直耦式寬頻帶功率放大器的計(jì)算、設(shè)計(jì)與調(diào)試分析

引言

直接耦合式寬頻帶功率放大器是模擬電路中的一個(gè)綜合性設(shè)計(jì)課題，它涉及信號(hào)耦合方式、電壓放大、功率放大、阻抗匹配、負(fù)反饋、頻率響應(yīng)等重要概念和技術(shù)。掌握這一課題的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，對(duì)全面掌握模擬電路理論與測(cè)試技術(shù)具有十分重要的意義。另外，從應(yīng)用的角度看，直接耦合式寬頻帶低頻功率放大器在IC設(shè)計(jì)中具有較現(xiàn)實(shí)的工程意義。因此，這一課題常常被選作電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)模擬電路課程設(shè)計(jì)或綜合性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。然而，這一課題的調(diào)試難度較大，學(xué)生往往面臨較大困難而難以全面完成任務(wù)。為此，我們根據(jù)多年從事這一課題的研究經(jīng)驗(yàn)撰寫(xiě)本文，以一種典型直接耦合式寬頻帶功率放大器為例，詳細(xì)介紹其電路參數(shù)的分析計(jì)算方法、利用Multisim軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果以及硬件調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)。

1 電路設(shè)計(jì)與電路參數(shù)計(jì)算

直耦式寬頻帶功率放大器的主要任務(wù)是使負(fù)載得到足夠大的不失真(或基本不失真)功率。整個(gè)電路由輸入級(jí)、前置級(jí)和輸出級(jí)三部分組成，完整電路如圖1所示。

圖1 直耦式寬頻帶功率放大

圖1電路中，T1、T2組成單端輸入、單端輸出的長(zhǎng)尾式差分放大器，主要實(shí)現(xiàn)弱小信號(hào)放大和阻抗匹配任務(wù)，差動(dòng)放大器前端的集成運(yùn)算放大器U1接成電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，避免信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響；T3等構(gòu)成共發(fā)射級(jí)放大電路，完成功率放大級(jí)的推動(dòng)任務(wù)；T4～T7組成典型OCL功率輸出級(jí)。

輸入級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)由R3決定，三極管T1、T2的靜態(tài)集電極電流由下式確定：

輸入級(jí)信號(hào)幅度較小，IC1和IC2的值取1 mA左右為宜，由(1)式可知，R3的值為7．5 kΩ。

前置級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)與輸入級(jí)是關(guān)聯(lián)的，設(shè)T1管的集電極點(diǎn)位為UC1，則T3的集電極電流由下式表達(dá)：

前置級(jí)的輸出信號(hào)幅度可達(dá)10 V以上，要求有較大的動(dòng)態(tài)范圍，若輸出功率為5～10 w，則IC3取3 mA較為合適，既考慮動(dòng)態(tài)范圍，又兼顧T3的功耗。在圖1所示電路參數(shù)下，UC1=14．2 V，R5的阻值應(yīng)為30 Ω左右，因此，R5取值為30 Ω，可以使用一阻值為100 Ω的精密線性可調(diào)電位器。

整個(gè)通道的電壓增益由輸入級(jí)和前置級(jí)共同承擔(dān)，RF與R10、R11等構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，在深度負(fù)反饋條件下，全通道電壓放大倍數(shù)由反饋系數(shù)決定：

R10是一線性精密電位器，用于微調(diào)靜態(tài)工作點(diǎn)，補(bǔ)償運(yùn)算放大器U1的輸出電阻對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。同時(shí)，R10的調(diào)整也會(huì)改變電路的反饋系數(shù)，從而改變輸出幅度。輸出功率的調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電路的頻率響應(yīng)由電路中三極管的極間電容和運(yùn)算放大器的頻率特性決定。電路的下限頻率為0，電路的上限頻率主要由功率放大管的頻率特性和運(yùn)算放大器的頻率特性決定，選擇特征頻率較大的功率放大管和高速寬帶集成運(yùn)放可以提高上限頻率。

2 電路性能的Multisim仿真

Multisim是一款優(yōu)秀的EDA軟件，它的界面直觀而實(shí)用，尤其是其中的虛擬電子儀表與實(shí)驗(yàn)室的儀表具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，特別適合于電子線路的仿真分析，在教學(xué)、生產(chǎn)和科研等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將此軟件應(yīng)用于本課題，能起到事半功倍的效果。

在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們應(yīng)用Multisim對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，為硬件調(diào)試和測(cè)試莫定了基礎(chǔ)。在調(diào)整好電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的前提下即可進(jìn)行電路的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。調(diào)取軟件中的信號(hào)源和示波器，測(cè)得輸入、輸出波形如圖2所示(負(fù)載電阻取值為8 Ω)，圖形上部是輸入信號(hào)波形，圖形下部是輸出信號(hào)波形。由圖可見(jiàn)，在輸出功率為9 W時(shí)，輸入信號(hào)為20 mV，從而能夠保證輸入小信號(hào)能有效放大，電路有足夠的靈敏度。

圖2 直耦式寬頻帶功率放大器的輸入輸出波

測(cè)得電路的頻率響應(yīng)如圖3所示(電壓放大倍數(shù)約為230時(shí)的曲線)，圖形上部是幅頻響應(yīng)，圖形下部是相頻響應(yīng)。由圖可見(jiàn)，上限頻率大于4 MHz，低頻段內(nèi)相移為O。由于電壓增益受負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)控制，導(dǎo)致電路的通頻帶寬度與電路的增益有關(guān)，增益越高，頻帶越窄。仿真結(jié)果表明，輸出功率為2 W時(shí)，電路的上限頻率大于2 MHz；輸出功率為9 W時(shí)(電壓放大倍數(shù)約為500)，電路的上限頻率仍大于100 kHz。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，需要合理選擇輸出功率和帶寬。電路的最大輸出功率和帶寬主要由反饋系數(shù)調(diào)整。

圖3 直耦式寬頻帶功率放大器的頻率響

應(yīng)用Multisim進(jìn)行仿真分析能夠?yàn)橛布{(diào)試指明方向，提高工作效率。

3 電路的硬件調(diào)試與測(cè)試

3．1 電路布局與制作

本文所討論的電路既包括弱小信號(hào)放大電路，又包含大信號(hào)大電流電路，輸出級(jí)的大電流對(duì)弱信號(hào)電路的影響不容忽視。因此，電路布局十分重要，制作印刷電路板是一種較好的選擇。如果采用通用版制作，則元件布局和走線對(duì)電路性能影響特別大，連線應(yīng)該盡量短，地線應(yīng)該盡量粗(多股并聯(lián))，還要注意電源的去耦等。否則，輸出級(jí)的大電流容易干擾輸入級(jí)而導(dǎo)致電路不能正常工作。

差分對(duì)管T1、T2的參數(shù)要盡量對(duì)稱(chēng)，以保證電路有較好的共模抑制比；輸出對(duì)管的參數(shù)不對(duì)稱(chēng)將會(huì)導(dǎo)致波形失真，選擇輸出三極管時(shí)也要酌情考慮；三極管的耐壓值也應(yīng)予以關(guān)注。

3．2 靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試與調(diào)整

本文所討論的電路是一個(gè)直接耦合多級(jí)放大器，靜態(tài)工作點(diǎn)互相牽連，調(diào)試難度較大，只有遵循正確的調(diào)試步驟和方法，才能獲得成功。否則，容易損壞三極管而導(dǎo)致失敗。

為解決靜態(tài)工作點(diǎn)的前后牽連問(wèn)題，可將RF與輸出點(diǎn)0斷開(kāi)，即斷開(kāi)反饋環(huán)，使電路處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，這樣就避免了輸出級(jí)對(duì)前級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響(電路在粗調(diào)時(shí)，輸出點(diǎn)的電壓一般是偏離正常值的)。當(dāng)然，前級(jí)對(duì)后級(jí)的影響任然存在，靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整可以從前往后順序調(diào)整。斷開(kāi)反饋環(huán)后，為了模擬RF右端與0點(diǎn)連接的靜態(tài)環(huán)境(O點(diǎn)靜態(tài)電壓值為O V)，可將RF右端與地暫時(shí)相連，同時(shí)，為了避免功放管在調(diào)試中損壞而引起連鎖不良反應(yīng)，應(yīng)將R6的阻值調(diào)到O。

將運(yùn)算放大器U1的輸入端對(duì)地短路，調(diào)節(jié)R10，使T1、T2的集電極電流相等。這時(shí)，T1的集電極電位應(yīng)為14．2 V左右(UC1=VCC-IC1R2)，前置放大管T3的發(fā)射極電位約為14．9 V。調(diào)節(jié)R5，使T3的集電極電流約為3 mA(見(jiàn)式(2))，再微調(diào)R7(R6，R7均使用線性精密電位器)，使T3的集電極電位UC3約為0．7 V，這時(shí)輸出點(diǎn)O的電位為0 V。將RF右端由地改接O點(diǎn)(閉環(huán))，微調(diào)R7，使O點(diǎn)電壓為0 V，靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整完畢。

3．3 動(dòng)態(tài)調(diào)試與測(cè)試

在輸入端接入小信號(hào)(頻率為1 kHz，幅度為10 mV正弦波)，分別在空載和額定負(fù)載條件下，用示波器觀察輸出信號(hào)，輸出信號(hào)應(yīng)為不失真正弦波。如果出現(xiàn)交越失真，可反復(fù)微調(diào)R6和R7，既消除交越失真，有保證靜態(tài)工作點(diǎn)正確。

用頻率特性測(cè)試儀或“點(diǎn)頻法”測(cè)出電路的上限頻率和下限頻率。更換三極管(功放管)和運(yùn)算放大器U1的型號(hào)，電路的上限頻率會(huì)隨之改變，這與理論計(jì)算和軟件仿真的結(jié)果都是相符的。

值得注意的是，在測(cè)試電路的電壓放大倍數(shù)以及頻率響應(yīng)時(shí)，在接入負(fù)載的情況下，往往會(huì)伴隨強(qiáng)烈的自激振蕩現(xiàn)象，使測(cè)試無(wú)法進(jìn)行。解決的方法是在幾個(gè)功放管的集電極和基極之間各接入一個(gè)中和補(bǔ)嘗電容(容量為幾十皮法至幾百皮法)，從而消除自激振蕩現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)表明，圖1所示電路的輸出功率可達(dá)10 W以上，改變供電電源電壓，可以獲得更大的輸出功率。上限頻率隨功放管和運(yùn)算放大器U1型號(hào)的不同而存在較大差異，選擇高頻大功率三極管和高速運(yùn)放，可以使上限頻率達(dá)到1 MHz以上。

(2)圖l所示電路可以應(yīng)用于音響放大器，也可應(yīng)用于信號(hào)發(fā)生器的放大通道。

(3)本文所介紹的仿真分析和硬件調(diào)試方法適合于TTL、OCL等功率放大電路以及IC設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用領(lǐng)域。