O 引言
    直接耦合" title="直接耦合">直接耦合式寬頻帶功率放大器是模擬電路" title="模擬電路">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" title="功率放大器">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" title="Multisim">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l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,。


    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,。


    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,。