高频电子线路课程中的丙类功放EDA软件辅助教学

汪海波 杨金 樊敏 鲁世斌 管婷婷 汪承龙

摘要：丙类功放是高频电子线路课程中非常重要的概念，其集电极电流波形是尖顶脉冲，要求晶体管工作在部分截止状态，需要通过复杂的傅里叶级数分解才能在负载上得到不失真的输出电压。教学中，学生对于晶体管工作状态的条件设置、电流脉冲的波形失真和输出电压的完整性等知识理解存在困难。软件仿真能够直观地显示出各种条件下的波形，帮助理解复杂的理论推导过程。文中在讲述功放原理、信号幅度和电源电压以及负载影响的基础上，通过设计相应电路，对比波形，将仿真和理论结合，能够显著降低抽象程度，提高教学质量和学习效果。

关键词：高频电子线路;丙类功放;仿真;尖顶脉冲;教学

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0153-03

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1 引 言

高频电子线路是电子信息类等专业的专业核心课程，理论与实际联系非常紧密、实践性较强。主要讲述模拟通信中功能电路的基本原理及实现方法，培养学生分析和设计电路的能力。主要内容包括：选频网络、高频小信号放大器、正弦波振荡器、高频功率放大器、模拟调制和解调、反馈控制系统等单元电路的分析与设计[1]。课程公式繁多、推理严谨，极具抽象、枯燥的特点，学生参与积极性不高，纯理论授课方式已经无法满足需要，使用电子设计自动化（Electronic Design Automation，简称EDA）软件不仅能够帮助学生理解抽象的知识，也能为将来从事电路设计工作打下基础。为此，教学工作者纷纷将各种辅助工具引入课程改革、案例设计和实验中[2-4]。其中，Multisim是一款著名的电子设计自动化软件，与NI Ultiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件，是入选伯克利SPICE项目中为数不多的几款软件之一，具有仿真速度快、操作简单等特点，被广泛应用于高频电子线路的课程教学中[5-7]。

丙类功放是无线电发送设备的重要组成部分，一般用于发送设备，是发射机的推动级和输出级，在实际应用和课程教学中占据重要地位。使用Multisim对其进行仿真教学目前已经取得一定进展，文献[8]和[9]主要研究了高频谐振功率放大器的仿真教学及改革，仿真出了输出波形，能够较为直观地观测到相应的波形，改善了教学效果。文献[10]和[11]则从实验角度设计了丙类功放电路并对理论进行了分析。但在具体课程教学中，仍有很多问题学生难以理解，比如为何丙类功放接入LC选频电路后波形变完整，傅里叶分解的级数叠加后为何形成尖顶脉冲，电压和负载如何影响功放等。本文通过梳理丙类功放的理论知识，建立对比电路，然后通过EDA设计新的教学案例，降低教学难度，提升教学效果。

2 丙类功放的工作原理

丙类功放的基本原理是将角频率为ω的输入信号通过晶体管，将直流电源的能量转换成频率为多种信号叠加的输出信号，再通过滤波器滤去其他频率的波，从而获得ω的信号。方框图如图1所示。

典型的原理图与波形变化如图2所示。电路中的输入信号为ui，晶体管起到能量转换器作用，将VCC直流能量转换成大幅度的交流能量。对于功放来说，有甲、乙、丙等多种类型，其中丙类功放效率较高，如果实现丙类功放，则需要将晶体管的基极偏置VBB设置到晶体管的开启电压以下。LC选频滤波的作用是为了得到不失真且放大的交流信号。图2中输入ui的波形是典型的正弦波，经过晶体管后变成失真的集电极尖顶电流脉冲ib和ic，然后再通过LC滤波后得到幅度较大与输入同频的正弦信号uo。

集电极失真程度由晶体管的开启电压UBZ决定，如图3所示。输入的余弦波信号只有正半周的幅值较大部分能够使得晶体管导通，用导通角θc表示，其与开启电压UBZ，基极偏置VBB以及输入信号幅值Ubm的关系如式（1）。

[cosθc=UBZ-VBBUbm         ]                      （1）

输入信号中导通晶体管的部分在集电极产生电流，该电流在时域上是一个不完整的信号，所以信号产生了失真，对应的集电极电流波形是尖顶脉冲信号，可以写成ic=gc（uBE-UBZ）， uBE>UBZ和ic=0，uBE

3 基本电路结构

图4是典型的丙类功放电路。基极偏置采用自给偏压方式;输入信号ui的有效值是2V，中心频率为0.16MHz;通过1mF的电容耦合到晶体管的基极;晶体管采用型号2N1711的三极管，B-E间的内建电场约为0.4V;集电极用10Ω电阻接6V电源，并通过1mF耦合到LC振荡电路;电感L采用1μH，电容采用1μF，LC振荡的谐振频率在0.16MHz。本电路中的耦合电容采用较大的1mF电容，对中频输入信号频率阻抗1mΩ，对信号基本无阻碍作用;并且与电感L组成的振荡频率与滤波频率相差较大，对输出干扰作用较小。

4 仿真分析

4.1 集电极电流脉冲失真分析

通过前述原理部分的分析，丙类放大器集电极电流脉冲可以按照傅里叶级数分解成如公式（2）所示的值：

[iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+...+Icnmcosnωt+...]                                         （2）

其中[Icnm=1π-ππiCcosnωtd（ωt）]，为了观察到电流脉冲Icnm，可以将它转换成电压，即分解公式中乘以电阻R。因此可以设计一种测试电路，测试集电极电阻上的电压信号，用示波器观察该电压信号。所设计电路如图5a所示，电路以自给偏压实现丙类放大，输入2V有效值电压，集电极接1kΩ，删除了LC振荡电路，示波器连接集电极。图5b为测试交流等效电路，示波器测试集电极电阻1kΩ的交流电压。显然这个电压与集电极电流极性相反，因此示波器将显示反向的图形。图5c显示示波器仿真的4μs到10μs输入和输出波形。波形为倒过来的尖顶脉冲，与理论分析部分相同，顶部信号对应于输入的底部信号。

4.2 LC滤波分解

集电极电流经过脉冲分解过后，信号通过耦合电容在LC振荡电路中滤波，如果滤波频率等于输入信号频率，则成为基波，那么选频出来的信号为基波信号，如果LC振荡频率为输入频率的2、3、4倍，则称为2次、3次和4次谐波，统称为高次谐波。利用软件可以仿真出对应的波形。图6a显示了基波波形的仿真电路。基本元件与图5a类似，其中LC振荡通过1mF的电容接在三极管的集电极作为负载，其交流等效电路如图6b所示。图6c为仿真的输入和输出波形。可以看出，输入波形和输出波形相位相反，周期相同，表明理论部分分析的基波被LC电路选频出来。

4.3 负载电阻影响

负载特性是指晶体管跨导gc、开启电压UBZ、集电极电压VCC、基极电压VBB、输入信号幅值Ubm不变时，改变谐振回路的谐振电阻Rp，放大器的输出电流、电压、功率和效率等随RP变化关系。用虚拟电流法可以分析集电极电流变化。虚拟电流法在电压uce等于VCC时，输出负载线上ic等于IQ，IQ为-gc（UBZ-VBB），由VCC和IQ构成虚拟的坐标Q点;由ubemax=VBB+Ubm和ucemin=VCC-Ucm相交得到A点，QA线的斜率为gd，如图7所示。当负载电阻变化时，导通角cosθc和ubemax随电阻变化，而斜率[gd=-gcUbmUcm=-1（1-cosθc）α1（θc）Rp]随着电阻增大逐渐减小，所以动态负载线向左倾斜。

图7中的不同负载电阻RP，三条不同动态特性曲线QA1、QA2、QA′3。其中QA1对应于欠压状态，QA2对应于临界状态，QA′3对应于过压状态。QA1相对应的负载电阻RP较小，Ucm也较小，集电极电流波形是余弦脉冲。随着RP增加，动态负载线的斜率逐渐减小，Ucm渐增大，放大器工作状态由欠压到临界，此时电流波形仍为余弦脉冲，只是幅值比欠压时略小。当RP继续增大，Ucm进一步增大，放大器进入过压状态，此时动态负载线QA3与饱和线相交，此后电流ic随Ucm沿饱和线下降到A′3，电流波形顶端下凹，呈马鞍形。

采用图8a所示电路对负载电阻的影响进行仿真。图8a中，集电极加入扼流圈抑制高频到地。当将电阻由10增加到100kΩ时，在发射极测到的波形与输入波形对比如图8b所示，可以看出，波形顶部出现了失真，再现了理论分析的结果。

4.4 信号幅度和集电极偏置影响

信号幅度和集电极电压偏置对波形的影响，同样可以采用虚拟电流法分析。在虚拟电流法中，Q点坐标（VCC，-gc（UBZ-VBB））随着VCC增大而使得晶体管从饱和区逐渐过渡到放大区，从而使集电极电流脉冲从凹顶脉冲逐渐过渡到尖顶脉冲;同理，Q点坐标随Ubm逐渐从欠压过渡到过压，使得集电极电流脉冲从尖顶脉冲逐渐过渡到凹顶脉冲。此过程可以利用仿真显示，仿真电路如图9a所示，输入信号采用有效值2V的信号，集电极电压采用6V的直流;集电极采用100Ω的电阻形成自给偏置，整体的交流等效电路和图6b类似（这里没有示出）。示波器接在发射极，以得出失真信号。当输入信号源的电压有效值增加到6V左右时，输出的尖顶脉冲顶部发生明显变化，波形如图9b所示，顶部信号变化的原因是晶体管达到饱和区，使得增益减小，波形变钝。图9c显示的VCC电压变小到2V时，波形由尖顶脉冲变化成顶部钝化的波形，其结果与理论相符。

5 结论

本文针对高频电子线路课程特点，利用EDA软件仿真实现对丙类放大器分析。丙类放大器原理和波形原理涉及晶体管的工作状态，集电极电流需要利用傅里叶级数分解才能得到尖 顶脉冲波形，难以依靠思考理解这种变化。通过设计各种电路模型，仿真丙类放大器的工作状态、LC振荡器、负载和电源的作用，能够直观地反映出理论推导的波形变化，使得课堂内容变得生动形象，可以有效提高教学质量和学习效果。

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【通联编辑：王力】