基于NI Multisim12.0的OCL功率放大电路仿真测试

侯卫周， 杨 毅

(河南大学 物理与电子学院， 河南 开封 475004)



基于NI Multisim12.0的OCL功率放大电路仿真测试

侯卫周， 杨 毅

(河南大学 物理与电子学院， 河南 开封 475004)

利用NI Multisim12.0仿真软件对OCL功放电路的输出功率和转换效率进行虚拟测试分析；通过改变输入信号大小让输出无交越失真且输出幅值最大时，观察输出电压的正、负峰值；测试功放电路中的电源直流电流值和负载的功率；将这两个值分别与理论计算的电源总功耗、输出功率相比较，发现仿真测试的结果与理论计算结果基本吻合；进一步验证了功放电路的仿真对电路设计有很好的指导意义；测试实例证实了将NI Multisim12.0合理引入到电子电路虚拟实验教学中，能大大提升理论课的教学效果，有利于学生在虚拟实验教学中更好地掌握电子电路设计方法。

无输出电容; 功率放大; 仿真测试; NI Multisim12.0

0 引 言

在实用电子电路或信号的发射过程中，往往要求放大电路的末级(即输出级)输出一定的功率，以驱动负载，能向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路(简称功放)。从能量的控制和转换角度出发，功放电路与其他的放大电路没有本质的区别[1-2]；只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。故从功放电路的组成和分析方法，到元件的选择，都与小信号放大电路有着明显的区别。功放电路组成形式很多，有变压器耦合乙类推挽功放、无输出变压器(OTL) 功放、无输出电容(OCL) 功放等，目前电子电路功放应用最多的是OTL和OCL电路，为更好的掌握功放电路的输出功率大和效率高的特点，下面以OCL功放电路为例来介绍其工作原理。

1 OCL功率放大电路的工作原理

任何不加保护措施的直接耦合互补输出将产生交越失真现象，导致输出电压波形畸变，放大将失去意义；另外需要说明的是OCL电路中两只晶体管特性对称，两管在输入信号下，交替导通。

1.1 OCL功放电路的组成

为消除基本OCL电路所产生的交越失真，应设置合适的静态工作点，使得两只晶体管均提前处于临界导通或微导通状态，能消除交越失真的OCL功放电路组成如图1所示。其中， +UCC电源为T1管导通时供电， -UCC为电源T2管导通时供电，电阻R1、R3起保护作用，防止+UCC从到-UCC的电流过大，电阻R2较小，调节R2阻值使得在静态(ui= 0 V)时，E点的静态电位为零，D1、D2管压降导通时钳位在1.4 V，防止输出电压发生交越失真现象。

图1 消除交越失真的OCL功放电路

1.2 OCL功放电路的工作原理

在图1中，静态时从正电源+UCC经R1、R2、D1、D2、R3到负电源-UCC形成一个直流电流，它在T1和T2的基极B1和B2之间产生电压，即UB1B2=UR2+UD1+UD2，使UB1B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和[3-4]。由上可知，ui= 0 V，uO= 0 V，+VCC和-VCC不供电，晶体管静态功耗小。

当ui取一定值(设ui为正弦波测试信号，下同)时，由于D1、D2的动态电阻很小且R2电阻也较小，因而可认为T1和T2的基极电位变化近似相等，即ub1≈ub2≈ui。当ui的正半周分别加载在B1、B2点，由于T1已提前处于微导通状态，此时ui从零逐渐增大时，T1管NPN的uBE增大，一直处于导通，而T2管PNP的uEB2减小，T2管逐渐截止；同样，当ui的负半周分别加载在B1、B2点，由于T2已提前处于微导通状态，此时ui从零逐渐负增时，T2管NPN的uEB2增大，一直处于导通，而T1管NPN的uB1E减小，T1管将截止。这样即使ui很小，总能保证至少一个三极管导通，从而消除交越失真。综上所述，ui正半周主要是T1管发射极驱动负载，ui负半周主要是T2管发射极驱动负载，无论ui的正半周还是负半周，每个管子的导通时间都比输入信号ui的半个周期长，在功放电路中，通常将这种工作状态称为甲乙类状态。

1.3 OCL功放电路的输出功率和效率

功放电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom和效率η。为求解Pom，需先求出负载上可能获得最大不失真输出电压Uom。当输入信号幅值足够大，且又不产生饱和失真时，电路的图解分析如图2所示。

图2 OCL功放电路的图解分析

图中Ⅰ区为T1管的输出特性，Ⅱ区为T2管的输出特性。因两只三极管的静态电流很小，所以可认为静态工作点位于横轴上，如图2中的Q点所示位置，因而最大不失真输出电压的幅值Uom=UCC-UCES。设饱和管压降：UCES=UCES1=-UCES2。则最大输出功率Pom为：

(1)

在忽略基极回路电流(很小)的情况下[5-6]，经过计算直流电源最终功耗PU为：

(2)

因此，OCL功放电路的转换效率η为：

(3)

由于篇幅有限，关于OCL功放电路中的晶体管参数如何选择，在此不予以讨论。

2 OCL功放电路的仿真测试要求和目的

为更好的研究和分析OCL功放电路在消除交越失真后，当输入信号足够大时，负载能得到最大不失真输出电压Uom大的特点，从而获得大的Pom和高的转换效率η，必须对虚拟测试电路提出一定的要求。

2.1 OCL功放测试电路的构建

NI Multisim 是由美国国家仪器有限公司研发的电子电路虚拟仿真软件[7-8]，将该仿真软件用于电子线路实验教学中，对传统教学模式能起到很好的补充和辅助作用[9-10]。利用NI Multisim12.0仿真软件对OCL功放电路进行测试和分析研究，按照特定的电路参数和元器件要求搭建OCL功放测试电路，并且按上面介绍的功放电路组成和工作原理，掌握仿真测试电路的结构和参数布局，进一步对OCL电路的输出最大功率Pom和转换效率η进行虚拟测试，同时观察输出波形的失真情况；当加载输入信号时，测试电源直流电流、输出电压的幅值和输出功率Pom，来计算电源功耗Pu和转换效率η，进一步得出正确的结论。

2.2 OCL功放电路的波形特点

对OCL功放电路而言，采取一定的措施会克服的输出波形的交越失真[7-8]，在输入信号幅值足够大，电源电压UCC和晶体管的管压降UCES取值一定的情况下，输出波形能获得最大的幅值，从而使得负载获得最大不失真输出功率Pom，进一步获得高的转换效率η；OCL功放电路中的输入、输出电压有跟随特性，若输出产生交越失真会造成输出电压幅值Uom偏小，导致转换效率η会偏低。

2.3 OCL功放电路的仿真测试内容

(1) 与输入信号波形比对，观察输出信号波形有无交越失真现象；

(2) 利用万用表(测电流)和瓦特表进行测试，当输入信号为零(即静态) 时，电路能否实现零输入零输出；

(3) 当输入信号不为零时，测试直流电流表读数(万用表)、瓦特表和输出电压峰值Uom大小，进一步比对理论计算后的Pom和测试的Po数据接近程度，进而验证仿真结果的正确性。

2.4 OCL功放电路测试仿真的目的

对于OCL功放电路进行测试仿真的主要目的是：① 掌握OCL功放电路如何获得较大Pom和较高转换效率η的工作原理；② 观察并研究有输出波形变化无交越失真两种情况下的特征；③ 通过测试的数据来分析、比对和计算电源UCC提供的功率Pu、最大输出功率Pom及转换效率η。

3 NI Multisim 12.0测试软件对OCL功率放大电路的虚拟仿真分析

3.1 搭建OCL功放测试电路

搭建OCL互补对称输出功放测试电路如图3所示。在图3中，特性对称的晶体管一个采用NPN型低频功率晶体管2SC2001，其参数：ICM=700 mA，PT=600 mW，UCES=0.2 V，另一个采用PNP型低频功率晶体管2SA952，其参数：ICM=-700 mA，PT=600 mW，UCES=-0.25 V；在NI Multisim虚拟测试仿真中可做到NPN和PNP特性基本对称；供电的直流电源一个是+UCC=12 V，另一个是-UCC=-12 V；两个二极管型号均为1N4001；电阻R1=R2=2 kΩ，负载电阻RL=50

图3 OCL互补对称输出功放测试电路

Ω；电容C1=C2=10 μF较大；两个单刀双掷开关S1、S2，同时合在上面端子时输出波形将会出现交越失真(输入信号较小时明显)，同时合在下面端子后，无交越失真；XSC1示波器观察输入输出波形；万用表XMM1测试+UCC电源的电流大小，XMM2测试-UCC电源的电流大小；瓦特表测试负载RL的功率大小。经验证信号源U1正弦波的输入信号ui电压的有效值是8.38 V(其最大值比UCC-UCES大，因为电容有交流压降)。若信号源U1的ui电压有效值再大些，输出波形会出现峰值失真。

3.2 相关数据的测试

在图3中，为得到最大输出的交流功率Pom，采用瓦特表来测量，将瓦特表的电压V两个端子并接在负载RL的两端，电流I两个端子串接在RL支路上；为得到两个电源UCC提供的平均功率，可采用两个万用表分别串接在+UCC和-UCC的附近，分别测量电源的输出直流电流，然后计算电源的总功耗PU值。

(1) 点击NI Multisim12.0仿真软件的仿真开关，分别后双击图3中的万用表(在此当直流电流表用，下同)XMM1和XMM2。并分别读出加载输入信号时得到的直流电流读数。

(2) 双击图3瓦特计XWM1，读出相应的输出交流功率Po，由于OCL功放电路是共集电极接法，因此输出电压和输入电压近似相等，考虑到电容C1、C2上有压降，当输入信号有效值是8.38 V时，晶体管的管压降最小为|UCES|，此时输出交流功率Po≈Pom，输出波形无幅值失真，测出的最大不失真电压Uom才准确。

(3) 双击图3示波器XSC1，观察输入波形和输出波形，并进一步读出输出电压幅值Uom，该读数用于理论计算最大输出功率Pom，与瓦特表XWM1读数进行比对。

(4) 上述测试得到的数据，再与理论计算结果相比较，看虚拟测试对功放电路的设计有无指导意义。

3.3 仿真测试的结果

(1) 点击NI Multisim12.0仿真软件的仿真开关后，双击示波器XSC1来观察输入波形和输出波形，如图4所示。由于电路已经消除了交越失真，为更好观察波形，分别将通道A的Y轴偏移(格)设为“1.2”，显示输入信号波形，即图4中的红色波形；通道B的Y轴偏移(格)设为“-1.2”，主要显示输出信号波形，即图4中的蓝色波形；通道A和通道B刻度均设为“10 V/Div”，时基标度均设为“1 ms/Div”。 由图4可看出输出波形没有交越失真产生，而输出信号uo正、负峰值的测试结果如图5所示。

图4 OCL互补对称功放电路的输入、输出波形

图5 输出信号uo正、负峰值的测试

(2) 图3中的万用表XMM1和XMM2、瓦特计XWM1和图5输出电压幅值Uomax +、Uomax-，最终的测试数据如表1所示(电源+UCC和 -UCC的总功率利用瓦特表来测试，读者自行操作，在此略)。

表1 OCL互补功放电路的相关测试数据

(3) 利用表1中的测试数据，经简单计算可得电源总功耗、输出功率和转换效率，如表2所示。

3.4 仿真测试的结论与分析

对上述OCL互补对称功放电路而言，仿真测试的波形和输出功率、转换效率等可得出如下结论：

(1) 将图3 的OCL功放测试电路中开关S1、S2均置上端后，由图4可知，输出信号uo没有交越失真现象发生，ui和uo具有很好的跟随特性；而若将图3中

表2 OCL互补功放电路的功率和转换效率

开关S1、S2均置下端后，在ui较小时输出电压波形发生明显交越失真；由图5波形得出输出信号正、负峰值略有不对称，这是由于两个晶体管不是理想对称引起的。

(2) 由理论计算得出：电源总功耗PU为：

(4)

转换效率η为：

(5)

理论分析和计算中，电源总功耗等于晶体管T1、T2和负载RL的功率之和，而实际测试的图3电路，除这两部分功率之外，还需考虑电阻R1、R2和二极管D1、D2上的功率，因此仿真测试的电源总功耗值大于理论计算的值；另外理论计算的输出功率Pom值大于测试瓦特表的读数Po值，是因为晶体管特性实际不对称，因此理论效率η略偏高，但误差在5%之内。

(3) 表1中，当信号源为零时，能实现零输出，电源±UCC功耗很小(原因是消除交越失真引起)。

(4) 通过OCL互补对称功放电路的仿真测试，说明利用NI Multisim12.0虚拟实验的仿真结果与理论计算基本吻合，该仿真测试对电子电路的功放电路设计具有很好的指导意义和参考价值。

4 结 语

在对OCL功放电路测试中，当±UCC=±12 V，晶体管的UCES≈ 0.2 V时，若输入信号足够大，本测试在输入信号ui有效值等于8.38 V时，发现输出电压最大，电路无交越失真；利用万用表测试±UCC两路电源的直流电流，计算出电源的总功耗；利用瓦特表测试负载RL的最大输出功率Pom，仿真测试的结果与理论计算的结果基本接近；验证了利用NI Multisim12.0仿真软件对OCL互补对称功放电路的虚拟测试结果是正确的，说明对功率放大电路设计具有指导作用；利用示波器观测输出波形的有无交越失真现象，测试输出电压峰值的读数来计算最大输出功率，进一步理解和掌握OCL功放电路的特点，领会软件对不同电路的分析方法和处理方法。可预见引入仿真软件辅助电类课程教学[11-13]，是教学发展的必然趋势；仿真软件的不断发展会不断推进教学方法的改进，把NI Multisim12.0 仿真实验和传统的实验教学有机地结合起来[14-15]，发挥各种实验教学模式的特长，让学生在理论学习和虚拟实验教学真正掌握电子电路的设计奥妙。

[1] 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社.2006.

[2] 谢嘉奎. 电子线路(线性部分)[M].3版. 北京: 高等教育出版社.2004.

[3] 康华光等.电子技术基础(模拟部分)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社,1999.

[4] 陈永强,魏金成,吴昌东,等. 模拟电子技术[M]. 北京: 人民邮电出版社,2013.

[5] 吴天强. 甲乙类功率放大电路交越失真问题研究[J]. 课程教育研究.2013(4) :187-188.

[6] 张文婷,王紫婷.电路分析实验课程教学改革的研究与探索[J]. 实验室研究与探索.2010, 29(5):146-147,190.

[7] 侯卫周,蒋俊华.通信接收机变频电路的虚拟仿真分析[J]. 实验技术与管理. 2014, 31(3): 84-86, 90.

[8] 陈洁. S 类放大器交越失真的仿真研究[J]. 电子测试.2009(1):24-29.

[9] 侯卫周, 向 兵. 基于Multisim10.1频率自动跟踪锁相环电路的仿真分析[J]. 实验室研究与探索.2014, 33(6): 86-89.

[10] 李健明, 彭仁明. 基于Multisim的放大电路仿真分析[J].四川理工学院学报(自然科学版), 2006(4): 34-36.

[11] 万志平.仿真软件在电类课程教学中的应用[J].实验技术与管理. 2009, 24(4): 76-79.

[12] 李剑清. Multisim在电路实验教学中的应用[J]. 浙江工业大学学报.2007, 35(5): 543-546.

[13] 高 娟, 李 峰. 基于Multisim的电子电路仿真研究[J].青岛职业技术学院学报, 2006(2): 63-65.

[14] 王尔申, 李 鹏. Multisim仿真在电工及工业电子学中的应用[J]. 实验室研究与探索.2013, 32(2):99-102.

[15] 王 刚, 王艳芬. 基于Multisim的锁相环应用电路仿真[J]. 电器电子教学学报. 2008, 30(3): 67-69.

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

国家自然科学基金项目 (21173068)；2015年河南省“电子信息科学与技术”教学团队资助项目

侯卫周(1973-)，男，山西永济人，硕士，副教授，现从事电子线路设计与研究、基本电子电路仿真研究。

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

TN 710.9; TN 721

A

1006-7167(2016)09-0086-05