基于高频谐振功率放大电路分析的仿真教学研究

杨飒，邢凤闯

（广东第二师范学院 物理与信息工程系， 广东 广州510303）

0 引言

高频谐振功率放大电路是“高频电子线路”的一个教学重点和难点. 教学重点表现在高频谐振功率放大电路是无线通信系统中不可或缺的典型电路，常用于发射机的末级对高频信号进行高功率放大，以实现信号的远距离传播. 教学难点在于对电路工作原理的理解：丙类工作状态的设置、集电极余弦脉冲波形的产生、LC谐振回路的窄带选频特性、电路的3 种状态、电路高效率的获得和电路的四大特性. 在高校教学改革的新形势下，课程学时数普遍缩减，用于高频谐振功率放大电路的教学通常在4 学时左右. 如何在有限的学时内讲清楚这个重要的高频电路，相关学者开展了大量的教学研究. 朱高中等［1－4］将Multisim 软件用于高频谐振功率放大电路的分析，采用Multisim 软件的电路设计、虚拟仪器测试、仿真分析等功能，深入分析了高频谐振功率放大电路的工作原理，使抽象的原理变得形象和直观，让仿真软件在教学上起到事半功倍的作用. 韩新风等［5－6］从仿真教学的角度，研究了如何借助虚拟软件开展高频谐振功率放大电路的仿真教学.

学生在前继课程中并没有专门学习过Multisim 软件，在运用Multisim 软件分析高频谐振功率放大电路时，往往会陷入因软件操作不熟而影响仿真教学实效的困境. 本文另辟蹊径，从高频谐振功率放大电路研究出发，循序渐进地开展Multisim 软件应用的教学，通过电路原理图设计，集电极电流波形观察，甲类、乙类和丙类电路的效率分析，LC网络选频特性测试和电路四大特性（负载特性、集电极调制特性、基极调制特性和放大特性）分析，阐明Multisim 软件的操作和应用，让学生在学习软件操作的同时，深刻理解高频功率放大电路在调幅、倍频和限幅等方面的应用. 本文的仿真测试和电路分析均在Multisim 14 教学版上完成.

1 高频谐振功率放大电路原理图设计

本文设计的高频谐振功率放大电路如图1 所示，输入交流信号Vi为V1，基极电源VBB为V2，集极电源VCC为V3，负载电阻RP为R1.为保证电路工作在丙类，需保证｜V2｜≤VBE（on）（晶体管发射结的开启电压），这里V2＝－ 0.1 V. LC谐振回路中，C1＝100 pF，L1＝2.536 μH，使LC回路的谐振频率为10 MHz，互感线圈T1的匝数比n＝5，信号源V1为有效值0.8V，频率10 MHz 的正弦波信号.

图1 高频谐振功率放大电路原理图

2 高频谐振功率放大电路高效率的获得——丙类设置

高频谐振功率放大电路根据晶体管导通角的大小，分为甲类、乙类和丙类3 种状态. 要证明高频谐振功率放大电路工作在丙类，就需要观察集电极电流是否为余弦脉冲波形； 要证明高频谐振功率放大器丙类工作时获得高效率，除了需要把效率计算出来外，还需要跟甲类和乙类工作时的电路效率进行对比. 为此，本文使用Multisim14 软件的瓦特计、示波器、电流探针来完成此项分析. 示波器不能显示电流的波形，需要借助Multisim14 软件虚拟仪器栏中的电流探针把集电极电流转换成电压，通过示波器显示出电流波形. 3 种虚拟仪器的接法、集电极电流波形和输出电压波形见图2. 图2a 中电流探针放置在发射极，因为集电极电流近似等于发射极电流，方向和电流探针方向一致. 图2b 中，上波形为集电极电流波形，此时为尖峰出现凹陷的余弦脉冲波形. 下波形是输出电压波形，为完整的正弦波. 通过游标1 和游标2，可以读出各波形的周期和幅度. 这里电流探针设置为1 V／mA 的转换比. 如图2b 所示，集电极电流余弦脉冲波形的峰值达到51.05 mA.

适当调节图2a 中V1和V2的大小，可以观察电路工作在乙类状态时的半波形状的集电极电流波形和工作在甲类状态时的全波集电极电流波形，如图3 所示.表1 是高频谐振功率放大电路工作在3 种状态下的相关电路参数和电路效率ηC. 表格中的数据说明，电路在丙类工作时，效率最高，达到82.36%，高于乙类理想时的最大值78.5%，甲类工作时的电路效率最低.

图2 电路丙类工作时效率计算与集电极波形的观察

图3 电路乙类和甲类工作时集电极电流波形和输出电压波形

表1 3 种工作状态下的电路参数调整和电路效率

3 高频谐振功率放大电路欠压、临界和过压3 种状态

高频谐振功率放大电路还可以根据晶体管是否进入饱和区分为欠压、临界和过压3 种工作状态［7］. 在图1 中，随着V2的减小，晶体管基极的偏置电压降低，晶体管导通角减小，导致晶体管从饱和区经临界进入放大区，集电极的余弦脉冲电流波形也由过压区的顶尖凹陷，逐步过渡到临界状态的尖峰形状，再到欠压区尖峰峰值的降低. 这里可采用Multisim14 软件中“Analyses and simulation”功能的“Parameter Sweep”完成集电极波形变化的观察. 在“Parameter Sweep”中选择“Device parameter”为电压源V2，直流电压从－0.36 V 按0.04 V的分度值线性扫描到－0.24 V，输出变量选择集电极电流. 为了便于观察，需要将4 根集电极电流波形分开来显示，可点击任意一根波形线，进入“Graph properties”选项卡，在“Left axis”标签页中将范围扩到4倍，在“Traces”标签页中将“Y offset”逐一提高. 得到的集电极电流波形如图4 所示. 可见当V2＝－0.36 V 时，电路为欠压状态，V2＝－0.28 V 时，电路接近临界状态，V2＝－0.24 V 时，电路已进入过压状态.

图4 电路欠压、临界和过压3 种状态下的集电极电流波形

4 LC 谐振回路的窄带选频特性

高频谐振功率放大电路因为工作在丙类状态导致集电极电流不再是输入信号的正弦波，而变成了余弦脉冲波形. 这里我们用Multisim14 软件中“Analyses and simulation”功能的“Fourier”分析来观察图2b 中集电极电流的频谱成分. 在“Fourier”中“Frequency resolution”和“TSTOP”均选择“Estimate”，谐波次数选择6，输出结果为系统默认的“Display as bar graph”. 集电极电流频谱见图5，基波频率10 MHz 为15.95 mA，二次谐波频率幅度为11.71 mA.

图5 集电极余弦脉冲电流的频谱分解

为了在输出端得到不失真的正弦电压波形，需要采用LC并联回路将余弦脉冲电流中的基波选择出来.这里可采用Multisim14 软件中“Analyses and simulation”功能的“AC Sweep” 来测试LC并联回路的选频滤波特性. 图6a 是AC Sweep 的测试电路，对于并联谐振回路，信号源需采用电流源. 在“AC Sweep”中，“FSTART”和“FSTOP”分别设置为1 MHz 和50 MHz，LC并联回路的幅频特性曲线如图6b 所示. 通过游标1和游标2，可读出基波幅度／二次谐波幅度＝423.21／47.11 ＝8.98. 可见，该LC并联谐振回路可以很好地对二次谐波进行滤除，将基波信号选择出来.如果改变L或C的参数，将图1 中的LC并联回路谐振在二次谐波或者三次谐波频率上，则高频谐振功率放大电路就可以构成二倍频或三倍频电路.

图6 LC 并联回路幅频特性曲线的测试

5 高频谐振功率放大电路四大特性分析

放大电路在RP、VCC、VBB和Vim4 个参数分别单独变化时所具有的特性分别称为高频谐振功率放大电路负载特性、集电极调制特性、基极调制特性和放大特性.

5.1 高频谐振功率放大电路的负载特性

通过Multisim14 的“Parameter Sweep” 功能，可以很快找到图1 中RP变化时，放大电路从欠压区向过压区过渡的RP取值范围，如图7a 所示. 当RP从0 变化到200 Ω 时，集电极余弦脉冲波形从尖峰状到顶尖出现凹陷，说明电路从欠压区经过临界状态向过压区过渡，且在欠压区时，集电极电流随RP增大而缓慢下降，进入过压区后，集电极电流随RP增大而明显下降. 再通过瓦特计可以测量RP从0 变化到200 Ω 时输出功率和电源直流功率，计算出集电极耗散功率和电路效率. 用逐点描图法得到图7b 的电路功率、效率的变化曲线.可见，为保持大的输出功率和高电路效率，通常让高频谐振功率放大电路工作在临界到弱过压之间. 本电路获得最大输出功率POM时的最佳匹配阻抗为95 Ω.

图7 高频谐振功率放大电路的负载特性

5.2 高频谐振功率放大电路的集电极调制特性

在图1 中RP取＝95 Ω，Vi和VBB如图中取值，通过Multisim14 的“Parameter Sweep”功能，可以很快找到图1 中VCC变化时，放大电路从过压区向欠压区过渡的取值范围. 如图8a 所示. 当VCC从8 V 变化到17 V 时，集电极余弦脉冲波形从顶尖凹陷状到顶峰状，说明电路从过压区经临界向欠压区过渡. 再通过万用表测量VCC从0 变化到18 V 时IC0和VCM，计算出IC1M＝VCM／RP，用逐点描图法得到图8b 的输出电压和输出电流的变化曲线. 可见，高频谐振功率放大电路用作集电极调幅电路时，应工作在过压区.

图8 高频谐振功率放大电路的集电极调制特性

5.3 高频谐振功率放大电路的基极调制特性

在图1 中RP取＝95 Ω，Vi和VCC如图中取值，通过Multisim14 的“Parameter Sweep “功能，找到图1 中VBB变化时，放大电路从欠压区向过压区变化的取值范围. 如图9a 所示，当VBB从－0.5 V 变化到0.1 V 时，集电极余弦脉冲波形从尖峰状到顶尖出现凹陷，说明电路从欠压区经过临界向过压区过渡. 再通过万用表测量VBB从－0.6 V 变化到0.4 V 时IC0和VCM，计算出IC1M＝VCM／RP. 用逐点描图法得到图9b 的输出电压和输出电流的变化曲线. 可见，高频谐振功率放大电路用作基极调幅电路时，应工作在欠压区.

5.4 高频谐振功率放大电路的放大特性

在图1 中RP＝95 Ω，VBB和VCC如图中取值，通过Multisim14 的“Parameter Sweep” 功能，找到图1 中Vi变化时，放大电路从欠压区向过压区过渡的取值范围，如图10a 所示. 当Vim从0.7 V 变化到0.9 V 时，集电极余弦脉冲波形从尖峰状到顶尖出现凹陷，说明电路从欠压区经过临界向过压区过渡. 再通过万用表测量Vim从0.4 V 变化到1.4 V 时IC0和VCM，计算出IC1M＝VCM／RP. 用逐点描图法得到图10b 的输出电压和输出电流的变化曲线. 可见，高频谐振功率放大电路用作基极调制电路时应工作在欠压区，用于限幅功能时，应工作在过压区.

图9 高频谐振功率放大电路的基极调制特性

图10 高频谐振功率放大电路的放大特性

6 结语

本文通过对高频谐振功率放大电路的静态设置、功率与效率计算、集电极余弦脉冲波形观察、LC谐振回路的窄带选频特性测量、电路四大特性及其扩展应用的研究，详细阐述了Multisim14 软件的电路设计、虚拟仪器使用、各种测量结果的有效读取与显示、多种仿真分析功能的运用，特别是对电流探针、AC 扫描、参数扫描的功能进行了说明. 通过本文的学习，不仅可以加深学生对高频谐振功率放大电路工作原理及其应用的理解，更可以达到熟练操作Multisim14 软件以解决复杂、抽象电路问题的目的，提高学生运用仿真工具解决复杂问题的能力.