高频谐振丙类功率放大器仿真分析

韩新风，王玉莲，张永锋

(安徽科技学院电气与电子工程学院，安徽凤阳 233100)

高频功率放大器(简称高频功放)主要用于放大高频信号或高频已调波(即窄带)信号，采用选频网络作为负载回路[1]，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗变换等问题，因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。高频功率放大器的另一个作用是可以构成高电平调幅电路，利用调制信号控制放大器的输出，既可以实现调幅，又能够兼顾功率和效率。因此，有必要对高频功率放大器的调制特性进行讨论[2]。根据放大器电流导通角大小的不同将其分为甲类、乙类和丙类等类型[3]。在实际应用中，为了使得高频谐振功率放大器能兼顾高的输出功率和高的集电极效率，一般将电路设置为丙类工作状态[4]，即半通角θC<90°,且通常θC为60°～80°时效果较好[5]。丙类功率放大电路优点在于其效率高达到80%，所以适合作为主要的功率放大级[6]。本文在Multisim 13.0软件平台上构建了高频谐振丙类功率放大电路，并对电路的特性进行了仿真测试。

1 仿真电路的搭建

Multisim软件是一款基于Windows的仿真软件，由美国国家仪器(NI)有限公司推出，被誉为计算机里的电子实验室[7-9]。Multisim 13.0是该软件的一个新版本。该软件具有庞大的元器件模型参数库和功能齐全的仪器仪表库，能够完成交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、参数扫描等十几种电路分析功能，实验速度快,效率高。

根据高频谐振丙类功率放大电路的要求，在Multisim 13.0软件工作区构建如图1所示的电路。其中，输入信号ui是频率为10.7 MHz、幅值为0.9 V的正弦波信号，基极反向偏置电源VBB=0.1 V，集电极电源电压VCC=12 V，LC并联谐振回路中电容C=400 pF，变压器T1中原边线圈电感为0.553 μH,副边线圈为0.1119 μH，耦合系数为1。负载电阻RL=300 Ω。示波器A通道可测量输入信号ui的波形，B通道可测量负载电阻RL上的输出电压uC的波形。

图1 高频功率放大电路

图2 输入电压ui和输出电压uC的时序波形

2 高频谐振丙类功率放大器的特性仿真分析

2.1 高频谐振丙类功率放大器基本原理

2.1.1 集电极电流iC和输入信号之间的非线性关系

高频谐振丙类功率放大器中三极管随着输入正弦波信号ui的变化，在导通与截止状态之间转换。三极管导通时，集电极电流iC随ui的变化而变化，三极管截止时，集电极电流iC为零。因此，在输入正弦波信号ui的一个变化周期内，集电极电流iC的波形不再是正弦波形，而是脉冲波形。

在图1所示的高频功率放大电路中，输入信号ui为正弦波信号，电压波形如图2上半部分波形所示。此时对应的集电极电流iC的时序波形为余弦脉冲波形(图3)，其中脉冲电流的幅值ICM约为24.5 mA。三极管的非线性，导致集电极电流iC中除直流和输入信号的频率(即基波频率)外，还会产生新的频率分量。利用构成Multisim软件的傅立叶分析功能[10]，可得其频谱构成如图4所示，可见iC由直流、基波(频率10.7 MHz)电流构成，还有基波的倍频谐波成分。

图3 三极管集电极电流iC时序波形图

图4 集电极电流iC的频谱图

2.1.2 输出信号和输入信号之间的线性关系

虽然集电极电流iC中含有直流、基波和谐波成分，但由于三极管的集电极负载为具有选频特性的LC并联谐振回路，且工作于基波频率。这使得在负载电阻RL上的获得的输出电压uC可以从中取出基波分量，输出电压的频谱图如图5所示，可见输出信号与输入信号的频率成分相同。图2中下半部分为输出信号时序波形，可见输出信号和输入信号之间的依然保持线性关系。

图5 输出电压uC的频谱图

2.2 高频谐振丙类功率放大器的外部特性仿真

2.2.1 调谐特性

图6 调谐特性图

另外，该功放电路的谐振特性还可以借助于Multisim软件的参数扫描功能来验证。图7所示为电容C分别取100 pF、400 pF、700 pF三个不同数值时，三极管集电极电流iC的时序波形。从图7中可见，C=400 pF时，集电极电流幅值最小(此时等效阻抗最大)。当LC回路失谐(C=100 pF和C=700 pF)时，由于其等效阻抗会减小，集电极电流iC会有所增加。图8所示为电容C分别取以上三个不同数值时输出电压uC的波形，由图8可见，为C=400 pF时，LC并联谐振回路谐振状态下，输出电压uC幅值Ucm最大，约为3 V；当LC并联谐振回路失谐时，输出电压uC幅值Ucm明显减小，其中C=100 pF时，Ucm约为1.8 V，当C=700 pF时，Ucm约为0.05 V。

2.2.2 负载特性

当电路其他参数不变，仅改变负载电阻RL时，电路的工作状态、电流、电压等也会随之发生改变。

当RL为100 Ω、200 Ω或300 Ω时，集电极电流iC波形如图9(a)所示，均为余弦脉冲电流，随着RL的增大，余弦脉冲电流iC变化非常小，此时电路工作在欠压状态；当RL=400 Ω时，集电极电流iC为凹顶脉冲电流，波形如图9(b)所示，此时电路工作在过压状态。负载电阻RL发生上述变化时，输出电压uC也会发生改变，变化如图10所示。其中，RL在100 Ω至500 Ω等间隔取5个点，从图10中可以看出,随RL由100 Ω增大到300 Ω时，输出电压uC发生了明显的增大，对照图9(a)可知此时电路工作在欠压状态。但RL由300 Ω增大到500 Ω时，输出电压uC几乎不变，对照图9(b)可知此时电路工作在过压状态。

图7 电容C取不同数值时的集电极电流iC时序波形

图8 电容C取不同数值时的负载电压uC波形

(a)RL为100 Ω、200 Ω或300 Ω时集电极电流iC波形 (b)RL为400 Ω时集电极电流iC波形图9 负载电阻RL取不同数值时的集电极电流iC波形

综合图9和图10可得，随着负载电阻RL的增大，电路逐渐由欠压经临界进入过压工作状态。在欠压区，集电极电流iC为余弦脉冲电流，RL增大时iC变化非常小，故集电极电流iC的基波电流分量Ic1m和直流分量Ic0也几乎不变。此时输出电压uC的幅值Ucm=Ic1mRL随着RL的增大而线性增大；进入过压区后，集电极电流iC变为凹顶脉冲电流，RL增大时凹顶脉冲电流在不断减小，输出电压uC的幅值Ucm随RL的增大和Ic1m的减小而逐渐趋向于饱和。基波电流分量Ic1m、直流分量Ic0和输出电压uC的幅值Ucm的变化规律如图11所示[5]。

图10 RL取不同值时输出电压uC的波形

图11 负载特性图

图12 ui=1.0 V时集电极电流iC的时序波形

2.2.3 振幅特性

高频功率放大电路的其他参数不变，随着输入信号ui幅值的改变，三极管中的电流、电压也会随之发生变化。输入电压ui幅值Ubm由0.6 V增大至1.2 V时，集电极电流直流分量IC0也会发生改变。具体测量数据如表1所示。

表1 集电极电流IC0随输入信号ui的变化

由表1可知，随输入信号幅值Ubm由0.6 V增大至0.9 V时，集电极电流IC0也会随之发生明显增大，但当Ubm由0.9 V增大至1.0 V时，集电极电流IC0'出现了减小值，ui由1.0 V继续增大时，IC0也会继续增大，但增大的速率明显比ui小于0.9 V时增大的速率要小得多。

图3所示为Ubm=0.9 V时的集电极电流iC的余弦脉冲波形。当ui=1.0 V时，集电极电流iC的波形如图12所示，可见，此时为凹顶脉冲电流。可见，Ubm由0.9 V增大至1.0 V时，电路从欠压状态进入过压状态，此过程集电极电流iC从尖顶的余弦脉冲电流变为凹顶的脉冲电流，使得集电极电流直流分量IC0减小。

2.2.4 调制特性

2.2.4.1 集电极调制特性

在电路其它条件不变的情况下，仅改变集电极电源电压，当VCC为3 V时，集电极电流iC的波形变化如图13(a)所示，集电极电流iC为凹顶脉冲波形。当VCC分别为6 V、14 V、20 V时，集电极电流iC的波形如图13(b)所示,为余弦脉冲电流，且变化非常很小，基本趋于稳定。从图13(a)和(b)的波形对比来看，随VCC的变化，电路由过压逐渐经临界进入欠压状态。

(a)VCC为3 V时集电极电流iC的时序波形 (b)VCC为6 V、13 V和20 V时集电极电流iC的时序波形图13 集电极电源VCC取不同数值时的集电极电流iC的波形

当VCC分别为1 V、2 V、3 V时，负载电阻RL上的输出电压Ucm波形如图14(a)所示。由图14可见Ucm=Ic1mRL近似是线性增大的。由于负载电阻RL保持不变，因此，对照图13(a)可知，在过压区Ic1m会随VCC的增大而线性增大。而当VCC分别为6 V、13 V、20 V时，负载电阻RL上的输出电压uC波形如图14(b)所示，由图可见Ucm=Ic1mRL变化非常微弱，对照图13(b)可知，电路此时工作在欠压区，输出电压uC此时具有恒压源特性。

(a)VCC为1 V、2 V和3 V时uC的波形 (b)VCC为6 V、13 V和20 V时uC的波形图14 集电极电源VCC取不同数值时的输出电压uC的波形

图15 集电极电源电压VCC对电流的影响

综上对比，当VCC较小时，电路工作在过压区，集电极电流iC虽为凹顶脉冲波形，但基波电流Ic1m会随VCC的增大而线性增大，输出电压uC也会随之线性增大。随着VCC的增大，电路由过压逐渐经临界进入欠压状态，基波电流Ic1m会随之进入饱和状态，输出电压uC也会随之进入饱和状态。随VCC的增大，基波电流Ic1m增大变化符合如图15所示的特性[8]，因此在过压区，输出电压uC的幅值Ucm=Ic1mRL(负载电阻RL不变时)随VCC的变化规律相同，具有调幅特性。利用这一特性可以实现集电极调幅。

2.2.4.2 基极调制特性

在电路其他条件不变的情况下，仅改变基极偏置电源VBB时，集电极电流也会发生改变，电路如图16所示。

由图17(a)可知，VBB=0.6 V时，集电极电流iC为凹顶脉冲电流，电路处于过压状态；随着VBB增大至0.7 V，由图17(b)可见，集电极电流iC依然为凹顶脉冲电流，但下凹深度减小；由图17(c)可见，随VBB的进一步增大，集电极电流iC的波形已经由凹顶脉冲电流变为余弦脉冲电流，电路的工作状态已经由过压状态经临界状态进入欠压状态，随VBB由0.8 V增大至0.95 V时，集电极余弦脉冲电流iC的最大值ICM由24 mA减小至大约8 mA左右，下降非常明显。而负载电阻RL上的输出电压uC波形的变化过程如图17(d)所示，可见当VBB由0.6 V增大至0.75 V时，输出电压uC波形几乎不变，对照图17(a)和17(b)可知，此时电路工作于过压状态，当VBB为0.8 V时，输出电压uC明显减小，对照图17(c)可知，此时电路已经由过压状态经临界进入欠压状态。当VBB为0.8 V至0.95 V时，负载电阻RL上的电压Ucm波形如图17(d)所示，此时电路处于欠压状态，输出电压uC会随VBB的增大(即三极管发射结上的反偏压的增大)而明显减小。因此，在过压区，输出电压uC具有恒压源特性；而在欠压区，uC跟随VBB的变化而发生线性变化，故具有调幅特性，可以实现基极调幅。

图16 基极调制特性电路图

(a)VBB=0.6 V时集电极电流iC的波形 (b)VBB=0.7 V时集电极电流iC的波形

(c)VBB为0.8 V至0.95 V时集电极电流iC的波形 (d)VBB为0.6 V至0.8 V时电压uC波形

(e)VBB为0.8 V至0.95 V时电压uC波形图17 基极反向偏置电源VBB取不同数值时的集电极电流iC和负载电阻RL上的电压uC波形

3 结语

高频丙类功率放大电路的工作状态除了受到的三极管参数的影响外，还受到其他电路参数的影响，例如，谐振电阻RP(其值随负载电阻RL的变化而变化)，输入信号ui的幅值Ubm，基极偏置电源电压VBB，集电极直流电源VCC。随着以上各参数的变化，电路的工作状态可能在欠压与过压之间转换。笔者根据高频丙类功率放大电路的基本要求，设计了电路，并借助于Multisim 13.0仿真软件的Transient Analysis(瞬态分析)和Parameter Sweep Analysis(参数扫描分析)功能，分析出随着以上各参数的变化，电路中负载电压uC和集电极电流iC的波形的变化。根据仿真实验结果，分析了随电路中各参数的变化，电路工作状态和集电极电流、负载电压的变化过程。