高頻電子線路課程中的丙類功放EDA軟件輔助教學(xué)

汪海波 楊金 樊敏 魯世斌 管婷婷 汪承龍

摘要：丙類功放是高頻電子線路課程中非常重要的概念，其集電極電流波形是尖頂脈沖，要求晶體管工作在部分截止狀態(tài)，需要通過復(fù)雜的傅里葉級數(shù)分解才能在負載上得到不失真的輸出電壓。教學(xué)中，學(xué)生對于晶體管工作狀態(tài)的條件設(shè)置、電流脈沖的波形失真和輸出電壓的完整性等知識理解存在困難。軟件仿真能夠直觀地顯示出各種條件下的波形，幫助理解復(fù)雜的理論推導(dǎo)過程。文中在講述功放原理、信號幅度和電源電壓以及負載影響的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計相應(yīng)電路，對比波形，將仿真和理論結(jié)合，能夠顯著降低抽象程度，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：高頻電子線路;丙類功放;仿真;尖頂脈沖;教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0153-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引 言

高頻電子線路是電子信息類等專業(yè)的專業(yè)核心課程，理論與實際聯(lián)系非常緊密、實踐性較強。主要講述模擬通信中功能電路的基本原理及實現(xiàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和設(shè)計電路的能力。主要內(nèi)容包括：選頻網(wǎng)絡(luò)、高頻小信號放大器、正弦波振蕩器、高頻功率放大器、模擬調(diào)制和解調(diào)、反饋控制系統(tǒng)等單元電路的分析與設(shè)計[1]。課程公式繁多、推理嚴謹，極具抽象、枯燥的特點，學(xué)生參與積極性不高，純理論授課方式已經(jīng)無法滿足需要，使用電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，簡稱EDA）軟件不僅能夠幫助學(xué)生理解抽象的知識，也能為將來從事電路設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。為此，教學(xué)工作者紛紛將各種輔助工具引入課程改革、案例設(shè)計和實驗中[2-4]。其中，Multisim是一款著名的電子設(shè)計自動化軟件，與NI Ultiboard同屬美國國家儀器公司的電路設(shè)計軟件套件，是入選伯克利SPICE項目中為數(shù)不多的幾款軟件之一，具有仿真速度快、操作簡單等特點，被廣泛應(yīng)用于高頻電子線路的課程教學(xué)中[5-7]。

丙類功放是無線電發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，一般用于發(fā)送設(shè)備，是發(fā)射機的推動級和輸出級，在實際應(yīng)用和課程教學(xué)中占據(jù)重要地位。使用Multisim對其進行仿真教學(xué)目前已經(jīng)取得一定進展，文獻[8]和[9]主要研究了高頻諧振功率放大器的仿真教學(xué)及改革，仿真出了輸出波形，能夠較為直觀地觀測到相應(yīng)的波形，改善了教學(xué)效果。文獻[10]和[11]則從實驗角度設(shè)計了丙類功放電路并對理論進行了分析。但在具體課程教學(xué)中，仍有很多問題學(xué)生難以理解，比如為何丙類功放接入LC選頻電路后波形變完整，傅里葉分解的級數(shù)疊加后為何形成尖頂脈沖，電壓和負載如何影響功放等。本文通過梳理丙類功放的理論知識，建立對比電路，然后通過EDA設(shè)計新的教學(xué)案例，降低教學(xué)難度，提升教學(xué)效果。

2 丙類功放的工作原理

丙類功放的基本原理是將角頻率為ω的輸入信號通過晶體管，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成頻率為多種信號疊加的輸出信號，再通過濾波器濾去其他頻率的波，從而獲得ω的信號。方框圖如圖1所示。

典型的原理圖與波形變化如圖2所示。電路中的輸入信號為ui，晶體管起到能量轉(zhuǎn)換器作用，將VCC直流能量轉(zhuǎn)換成大幅度的交流能量。對于功放來說，有甲、乙、丙等多種類型，其中丙類功放效率較高，如果實現(xiàn)丙類功放，則需要將晶體管的基極偏置VBB設(shè)置到晶體管的開啟電壓以下。LC選頻濾波的作用是為了得到不失真且放大的交流信號。圖2中輸入ui的波形是典型的正弦波，經(jīng)過晶體管后變成失真的集電極尖頂電流脈沖ib和ic，然后再通過LC濾波后得到幅度較大與輸入同頻的正弦信號uo。

集電極失真程度由晶體管的開啟電壓UBZ決定，如圖3所示。輸入的余弦波信號只有正半周的幅值較大部分能夠使得晶體管導(dǎo)通，用導(dǎo)通角θc表示，其與開啟電壓UBZ，基極偏置VBB以及輸入信號幅值Ubm的關(guān)系如式（1）。

[cosθc=UBZ-VBBUbm? ? ? ? ?]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

輸入信號中導(dǎo)通晶體管的部分在集電極產(chǎn)生電流，該電流在時域上是一個不完整的信號，所以信號產(chǎn)生了失真，對應(yīng)的集電極電流波形是尖頂脈沖信號，可以寫成ic=gc（uBE-UBZ）， uBE>UBZ和ic=0，uBE

3 基本電路結(jié)構(gòu)

圖4是典型的丙類功放電路。基極偏置采用自給偏壓方式;輸入信號ui的有效值是2V，中心頻率為0.16MHz;通過1mF的電容耦合到晶體管的基極;晶體管采用型號2N1711的三極管，B-E間的內(nèi)建電場約為0.4V;集電極用10Ω電阻接6V電源，并通過1mF耦合到LC振蕩電路;電感L采用1μH，電容采用1μF，LC振蕩的諧振頻率在0.16MHz。本電路中的耦合電容采用較大的1mF電容，對中頻輸入信號頻率阻抗1mΩ，對信號基本無阻礙作用;并且與電感L組成的振蕩頻率與濾波頻率相差較大，對輸出干擾作用較小。

4 仿真分析

4.1 集電極電流脈沖失真分析

通過前述原理部分的分析，丙類放大器集電極電流脈沖可以按照傅里葉級數(shù)分解成如公式（2）所示的值：

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

其中[Icnm=1π-ππiCcosnωtd（ωt）]，為了觀察到電流脈沖Icnm，可以將它轉(zhuǎn)換成電壓，即分解公式中乘以電阻R。因此可以設(shè)計一種測試電路，測試集電極電阻上的電壓信號，用示波器觀察該電壓信號。所設(shè)計電路如圖5a所示，電路以自給偏壓實現(xiàn)丙類放大，輸入2V有效值電壓，集電極接1kΩ，刪除了LC振蕩電路，示波器連接集電極。圖5b為測試交流等效電路，示波器測試集電極電阻1kΩ的交流電壓。顯然這個電壓與集電極電流極性相反，因此示波器將顯示反向的圖形。圖5c顯示示波器仿真的4μs到10μs輸入和輸出波形。波形為倒過來的尖頂脈沖，與理論分析部分相同，頂部信號對應(yīng)于輸入的底部信號。

4.2 LC濾波分解

集電極電流經(jīng)過脈沖分解過后，信號通過耦合電容在LC振蕩電路中濾波，如果濾波頻率等于輸入信號頻率，則成為基波，那么選頻出來的信號為基波信號，如果LC振蕩頻率為輸入頻率的2、3、4倍，則稱為2次、3次和4次諧波，統(tǒng)稱為高次諧波。利用軟件可以仿真出對應(yīng)的波形。圖6a顯示了基波波形的仿真電路?；驹c圖5a類似，其中LC振蕩通過1mF的電容接在三極管的集電極作為負載，其交流等效電路如圖6b所示。圖6c為仿真的輸入和輸出波形。可以看出，輸入波形和輸出波形相位相反，周期相同，表明理論部分分析的基波被LC電路選頻出來。

4.3 負載電阻影響

負載特性是指晶體管跨導(dǎo)gc、開啟電壓UBZ、集電極電壓VCC、基極電壓VBB、輸入信號幅值Ubm不變時，改變諧振回路的諧振電阻Rp，放大器的輸出電流、電壓、功率和效率等隨RP變化關(guān)系。用虛擬電流法可以分析集電極電流變化。虛擬電流法在電壓uce等于VCC時，輸出負載線上ic等于IQ，IQ為-gc（UBZ-VBB），由VCC和IQ構(gòu)成虛擬的坐標Q點;由ubemax=VBB+Ubm和ucemin=VCC-Ucm相交得到A點，QA線的斜率為gd，如圖7所示。當(dāng)負載電阻變化時，導(dǎo)通角cosθc和ubemax隨電阻變化，而斜率[gd=-gcUbmUcm=-1（1-cosθc）α1（θc）Rp]隨著電阻增大逐漸減小，所以動態(tài)負載線向左傾斜。

圖7中的不同負載電阻RP，三條不同動態(tài)特性曲線QA1、QA2、QA′3。其中QA1對應(yīng)于欠壓狀態(tài)，QA2對應(yīng)于臨界狀態(tài)，QA′3對應(yīng)于過壓狀態(tài)。QA1相對應(yīng)的負載電阻RP較小，Ucm也較小，集電極電流波形是余弦脈沖。隨著RP增加，動態(tài)負載線的斜率逐漸減小，Ucm漸增大，放大器工作狀態(tài)由欠壓到臨界，此時電流波形仍為余弦脈沖，只是幅值比欠壓時略小。當(dāng)RP繼續(xù)增大，Ucm進一步增大，放大器進入過壓狀態(tài)，此時動態(tài)負載線QA3與飽和線相交，此后電流ic隨Ucm沿飽和線下降到A′3，電流波形頂端下凹，呈馬鞍形。

采用圖8a所示電路對負載電阻的影響進行仿真。圖8a中，集電極加入扼流圈抑制高頻到地。當(dāng)將電阻由10增加到100kΩ時，在發(fā)射極測到的波形與輸入波形對比如圖8b所示，可以看出，波形頂部出現(xiàn)了失真，再現(xiàn)了理論分析的結(jié)果。

4.4 信號幅度和集電極偏置影響

信號幅度和集電極電壓偏置對波形的影響，同樣可以采用虛擬電流法分析。在虛擬電流法中，Q點坐標（VCC，-gc（UBZ-VBB））隨著VCC增大而使得晶體管從飽和區(qū)逐漸過渡到放大區(qū)，從而使集電極電流脈沖從凹頂脈沖逐漸過渡到尖頂脈沖;同理，Q點坐標隨Ubm逐漸從欠壓過渡到過壓，使得集電極電流脈沖從尖頂脈沖逐漸過渡到凹頂脈沖。此過程可以利用仿真顯示，仿真電路如圖9a所示，輸入信號采用有效值2V的信號，集電極電壓采用6V的直流;集電極采用100Ω的電阻形成自給偏置，整體的交流等效電路和圖6b類似（這里沒有示出）。示波器接在發(fā)射極，以得出失真信號。當(dāng)輸入信號源的電壓有效值增加到6V左右時，輸出的尖頂脈沖頂部發(fā)生明顯變化，波形如圖9b所示，頂部信號變化的原因是晶體管達到飽和區(qū)，使得增益減小，波形變鈍。圖9c顯示的VCC電壓變小到2V時，波形由尖頂脈沖變化成頂部鈍化的波形，其結(jié)果與理論相符。

5 結(jié)論

本文針對高頻電子線路課程特點，利用EDA軟件仿真實現(xiàn)對丙類放大器分析。丙類放大器原理和波形原理涉及晶體管的工作狀態(tài)，集電極電流需要利用傅里葉級數(shù)分解才能得到尖?頂脈沖波形，難以依靠思考理解這種變化。通過設(shè)計各種電路模型，仿真丙類放大器的工作狀態(tài)、LC振蕩器、負載和電源的作用，能夠直觀地反映出理論推導(dǎo)的波形變化，使得課堂內(nèi)容變得生動形象，可以有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】