楊颯，邢鳳闖

（廣東第二師范學(xué)院 物理與信息工程系， 廣東 廣州510303）

0 引言

高頻諧振功率放大電路是“高頻電子線路”的一個(gè)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn). 教學(xué)重點(diǎn)表現(xiàn)在高頻諧振功率放大電路是無(wú)線通信系統(tǒng)中不可或缺的典型電路，常用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行高功率放大，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳播. 教學(xué)難點(diǎn)在于對(duì)電路工作原理的理解：丙類工作狀態(tài)的設(shè)置、集電極余弦脈沖波形的產(chǎn)生、LC諧振回路的窄帶選頻特性、電路的3 種狀態(tài)、電路高效率的獲得和電路的四大特性. 在高校教學(xué)改革的新形勢(shì)下，課程學(xué)時(shí)數(shù)普遍縮減，用于高頻諧振功率放大電路的教學(xué)通常在4 學(xué)時(shí)左右. 如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)講清楚這個(gè)重要的高頻電路，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的教學(xué)研究. 朱高中等［1－4］將Multisim 軟件用于高頻諧振功率放大電路的分析，采用Multisim 軟件的電路設(shè)計(jì)、虛擬儀器測(cè)試、仿真分析等功能，深入分析了高頻諧振功率放大電路的工作原理，使抽象的原理變得形象和直觀，讓仿真軟件在教學(xué)上起到事半功倍的作用. 韓新風(fēng)等［5－6］從仿真教學(xué)的角度，研究了如何借助虛擬軟件開(kāi)展高頻諧振功率放大電路的仿真教學(xué).

學(xué)生在前繼課程中并沒(méi)有專門(mén)學(xué)習(xí)過(guò)Multisim 軟件，在運(yùn)用Multisim 軟件分析高頻諧振功率放大電路時(shí)，往往會(huì)陷入因軟件操作不熟而影響仿真教學(xué)實(shí)效的困境. 本文另辟蹊徑，從高頻諧振功率放大電路研究出發(fā)，循序漸進(jìn)地開(kāi)展Multisim 軟件應(yīng)用的教學(xué)，通過(guò)電路原理圖設(shè)計(jì)，集電極電流波形觀察，甲類、乙類和丙類電路的效率分析，LC網(wǎng)絡(luò)選頻特性測(cè)試和電路四大特性（負(fù)載特性、集電極調(diào)制特性、基極調(diào)制特性和放大特性）分析，闡明Multisim 軟件的操作和應(yīng)用，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)軟件操作的同時(shí)，深刻理解高頻功率放大電路在調(diào)幅、倍頻和限幅等方面的應(yīng)用. 本文的仿真測(cè)試和電路分析均在Multisim 14 教學(xué)版上完成.

1 高頻諧振功率放大電路原理圖設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高頻諧振功率放大電路如圖1 所示，輸入交流信號(hào)Vi為V1，基極電源VBB為V2，集極電源VCC為V3，負(fù)載電阻RP為R1.為保證電路工作在丙類，需保證｜V2｜≤VBE（on）（晶體管發(fā)射結(jié)的開(kāi)啟電壓），這里V2＝－ 0.1 V. LC諧振回路中，C1＝100 pF，L1＝2.536 μH，使LC回路的諧振頻率為10 MHz，互感線圈T1的匝數(shù)比n＝5，信號(hào)源V1為有效值0.8V，頻率10 MHz 的正弦波信號(hào).

圖1 高頻諧振功率放大電路原理圖

2 高頻諧振功率放大電路高效率的獲得——丙類設(shè)置

高頻諧振功率放大電路根據(jù)晶體管導(dǎo)通角的大小，分為甲類、乙類和丙類3 種狀態(tài). 要證明高頻諧振功率放大電路工作在丙類，就需要觀察集電極電流是否為余弦脈沖波形； 要證明高頻諧振功率放大器丙類工作時(shí)獲得高效率，除了需要把效率計(jì)算出來(lái)外，還需要跟甲類和乙類工作時(shí)的電路效率進(jìn)行對(duì)比. 為此，本文使用Multisim14 軟件的瓦特計(jì)、示波器、電流探針來(lái)完成此項(xiàng)分析. 示波器不能顯示電流的波形，需要借助Multisim14 軟件虛擬儀器欄中的電流探針把集電極電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過(guò)示波器顯示出電流波形. 3 種虛擬儀器的接法、集電極電流波形和輸出電壓波形見(jiàn)圖2. 圖2a 中電流探針?lè)胖迷诎l(fā)射極，因?yàn)榧姌O電流近似等于發(fā)射極電流，方向和電流探針?lè)较蛞恢? 圖2b 中，上波形為集電極電流波形，此時(shí)為尖峰出現(xiàn)凹陷的余弦脈沖波形. 下波形是輸出電壓波形，為完整的正弦波. 通過(guò)游標(biāo)1 和游標(biāo)2，可以讀出各波形的周期和幅度. 這里電流探針設(shè)置為1 V／mA 的轉(zhuǎn)換比. 如圖2b 所示，集電極電流余弦脈沖波形的峰值達(dá)到51.05 mA.

適當(dāng)調(diào)節(jié)圖2a 中V1和V2的大小，可以觀察電路工作在乙類狀態(tài)時(shí)的半波形狀的集電極電流波形和工作在甲類狀態(tài)時(shí)的全波集電極電流波形，如圖3 所示.表1 是高頻諧振功率放大電路工作在3 種狀態(tài)下的相關(guān)電路參數(shù)和電路效率ηC. 表格中的數(shù)據(jù)說(shuō)明，電路在丙類工作時(shí)，效率最高，達(dá)到82.36%，高于乙類理想時(shí)的最大值78.5%，甲類工作時(shí)的電路效率最低.

圖2 電路丙類工作時(shí)效率計(jì)算與集電極波形的觀察

圖3 電路乙類和甲類工作時(shí)集電極電流波形和輸出電壓波形

表1 3 種工作狀態(tài)下的電路參數(shù)調(diào)整和電路效率

3 高頻諧振功率放大電路欠壓、臨界和過(guò)壓3 種狀態(tài)

高頻諧振功率放大電路還可以根據(jù)晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分為欠壓、臨界和過(guò)壓3 種工作狀態(tài)［7］. 在圖1 中，隨著V2的減小，晶體管基極的偏置電壓降低，晶體管導(dǎo)通角減小，導(dǎo)致晶體管從飽和區(qū)經(jīng)臨界進(jìn)入放大區(qū)，集電極的余弦脈沖電流波形也由過(guò)壓區(qū)的頂尖凹陷，逐步過(guò)渡到臨界狀態(tài)的尖峰形狀，再到欠壓區(qū)尖峰峰值的降低. 這里可采用Multisim14 軟件中“Analyses and simulation”功能的“Parameter Sweep”完成集電極波形變化的觀察. 在“Parameter Sweep”中選擇“Device parameter”為電壓源V2，直流電壓從－0.36 V 按0.04 V的分度值線性掃描到－0.24 V，輸出變量選擇集電極電流. 為了便于觀察，需要將4 根集電極電流波形分開(kāi)來(lái)顯示，可點(diǎn)擊任意一根波形線，進(jìn)入“Graph properties”選項(xiàng)卡，在“Left axis”標(biāo)簽頁(yè)中將范圍擴(kuò)到4倍，在“Traces”標(biāo)簽頁(yè)中將“Y offset”逐一提高. 得到的集電極電流波形如圖4 所示. 可見(jiàn)當(dāng)V2＝－0.36 V 時(shí)，電路為欠壓狀態(tài)，V2＝－0.28 V 時(shí)，電路接近臨界狀態(tài)，V2＝－0.24 V 時(shí)，電路已進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài).

圖4 電路欠壓、臨界和過(guò)壓3 種狀態(tài)下的集電極電流波形

4 LC 諧振回路的窄帶選頻特性

高頻諧振功率放大電路因?yàn)楣ぷ髟诒悹顟B(tài)導(dǎo)致集電極電流不再是輸入信號(hào)的正弦波，而變成了余弦脈沖波形. 這里我們用Multisim14 軟件中“Analyses and simulation”功能的“Fourier”分析來(lái)觀察圖2b 中集電極電流的頻譜成分. 在“Fourier”中“Frequency resolution”和“TSTOP”均選擇“Estimate”，諧波次數(shù)選擇6，輸出結(jié)果為系統(tǒng)默認(rèn)的“Display as bar graph”. 集電極電流頻譜見(jiàn)圖5，基波頻率10 MHz 為15.95 mA，二次諧波頻率幅度為11.71 mA.

圖5 集電極余弦脈沖電流的頻譜分解

為了在輸出端得到不失真的正弦電壓波形，需要采用LC并聯(lián)回路將余弦脈沖電流中的基波選擇出來(lái).這里可采用Multisim14 軟件中“Analyses and simulation”功能的“AC Sweep” 來(lái)測(cè)試LC并聯(lián)回路的選頻濾波特性. 圖6a 是AC Sweep 的測(cè)試電路，對(duì)于并聯(lián)諧振回路，信號(hào)源需采用電流源. 在“AC Sweep”中，“FSTART”和“FSTOP”分別設(shè)置為1 MHz 和50 MHz，LC并聯(lián)回路的幅頻特性曲線如圖6b 所示. 通過(guò)游標(biāo)1和游標(biāo)2，可讀出基波幅度／二次諧波幅度＝423.21／47.11 ＝8.98. 可見(jiàn)，該LC并聯(lián)諧振回路可以很好地對(duì)二次諧波進(jìn)行濾除，將基波信號(hào)選擇出來(lái).如果改變L或C的參數(shù)，將圖1 中的LC并聯(lián)回路諧振在二次諧波或者三次諧波頻率上，則高頻諧振功率放大電路就可以構(gòu)成二倍頻或三倍頻電路.

圖6 LC 并聯(lián)回路幅頻特性曲線的測(cè)試

5 高頻諧振功率放大電路四大特性分析

放大電路在RP、VCC、VBB和Vim4 個(gè)參數(shù)分別單獨(dú)變化時(shí)所具有的特性分別稱為高頻諧振功率放大電路負(fù)載特性、集電極調(diào)制特性、基極調(diào)制特性和放大特性.

5.1 高頻諧振功率放大電路的負(fù)載特性

通過(guò)Multisim14 的“Parameter Sweep” 功能，可以很快找到圖1 中RP變化時(shí)，放大電路從欠壓區(qū)向過(guò)壓區(qū)過(guò)渡的RP取值范圍，如圖7a 所示. 當(dāng)RP從0 變化到200 Ω 時(shí)，集電極余弦脈沖波形從尖峰狀到頂尖出現(xiàn)凹陷，說(shuō)明電路從欠壓區(qū)經(jīng)過(guò)臨界狀態(tài)向過(guò)壓區(qū)過(guò)渡，且在欠壓區(qū)時(shí)，集電極電流隨RP增大而緩慢下降，進(jìn)入過(guò)壓區(qū)后，集電極電流隨RP增大而明顯下降. 再通過(guò)瓦特計(jì)可以測(cè)量RP從0 變化到200 Ω 時(shí)輸出功率和電源直流功率，計(jì)算出集電極耗散功率和電路效率. 用逐點(diǎn)描圖法得到圖7b 的電路功率、效率的變化曲線.可見(jiàn)，為保持大的輸出功率和高電路效率，通常讓高頻諧振功率放大電路工作在臨界到弱過(guò)壓之間. 本電路獲得最大輸出功率POM時(shí)的最佳匹配阻抗為95 Ω.

圖7 高頻諧振功率放大電路的負(fù)載特性

5.2 高頻諧振功率放大電路的集電極調(diào)制特性

在圖1 中RP?。?5 Ω，Vi和VBB如圖中取值，通過(guò)Multisim14 的“Parameter Sweep”功能，可以很快找到圖1 中VCC變化時(shí)，放大電路從過(guò)壓區(qū)向欠壓區(qū)過(guò)渡的取值范圍. 如圖8a 所示. 當(dāng)VCC從8 V 變化到17 V 時(shí)，集電極余弦脈沖波形從頂尖凹陷狀到頂峰狀，說(shuō)明電路從過(guò)壓區(qū)經(jīng)臨界向欠壓區(qū)過(guò)渡. 再通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量VCC從0 變化到18 V 時(shí)IC0和VCM，計(jì)算出IC1M＝VCM／RP，用逐點(diǎn)描圖法得到圖8b 的輸出電壓和輸出電流的變化曲線. 可見(jiàn)，高頻諧振功率放大電路用作集電極調(diào)幅電路時(shí)，應(yīng)工作在過(guò)壓區(qū).

圖8 高頻諧振功率放大電路的集電極調(diào)制特性

5.3 高頻諧振功率放大電路的基極調(diào)制特性

在圖1 中RP取＝95 Ω，Vi和VCC如圖中取值，通過(guò)Multisim14 的“Parameter Sweep “功能，找到圖1 中VBB變化時(shí)，放大電路從欠壓區(qū)向過(guò)壓區(qū)變化的取值范圍. 如圖9a 所示，當(dāng)VBB從－0.5 V 變化到0.1 V 時(shí)，集電極余弦脈沖波形從尖峰狀到頂尖出現(xiàn)凹陷，說(shuō)明電路從欠壓區(qū)經(jīng)過(guò)臨界向過(guò)壓區(qū)過(guò)渡. 再通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量VBB從－0.6 V 變化到0.4 V 時(shí)IC0和VCM，計(jì)算出IC1M＝VCM／RP. 用逐點(diǎn)描圖法得到圖9b 的輸出電壓和輸出電流的變化曲線. 可見(jiàn)，高頻諧振功率放大電路用作基極調(diào)幅電路時(shí)，應(yīng)工作在欠壓區(qū).

5.4 高頻諧振功率放大電路的放大特性

在圖1 中RP＝95 Ω，VBB和VCC如圖中取值，通過(guò)Multisim14 的“Parameter Sweep” 功能，找到圖1 中Vi變化時(shí)，放大電路從欠壓區(qū)向過(guò)壓區(qū)過(guò)渡的取值范圍，如圖10a 所示. 當(dāng)Vim從0.7 V 變化到0.9 V 時(shí)，集電極余弦脈沖波形從尖峰狀到頂尖出現(xiàn)凹陷，說(shuō)明電路從欠壓區(qū)經(jīng)過(guò)臨界向過(guò)壓區(qū)過(guò)渡. 再通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量Vim從0.4 V 變化到1.4 V 時(shí)IC0和VCM，計(jì)算出IC1M＝VCM／RP. 用逐點(diǎn)描圖法得到圖10b 的輸出電壓和輸出電流的變化曲線. 可見(jiàn)，高頻諧振功率放大電路用作基極調(diào)制電路時(shí)應(yīng)工作在欠壓區(qū)，用于限幅功能時(shí)，應(yīng)工作在過(guò)壓區(qū).

圖9 高頻諧振功率放大電路的基極調(diào)制特性

圖10 高頻諧振功率放大電路的放大特性

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)高頻諧振功率放大電路的靜態(tài)設(shè)置、功率與效率計(jì)算、集電極余弦脈沖波形觀察、LC諧振回路的窄帶選頻特性測(cè)量、電路四大特性及其擴(kuò)展應(yīng)用的研究，詳細(xì)闡述了Multisim14 軟件的電路設(shè)計(jì)、虛擬儀器使用、各種測(cè)量結(jié)果的有效讀取與顯示、多種仿真分析功能的運(yùn)用，特別是對(duì)電流探針、AC 掃描、參數(shù)掃描的功能進(jìn)行了說(shuō)明. 通過(guò)本文的學(xué)習(xí)，不僅可以加深學(xué)生對(duì)高頻諧振功率放大電路工作原理及其應(yīng)用的理解，更可以達(dá)到熟練操作Multisim14 軟件以解決復(fù)雜、抽象電路問(wèn)題的目的，提高學(xué)生運(yùn)用仿真工具解決復(fù)雜問(wèn)題的能力.