形. 3 種虛擬儀器的接法、集電極電流波形和輸出電壓波形見圖2. 圖2a 中電流探針放置在發(fā)射極，因為集電極電流近似等于發(fā)射極電流，方向和電流探針方向一致. 圖2b 中，上波形為集電極電流波形，此時為尖峰出現(xiàn)凹陷的余弦脈沖波形. 下波形是輸出電壓波形，為完整的正弦波. 通過游標1 和游標2，可以讀出各波形的周期和幅度. 這里電流探針設置為1 V／mA 的轉換比. 如圖2b 所示，集電極電流余弦脈沖波形的峰值達到51.05 mA.

適當調節(jié)圖2a 中V1和V2的大小，可以觀察電路工作在乙類狀態(tài)時的半波形狀的集電極電流波形和工作在甲類狀態(tài)時的全波集電極電流波形，如圖3 所示.表1 是高頻諧振功率放大電路工作在3 種狀態(tài)下的相關電路參數(shù)和電路效率ηC. 表格中的數(shù)據(jù)說明，電路在丙類工作時，效率最高，達到82.36%，高于乙類理想時的最大值78.5%，甲類工作時的電路效率最低.

圖2 電路丙類工作時效率計算與集電極波形的觀察

圖3 電路乙類和甲類工作時集電極電流波形和輸出電壓波形

表1 3 種工作狀態(tài)下的電路參數(shù)調整和電路效率

3 高頻諧振功率放大電路欠壓、臨界和過壓3 種狀態(tài)

高頻諧振功率放大電路還可以根據(jù)晶體管是否進入飽和區(qū)分為欠壓、臨界和過壓3 種工作狀態(tài)［7］. 在圖1 中，隨著V2的減小，晶體管基極的偏置電壓降低，晶體管導通角減小，導致晶體管從飽和區(qū)經臨界進入放大區(qū)，集電極的余弦脈沖電流波形也由過壓區(qū)的頂尖凹陷，逐步過渡到臨界狀態(tài)的尖峰形狀，再到欠壓區(qū)尖峰峰值的降低. 這里可采用Multisim14 軟件中“Analyses and simulation”功能的“Parameter Sweep”完成集電極波形變化的觀察. 在“Parameter Sweep”中選擇“Device parameter”為電壓源V2，直流電壓從－0.36 V 按0.04 V的分度值線性掃描到－0.24 V，輸出變量選擇集電極電流. 為了便于觀察，需要將4 根集電極電流波形分開來顯示，可點擊任意一根波形線，進入“Graph properties”選項卡，在“Left axis”標簽頁中將范圍擴到4倍，在“Traces”標簽頁中將“Y offset”逐一提高. 得到的集電極電流波形如圖4 所示. 可見當V2＝－0.36 V 時，電路為欠壓狀態(tài)，V2＝－0.28 V 時，電路接近臨界狀態(tài)，V2＝－0.24 V 時，電路已進入過壓狀態(tài).

圖4 電路欠壓、臨界和過壓3 種狀態(tài)下的集電極電流波形

4 LC 諧振回路的窄帶選頻特性

高頻諧振功率放大電路因為工作在丙類狀態(tài)導致集電極電流不再是輸入信號的正弦波，而變成了余弦脈沖波形. 這里我們用Multisim14 軟件中“Analyses and simulation”功能的“Fourier”分析來觀察圖2b 中集電極電流的頻譜成分. 在“Fourier”中“Frequency resolution”和“TSTOP”均選擇“Estimate”，諧波次數(shù)選擇6，輸出結果為系統(tǒng)默認的“Display as bar graph”. 集電極電流頻譜見圖5，基波頻率10 MHz 為15.95 mA，二次諧波頻率幅度為11.71 mA.

圖5 集電極余弦脈沖電流的頻譜分解

為了在輸出端得到不失真的正弦電壓波形，需要采用LC并聯(lián)回路將余弦脈沖電流中的基波選擇出來.這里可采用Multisim14 軟件中“Analyses and simulation”功能的“AC Sweep” 來測試LC并聯(lián)回路的選頻濾波特性. 圖6a 是AC Sweep 的測試電路，對于并聯(lián)諧振回路，信號源需采用電流源. 在“AC Sweep”中，“FSTART”和“FSTOP”分別設置為1 MHz 和50 MHz，LC并聯(lián)回路的幅頻特性曲線如圖6b 所示. 通過游標1和游標2，可讀出基波幅度／二次諧波幅度＝423.21／47.11 ＝8.98. 可見，該LC并聯(lián)諧振回路可以很好地對二次諧波進行濾除，將基波信號選擇出來.如果改變L或C的參數(shù)，將圖1 中的LC并聯(lián)回路諧振在二次諧波或者三次諧波頻率上，則高頻諧振功率放大電路就可以構成二倍頻或三倍頻電路.

圖6 LC 并聯(lián)回路幅頻特性曲線的測試

5 高頻諧振功率放大電路四大特性分析

放大電路在RP、VCC、VBB和Vim4 個參數(shù)分別單獨變化時所具有的特性分別稱為高頻諧振功率放大電路負載特性、集電極調制特性、基極調制特性和放大特性.

5.1 高頻諧振功率放大電路的負載特性

通過Multisim14 的“Parameter Sweep” 功能，可以很快找到圖1 中RP變化時，放大電路從欠壓區(qū)向過壓區(qū)過渡的RP取值范圍，如圖7a 所示. 當RP從0 變化到200 Ω 時，集電極余弦脈沖波形從尖峰狀到頂尖出現(xiàn)凹陷，說明電路從欠壓區(qū)經過臨界狀態(tài)向過壓區(qū)過渡，且在欠壓區(qū)時，集電極電流隨RP增大而緩慢下降，進入過壓區(qū)后，集電極電流隨RP增大而明顯下降. 再通過瓦特計可以測量RP從0 變化到200 Ω 時輸出功率和電源直流功率，計算出集電極耗散功率和電路效率. 用逐點描圖法得到圖7b 的電路功率、效率的變化曲線.可見，為保持大的輸出功率和高電路效率，通常讓高頻諧振功率放大電路工作在臨界到弱過壓之間. 本電路獲得最大輸出功率POM時的最佳匹配阻抗為95 Ω.

圖7 高頻諧振功率放大電路的負載特性

5.2 高頻諧振功率放大電路的集電極調制特性

在圖1 中RP?。?5 Ω，Vi和VBB如圖中取值，通過Multisim14 的“Parameter Sweep”功能，可以很快找到圖1 中VCC變化時，放大電路從過壓區(qū)向欠壓區(qū)過渡的取值范圍. 如圖8a 所示. 當VCC從8 V 變化到17 V 時，集電極余弦脈沖波形從頂尖凹陷狀到頂峰狀，說明電路從過壓區(qū)經臨界向欠壓區(qū)過渡. 再通過萬用表測量VCC從0 變化到18 V 時IC0和VCM，計算出IC1M＝VCM／RP，用逐點描圖法得到圖8b 的輸出電壓和輸出電流的變化曲線. 可見，高頻諧振功率放大電路用作集電極調幅電路時，應工作在過壓區(qū).

圖8 高頻諧振功率放大電路的集電極調制特性

5.3 高頻諧振功率放大電路的基極調制特性

在圖1 中RP?。?5 Ω，Vi和VCC如圖中取值，通過Multisim14 的“Parameter Sweep “功能，找到圖1 中VBB變化時，放大電路從欠壓區(qū)向過壓區(qū)變化的取值范圍. 如圖9a 所示，當VBB從－0.5 V 變化到0.1 V 時，集電極余弦脈沖波形從尖峰狀到頂尖出現(xiàn)凹陷，說明電路從欠壓區(qū)經過臨界向過壓區(qū)過渡. 再通過萬用表測量VBB從－0.6 V 變化到0.4 V 時IC0和VCM，計算出IC1M＝VCM／RP. 用逐點描圖法得到圖9b 的輸出電壓和輸出電流的變化曲線. 可見，高頻諧振功率放大電路用作基極調幅電路時，應工作在欠壓區(qū).

5.4 高頻諧振功率放大電路的放大特性

在圖1 中RP＝95 Ω，VBB和VCC如圖中取值，通過Multisim14 的“Parameter Sweep” 功能，找到圖1 中Vi變化時，放大電路從欠壓區(qū)向過壓區(qū)過渡的取值范圍，如圖10a 所示. 當Vim從0.7 V 變化到0.9 V 時，集電極余弦脈沖波形從尖峰狀到頂尖出現(xiàn)凹陷，說明電路從欠壓區(qū)經過臨界向過壓區(qū)過渡. 再通過萬用表測量Vim從0.4 V 變化到1.4 V 時IC0和VCM，計算出IC1M＝VCM／RP. 用逐點描圖法得到圖10b 的輸出電壓和輸出電流的變化曲線. 可見，高頻諧振功率放大電路用作基極調制電路時應工作在欠壓區(qū)，用于限幅功能時，應工作在過壓區(qū).

圖9 高頻諧振功率放大電路的基極調制特性

圖10 高頻諧振功率放大電路的放大特性

6 結語

本文通過對高頻諧振功率放大電路的靜態(tài)設置、功率與效率計算、集電極余弦脈沖波形觀察、LC諧振回路的窄帶選頻特性測量、電路四大特性及其擴展應用的研究，詳細闡述了Multisim14 軟件的電路設計、虛擬儀器使用、各種測量結果的有效讀取與顯示、多種仿真分析功能的運用，特別是對電流探針、AC 掃描、參數(shù)掃描的功能進行了說明. 通過本文的學習，不僅可以加深學生對高頻諧振功率放大電路工作原理及其應用的理解，更可以達到熟練操作Multisim14 軟件以解決復雜、抽象電路問題的目的，提高學生運用仿真工具解決復雜問題的能力.