集電極調(diào)幅電路仿真分析

王紅霞 朱善林

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院, 武漢 430033)

集電極調(diào)幅電路[1-2]是以丙類諧振功率放大電路為基礎(chǔ)構(gòu)成的，是輸出電壓幅度受集電極所加調(diào)制信號控制的高頻諧振功率放大器，其輸出調(diào)幅信號有較高的功率，是一種高電平調(diào)幅。理論上高頻諧振功率放大器工作在過壓狀態(tài)時，調(diào)制信號和集電極電源電壓共同作為放大器的有效集電極電源電壓，即可在輸出端獲得AM調(diào)幅信號。

如何調(diào)整電路參數(shù)，才能使高頻諧振功率放大器工作于過壓狀態(tài)；如何設(shè)置集電極電源電壓才能獲得不同調(diào)制度的調(diào)幅信號；如何調(diào)整載波、集電極電壓，才能獲得不失真的調(diào)幅信號；如何增大輸入調(diào)制信號的動態(tài)范圍等問題，都是集電極調(diào)幅電路仿真測試時遇到的難點。

對于集電極調(diào)幅電路的仿真，調(diào)整丙類諧振功率放大器的欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)是基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進行不失真的調(diào)制則是重點和難點。

關(guān)于丙類諧振功率放大器電路[3-5]設(shè)計、仿真、測試等方面研究較多，普通調(diào)幅解調(diào)系統(tǒng)仿真[6-8]也較容易實現(xiàn)，但是對于集電極調(diào)幅電路的仿真測試研究文獻相對較少。筆者引入LTspice仿真軟件，詳細介紹集電極調(diào)制電路仿真實現(xiàn)的步驟，并分析影響輸出已調(diào)信號的多種因素。

1 集電極調(diào)幅電路原理

集電極調(diào)幅電路的原理電路[1-2]如圖1所示。集電極調(diào)幅的工作特性如圖2所示。

圖1 集電極調(diào)幅原理電路

圖2 集電極調(diào)幅特性

調(diào)制信號uΩ(t)與直流電源VcT相串聯(lián)，Vcc等于這兩個電壓之和，并隨調(diào)制信號變化而變化。C′是高頻旁路電容，高頻相當(dāng)于短路，對調(diào)制信號頻率應(yīng)相當(dāng)于開路。輸入載波信號ub(t)=Ubmcos(ωCt)保持不變，集電極回路調(diào)諧在ωC，帶寬略大于調(diào)制信號頻率的2倍。

丙類諧振功率放大器在Vbb(基極回路偏置電壓)、gc(晶體三級管跨導(dǎo))、Ubz(晶體三級管導(dǎo)通壓降)、Ubm(輸入信號幅值)、Rp(諧振回路電阻)不變的條件下，改變Vcc時，集電極電流IC0(集電極電流直流分量)、IC1m(基波電流幅值)在欠壓區(qū)可認為不變，而在過壓區(qū)IC0、IC1m將隨Vcc變化而變化，具有調(diào)幅特性。當(dāng)實現(xiàn)集電極調(diào)幅時丙類諧振功率放大器工作于過壓狀態(tài)。

丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、臨界和過壓三種，當(dāng)工作狀態(tài)為欠壓，ic是尖頂余弦脈沖，當(dāng)工作狀態(tài)為臨界，ic是尖頂余弦脈沖且達到幅值最大值，當(dāng)工作狀態(tài)是過壓時，ic波形會出現(xiàn)凹陷。因此丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)調(diào)整是實現(xiàn)集電極調(diào)幅的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過調(diào)整管外參數(shù)，觀測集電極電流，確定集電極調(diào)制特性曲線，并可視化展示集電極電流和輸出電壓波形是本文的主要工作。

2 集電極調(diào)幅電路仿真

LTspice軟件[9]是一種電路仿真軟件，能用于觀察到電路中的電壓、電流波形，能進行瞬態(tài)分析(Transient Analysis)、交流分析(AC Analysis)、直流分析和噪聲分析等。

在LTspice軟件中建立集電極調(diào)幅電路原理圖，如圖3所示(此電路未考慮阻抗匹配和輸出功率，僅僅分析原理電路的三種工作狀態(tài)及影響因素)。

圖3 集電極調(diào)幅仿真電路

輸入載波信號通過耦合電容加入基級回路，基級直流偏置電壓為負值，集電極回路采用串饋方式，調(diào)制信號通過變壓器耦合到集電極，和集電極直流電壓串聯(lián)作為電路的有效集電極電壓，集電極LC諧振回路的諧振頻率近似等于載波頻率，調(diào)幅信號通過變壓器耦合方式傳給負載電路。

建立仿真波形。輸出調(diào)幅電壓V_AM如圖4所示，集電極電流ic的局部放大波形如圖5所示。

圖4 V_AM波形

圖5 集電極電流ic波形

圖4所示是典型的AM信號，說明電路實現(xiàn)了調(diào)幅，圖5所示是凹陷的集電極電流波形，說明電路工作在過壓狀態(tài)。

但是如何設(shè)置參數(shù)，才能使電路工作在過壓工作狀態(tài)？如何設(shè)置參數(shù)，才能使輸出信號不失真？這是實現(xiàn)集電極調(diào)幅的關(guān)鍵。

3 集電極調(diào)制特性仿真分析

集電極調(diào)制特性是指基極偏置電壓Vbb，輸入信號Ubm，負載電阻RL保持不變的條件下，只改變集電極電源電壓Vcc幅值時，電路工作狀態(tài)的變化。

為了獲得集電極調(diào)制，先不加調(diào)制信號。并在仿真電路中設(shè)置電路參數(shù)，Ubm=1.2 V，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω，Vcc∈[1 V,8 V]時且以1 V的變化量變化時，集電極電流如圖6所示。

圖6 集電極調(diào)制特性仿真波形

當(dāng)Vcc∈[1 V,6 V]時集電極電流是凹陷的(過壓狀態(tài))，即Vcc=1 V時凹陷最明顯。當(dāng)Vcc∈[7 V,8 V]時集電極電流是尖頂余弦脈沖(欠壓狀態(tài))，且電流幅值變化不大。因此，在減小Vcc過程中，工作狀態(tài)從欠壓過渡到臨界再到過壓區(qū)，或者說，在增大Vcc過程中，工作狀態(tài)從過壓過渡到臨界再到欠壓區(qū)。在此參數(shù)條件下，Vcc=7 V是臨界電壓。

4 集電極調(diào)幅電路動態(tài)范圍分析

為了獲得較大的調(diào)制信號幅度范圍，可設(shè)Vcc=3 V，同時設(shè)置Ubm=1.2 V，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω，加載調(diào)制信號頻率為1 KHz、幅值不同的調(diào)制信號，輸出信號如圖7所示。

(a) 輸出調(diào)幅信號(Vcc=3 V，F(xiàn)m=1 V)

(b) 輸出調(diào)幅信號(Vcc=3 V，F(xiàn)m=2 V)

(c) 輸出調(diào)幅信號(Vcc=3 V，F(xiàn)m=3 V)

(d) 輸出調(diào)幅信號(Vcc=3 V，F(xiàn)m=4 V)圖7 輸出調(diào)幅信號(不同幅值調(diào)制信號)

圖7中，調(diào)制信號幅值改變時，輸出調(diào)幅信號的調(diào)幅指數(shù)發(fā)生改變，當(dāng)Fm∈[1 V,3 V]時，輸出信號正常，當(dāng)Fm=4 V時，輸出信號發(fā)生過調(diào)幅失真。所以，在此參數(shù)條件下調(diào)制信號的幅度范圍為Fm∈[1 V,3 V]。

當(dāng)改變Vcc=5 V，加入Fm=3 V時的調(diào)制信號，輸出信號如圖8所示。

圖8 輸出調(diào)幅信號(Vcc=5 V，F(xiàn)m=3 V)

圖8中，在調(diào)制的正半周一段時間內(nèi)對應(yīng)的輸出信號幅度近似恒定，在調(diào)制的負半周能實現(xiàn)正常的調(diào)制。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因為調(diào)制特性曲線范圍如圖2，當(dāng)Vcc取值在過壓區(qū)域的中間位置時，輸入調(diào)制幅值的動態(tài)范圍最大；當(dāng)Vcc取值向過壓區(qū)0附近移動時，調(diào)制幅值的動態(tài)范圍逐漸縮小，且容易出現(xiàn)過調(diào)幅失真；當(dāng)Vcc取值向臨界點移動時，調(diào)制幅值的動態(tài)范圍逐漸縮小，且容易出現(xiàn)圖8所示失真，即在調(diào)制的正半周一段時間內(nèi)沒有實現(xiàn)調(diào)制，僅僅是正常功率放大。

文中的集電極調(diào)制特性和輸出信號動態(tài)范圍分析是基于Ubm=1.2，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω。當(dāng)這三個參數(shù)的任何一個改變，集電極調(diào)制特性曲線的過壓區(qū)范圍都會發(fā)生改變。因此，為了獲得不失真的調(diào)幅，在仿真時，要反復(fù)調(diào)整調(diào)制參數(shù)，獲得最大范圍的過壓區(qū)域范圍和輸入信號的動態(tài)范圍。

5 結(jié)語

集電極調(diào)幅電路是基于丙類諧振功率放大器的一種高電平調(diào)幅電路。在集電極調(diào)幅電路原理的基礎(chǔ)上；利用LTspice軟件建立了電路模型，仿真分析電路中節(jié)點電壓和電流波形；根據(jù)集電極電路的特征獲得了丙類諧振功率放大器三個工作狀態(tài)的集電極電壓工作范圍；在過壓狀態(tài)參數(shù)條件下，加入調(diào)制信號實現(xiàn)集電極集電極調(diào)幅。在此基礎(chǔ)上，改變集電極電壓和輸入信號幅值，分析輸出信號是否失真，并進行了失真原因分析。集電極調(diào)幅電路仿真方法能定性地分析問題，并通過可視化、簡單化和形象化的方式增強感性認識，進一步加深了對高電平調(diào)幅特性的認識。