高頻諧振丙類功率放大器仿真分析

韓新風，王玉蓮，張永鋒

(安徽科技學院電氣與電子工程學院，安徽鳳陽 233100)

高頻功率放大器(簡稱高頻功放)主要用于放大高頻信號或高頻已調波(即窄帶)信號，采用選頻網絡作為負載回路[1]，解決了大功率放大時的效率、失真、阻抗變換等問題，因而高頻功率放大器通常又稱為諧振功率放大器。高頻功率放大器的另一個作用是可以構成高電平調幅電路，利用調制信號控制放大器的輸出，既可以實現調幅，又能夠兼顧功率和效率。因此，有必要對高頻功率放大器的調制特性進行討論[2]。根據放大器電流導通角大小的不同將其分為甲類、乙類和丙類等類型[3]。在實際應用中，為了使得高頻諧振功率放大器能兼顧高的輸出功率和高的集電極效率，一般將電路設置為丙類工作狀態[4]，即半通角θC<90°,且通常θC為60°～80°時效果較好[5]。丙類功率放大電路優點在于其效率高達到80%，所以適合作為主要的功率放大級[6]。本文在Multisim 13.0軟件平臺上構建了高頻諧振丙類功率放大電路，并對電路的特性進行了仿真測試。

1 仿真電路的搭建

Multisim軟件是一款基于Windows的仿真軟件，由美國國家儀器(NI)有限公司推出，被譽為計算機里的電子實驗室[7-9]。Multisim 13.0是該軟件的一個新版本。該軟件具有龐大的元器件模型參數庫和功能齊全的儀器儀表庫，能夠完成交流分析、瞬態分析、傅立葉分析、參數掃描等十幾種電路分析功能，實驗速度快,效率高。

根據高頻諧振丙類功率放大電路的要求，在Multisim 13.0軟件工作區構建如圖1所示的電路。其中，輸入信號ui是頻率為10.7 MHz、幅值為0.9 V的正弦波信號，基極反向偏置電源VBB=0.1 V，集電極電源電壓VCC=12 V，LC并聯諧振回路中電容C=400 pF，變壓器T1中原邊線圈電感為0.553 μH,副邊線圈為0.1119 μH，耦合系數為1。負載電阻RL=300 Ω。示波器A通道可測量輸入信號ui的波形，B通道可測量負載電阻RL上的輸出電壓uC的波形。

圖1 高頻功率放大電路

圖2 輸入電壓ui和輸出電壓uC的時序波形

2 高頻諧振丙類功率放大器的特性仿真分析

2.1 高頻諧振丙類功率放大器基本原理

2.1.1 集電極電流iC和輸入信號之間的非線性關系

高頻諧振丙類功率放大器中三極管隨著輸入正弦波信號ui的變化，在導通與截止狀態之間轉換。三極管導通時，集電極電流iC隨ui的變化而變化，三極管截止時，集電極電流iC為零。因此，在輸入正弦波信號ui的一個變化周期內，集電極電流iC的波形不再是正弦波形，而是脈沖波形。

在圖1所示的高頻功率放大電路中，輸入信號ui為正弦波信號，電壓波形如圖2上半部分波形所示。此時對應的集電極電流iC的時序波形為余弦脈沖波形(圖3)，其中脈沖電流的幅值ICM約為24.5 mA。三極管的非線性，導致集電極電流iC中除直流和輸入信號的頻率(即基波頻率)外，還會產生新的頻率分量。利用構成Multisim軟件的傅立葉分析功能[10]，可得其頻譜構成如圖4所示，可見iC由直流、基波(頻率10.7 MHz)電流構成，還有基波的倍頻諧波成分。

圖3 三極管集電極電流iC時序波形圖

圖4 集電極電流iC的頻譜圖

2.1.2 輸出信號和輸入信號之間的線性關系

雖然集電極電流iC中含有直流、基波和諧波成分，但由于三極管的集電極負載為具有選頻特性的LC并聯諧振回路，且工作于基波頻率。這使得在負載電阻RL上的獲得的輸出電壓uC可以從中取出基波分量，輸出電壓的頻譜圖如圖5所示，可見輸出信號與輸入信號的頻率成分相同。圖2中下半部分為輸出信號時序波形，可見輸出信號和輸入信號之間的依然保持線性關系。

圖5 輸出電壓uC的頻譜圖

2.2 高頻諧振丙類功率放大器的外部特性仿真

2.2.1 調諧特性

圖6 調諧特性圖

另外，該功放電路的諧振特性還可以借助于Multisim軟件的參數掃描功能來驗證。圖7所示為電容C分別取100 pF、400 pF、700 pF三個不同數值時，三極管集電極電流iC的時序波形。從圖7中可見，C=400 pF時，集電極電流幅值最小(此時等效阻抗最大)。當LC回路失諧(C=100 pF和C=700 pF)時，由于其等效阻抗會減小，集電極電流iC會有所增加。圖8所示為電容C分別取以上三個不同數值時輸出電壓uC的波形，由圖8可見，為C=400 pF時，LC并聯諧振回路諧振狀態下，輸出電壓uC幅值Ucm最大，約為3 V；當LC并聯諧振回路失諧時，輸出電壓uC幅值Ucm明顯減小，其中C=100 pF時，Ucm約為1.8 V，當C=700 pF時，Ucm約為0.05 V。

2.2.2 負載特性

當電路其他參數不變，僅改變負載電阻RL時，電路的工作狀態、電流、電壓等也會隨之發生改變。

當RL為100 Ω、200 Ω或300 Ω時，集電極電流iC波形如圖9(a)所示，均為余弦脈沖電流，隨著RL的增大，余弦脈沖電流iC變化非常小，此時電路工作在欠壓狀態；當RL=400 Ω時，集電極電流iC為凹頂脈沖電流，波形如圖9(b)所示，此時電路工作在過壓狀態。負載電阻RL發生上述變化時，輸出電壓uC也會發生改變，變化如圖10所示。其中，RL在100 Ω至500 Ω等間隔取5個點，從圖10中可以看出,隨RL由100 Ω增大到300 Ω時，輸出電壓uC發生了明顯的增大，對照圖9(a)可知此時電路工作在欠壓狀態。但RL由300 Ω增大到500 Ω時，輸出電壓uC幾乎不變，對照圖9(b)可知此時電路工作在過壓狀態。

圖7 電容C取不同數值時的集電極電流iC時序波形

圖8 電容C取不同數值時的負載電壓uC波形

(a)RL為100 Ω、200 Ω或300 Ω時集電極電流iC波形 (b)RL為400 Ω時集電極電流iC波形圖9 負載電阻RL取不同數值時的集電極電流iC波形

綜合圖9和圖10可得，隨著負載電阻RL的增大，電路逐漸由欠壓經臨界進入過壓工作狀態。在欠壓區，集電極電流iC為余弦脈沖電流，RL增大時iC變化非常小，故集電極電流iC的基波電流分量Ic1m和直流分量Ic0也幾乎不變。此時輸出電壓uC的幅值Ucm=Ic1mRL隨著RL的增大而線性增大；進入過壓區后，集電極電流iC變為凹頂脈沖電流，RL增大時凹頂脈沖電流在不斷減小，輸出電壓uC的幅值Ucm隨RL的增大和Ic1m的減小而逐漸趨向于飽和?；娏鞣至縄c1m、直流分量Ic0和輸出電壓uC的幅值Ucm的變化規律如圖11所示[5]。

圖10 RL取不同值時輸出電壓uC的波形

圖11 負載特性圖

圖12 ui=1.0 V時集電極電流iC的時序波形

2.2.3 振幅特性

高頻功率放大電路的其他參數不變，隨著輸入信號ui幅值的改變，三極管中的電流、電壓也會隨之發生變化。輸入電壓ui幅值Ubm由0.6 V增大至1.2 V時，集電極電流直流分量IC0也會發生改變。具體測量數據如表1所示。

表1 集電極電流IC0隨輸入信號ui的變化

由表1可知，隨輸入信號幅值Ubm由0.6 V增大至0.9 V時，集電極電流IC0也會隨之發生明顯增大，但當Ubm由0.9 V增大至1.0 V時，集電極電流IC0'出現了減小值，ui由1.0 V繼續增大時，IC0也會繼續增大，但增大的速率明顯比ui小于0.9 V時增大的速率要小得多。

圖3所示為Ubm=0.9 V時的集電極電流iC的余弦脈沖波形。當ui=1.0 V時，集電極電流iC的波形如圖12所示，可見，此時為凹頂脈沖電流。可見，Ubm由0.9 V增大至1.0 V時，電路從欠壓狀態進入過壓狀態，此過程集電極電流iC從尖頂的余弦脈沖電流變為凹頂的脈沖電流，使得集電極電流直流分量IC0減小。

2.2.4 調制特性

2.2.4.1 集電極調制特性

在電路其它條件不變的情況下，僅改變集電極電源電壓，當VCC為3 V時，集電極電流iC的波形變化如圖13(a)所示，集電極電流iC為凹頂脈沖波形。當VCC分別為6 V、14 V、20 V時，集電極電流iC的波形如圖13(b)所示,為余弦脈沖電流，且變化非常很小，基本趨于穩定。從圖13(a)和(b)的波形對比來看，隨VCC的變化，電路由過壓逐漸經臨界進入欠壓狀態。

(a)VCC為3 V時集電極電流iC的時序波形 (b)VCC為6 V、13 V和20 V時集電極電流iC的時序波形圖13 集電極電源VCC取不同數值時的集電極電流iC的波形

當VCC分別為1 V、2 V、3 V時，負載電阻RL上的輸出電壓Ucm波形如圖14(a)所示。由圖14可見Ucm=Ic1mRL近似是線性增大的。由于負載電阻RL保持不變，因此，對照圖13(a)可知，在過壓區Ic1m會隨VCC的增大而線性增大。而當VCC分別為6 V、13 V、20 V時，負載電阻RL上的輸出電壓uC波形如圖14(b)所示，由圖可見Ucm=Ic1mRL變化非常微弱，對照圖13(b)可知，電路此時工作在欠壓區，輸出電壓uC此時具有恒壓源特性。

(a)VCC為1 V、2 V和3 V時uC的波形 (b)VCC為6 V、13 V和20 V時uC的波形圖14 集電極電源VCC取不同數值時的輸出電壓uC的波形

圖15 集電極電源電壓VCC對電流的影響

綜上對比，當VCC較小時，電路工作在過壓區，集電極電流iC雖為凹頂脈沖波形，但基波電流Ic1m會隨VCC的增大而線性增大，輸出電壓uC也會隨之線性增大。隨著VCC的增大，電路由過壓逐漸經臨界進入欠壓狀態，基波電流Ic1m會隨之進入飽和狀態，輸出電壓uC也會隨之進入飽和狀態。隨VCC的增大，基波電流Ic1m增大變化符合如圖15所示的特性[8]，因此在過壓區，輸出電壓uC的幅值Ucm=Ic1mRL(負載電阻RL不變時)隨VCC的變化規律相同，具有調幅特性。利用這一特性可以實現集電極調幅。

2.2.4.2 基極調制特性

在電路其他條件不變的情況下，僅改變基極偏置電源VBB時，集電極電流也會發生改變，電路如圖16所示。

由圖17(a)可知，VBB=0.6 V時，集電極電流iC為凹頂脈沖電流，電路處于過壓狀態；隨著VBB增大至0.7 V，由圖17(b)可見，集電極電流iC依然為凹頂脈沖電流，但下凹深度減??；由圖17(c)可見，隨VBB的進一步增大，集電極電流iC的波形已經由凹頂脈沖電流變為余弦脈沖電流，電路的工作狀態已經由過壓狀態經臨界狀態進入欠壓狀態，隨VBB由0.8 V增大至0.95 V時，集電極余弦脈沖電流iC的最大值ICM由24 mA減小至大約8 mA左右，下降非常明顯。而負載電阻RL上的輸出電壓uC波形的變化過程如圖17(d)所示，可見當VBB由0.6 V增大至0.75 V時，輸出電壓uC波形幾乎不變，對照圖17(a)和17(b)可知，此時電路工作于過壓狀態，當VBB為0.8 V時，輸出電壓uC明顯減小，對照圖17(c)可知，此時電路已經由過壓狀態經臨界進入欠壓狀態。當VBB為0.8 V至0.95 V時，負載電阻RL上的電壓Ucm波形如圖17(d)所示，此時電路處于欠壓狀態，輸出電壓uC會隨VBB的增大(即三極管發射結上的反偏壓的增大)而明顯減小。因此，在過壓區，輸出電壓uC具有恒壓源特性；而在欠壓區，uC跟隨VBB的變化而發生線性變化，故具有調幅特性，可以實現基極調幅。

圖16 基極調制特性電路圖

(a)VBB=0.6 V時集電極電流iC的波形 (b)VBB=0.7 V時集電極電流iC的波形

(c)VBB為0.8 V至0.95 V時集電極電流iC的波形 (d)VBB為0.6 V至0.8 V時電壓uC波形

(e)VBB為0.8 V至0.95 V時電壓uC波形圖17 基極反向偏置電源VBB取不同數值時的集電極電流iC和負載電阻RL上的電壓uC波形

3 結語

高頻丙類功率放大電路的工作狀態除了受到的三極管參數的影響外，還受到其他電路參數的影響，例如，諧振電阻RP(其值隨負載電阻RL的變化而變化)，輸入信號ui的幅值Ubm，基極偏置電源電壓VBB，集電極直流電源VCC。隨著以上各參數的變化，電路的工作狀態可能在欠壓與過壓之間轉換。筆者根據高頻丙類功率放大電路的基本要求，設計了電路，并借助于Multisim 13.0仿真軟件的Transient Analysis(瞬態分析)和Parameter Sweep Analysis(參數掃描分析)功能，分析出隨著以上各參數的變化，電路中負載電壓uC和集電極電流iC的波形的變化。根據仿真實驗結果，分析了隨電路中各參數的變化，電路工作狀態和集電極電流、負載電壓的變化過程。