基極調(diào)幅電路性能仿真分析

王紅霞，于瑩

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

基極調(diào)幅電路[1-2]是以高頻諧振功率放大電路為基礎(chǔ)構(gòu)成的，是輸出電壓幅度受基極所加調(diào)制信號控制的高頻諧振功率放大器，輸出調(diào)幅信號有較高的功率，也是高電平調(diào)幅。理論上高頻諧振功率放大器工作在欠壓工作狀態(tài)時，調(diào)制信號和基極直流偏壓共同作為放大器的偏置電壓，即可在輸出端獲得AM 調(diào)幅信號。

如何調(diào)整電路參數(shù)，才能使高頻諧振功率放大器工作于欠壓工作狀態(tài)；如何設置基極直流偏壓才能獲得不同調(diào)制度的調(diào)幅信號；如何調(diào)整載波、集電極電壓，才能獲得不失真的調(diào)幅信號，如何增大輸入調(diào)制信號的動態(tài)范圍等問題，都是高電平調(diào)制電路仿真測試時遇到的難點。

對于基極調(diào)幅電路的仿真，調(diào)整丙類諧振功率放大器的欠壓、過壓、臨界3 種工作狀態(tài)是基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進行不失真的調(diào)制則是重點和難點。

關(guān)于丙類諧振功率放大器電路[3-5]設計、仿真、測試等方面研究較多，基于模塊功能的普通調(diào)幅解調(diào)系統(tǒng)仿真[6-9]也較容易實現(xiàn)，但是對于基極調(diào)幅電路的仿真測試研究文獻相對較少。文中引入LTspice 仿真軟件，詳細介紹了基極調(diào)制電路仿真實現(xiàn)的步驟，并分析了影響輸出已調(diào)信號的多種因素。

1 基極調(diào)幅電路原理

基極調(diào)幅電路工作原理[1-2]如圖1 所示。

圖1 丙類諧振功率放大器原理電路

圖1 中C1、C3為高頻旁路電容；C2為低頻旁路電容；B1、B2為變壓器；LC 諧振回路諧振于載波頻率，通頻帶為2 Ω。

基極調(diào)幅電路的基本原理是利用丙類功率放大器在電壓Vcc，輸入信號振幅Vbm，諧振電阻Rp不變的條件下，在欠壓區(qū)改變Vbb，利用輸出電流隨Vbb變化這一特點實現(xiàn)調(diào)幅。

2 基極調(diào)幅仿真流程

基極調(diào)幅功能的實現(xiàn)是基于丙類諧振功率放大器，并使得丙類諧振功率仿真工作于欠壓工作狀態(tài)。因此，仿真步驟如圖2 所示。首先要在軟件中實現(xiàn)丙類諧振功率放大器的仿真，仿真實現(xiàn)欠壓、臨界、過壓3 種工作狀態(tài)；根據(jù)集電極電流波形，仿真實現(xiàn)基極調(diào)幅特性，尤其是線性區(qū)域和限幅區(qū)域；根據(jù)基極調(diào)幅特性欠壓工作狀態(tài)的線性特性，調(diào)制信號的合理幅度；仿真測試輸出信號，觀測能否實現(xiàn)AM 調(diào)幅，如果能實現(xiàn)，可通過測試時域波形或頻率的頻域估算調(diào)幅度，如果不能實現(xiàn)調(diào)幅或輸出失真，則調(diào)整電路，重新計算仿真調(diào)幅特性；最后根據(jù)需要，計算功率等（文中略）。

圖2 基極調(diào)幅仿真步驟

2.1 丙類諧振功率放大器仿真

LTspice 軟件[10-11]是基于SPICE 的一種電路仿真軟件，能觀察到電路中各節(jié)點的電壓、電流波形，能進行瞬態(tài)分析（Transient Analysis）、交流分析（AC Analysis）、直流分析和噪聲分析[12-16]等。

在LTspice 軟件中建立電路圖，并設置相應的參數(shù)，如圖3 所示（該電路未考慮阻抗匹配，僅為丙類諧振功率放大器電路原理）。

圖3 丙類諧振功率放大器

圖3 中，變壓器K1把載波信號耦合到三極管的基射之間，基極直流偏置電壓Vbb=V3。

VCC=V2為集電極電源，L1和C3構(gòu)成輸出端的選頻網(wǎng)絡，根據(jù)載波頻率設置L和C參數(shù)，使得選頻網(wǎng)絡的中心頻率等于載波頻率，變壓器K3把輸出信號耦合到負載。

輸入載波信號：幅度1.5 V，頻率15 MHz；基極回路偏置電壓：-0.15 V；集電極電源電壓：12 V；旁路電容：20 μF；選頻網(wǎng)絡：L=113 nH，C=1 000 pF。

經(jīng)仿真測試，功率放大器能正常工作（輸出電壓波形和集電極電流波形忽略）。

2.2 基極調(diào)幅特性仿真

影響高頻諧振功率放大器工作在欠壓狀態(tài)的主要參數(shù)有：基極偏置電壓Vbb、集電極電源電壓Vcc、負載電阻RL、輸入載波信號Vbm幅值。

1）基極偏置電壓Vbb變化

基極偏置電壓Vbb變化時的欠壓工作狀態(tài)分析，即固定集電極電源電壓Vcc為12 V，負載電阻RL為50 Ω，輸入信號Vbm幅值為1.5 V，依次改變Vbb的值。（文中以集電極電流是否凹陷來判斷狀態(tài)）。

當Vbb∈[-0.6 V，0.4 V]，且以0.1 V 依次增大時，集電極電流波形如圖4 所示。

圖4 集電極電流波形—Vbb ∈[-0.6 V，0.4 V]

當Vbb∈[0.4 V，1 V]，且以0.1 V 依次增大時，集電極電流波形如圖5 所示。

圖4 和圖5 中，根據(jù)集電極電流波形是否凹陷，確定丙類諧振功率放大器的3 種工作狀態(tài)及欠壓區(qū)域，并統(tǒng)計集電極電流的幅值與基極偏置電壓值之間的關(guān)系。

圖5 集電極電流波形—Vbb ∈[0.4 V，1 V]

在LTspice軟件中，通過設置坐標系，可以獲得集電極電流與基極偏置電壓之間的曲線，如圖6 所示。

圖6 集電極電流與基極偏置電壓

2）集電極電源變化

集電極電源Vcc變化時的欠壓工作狀態(tài)分析，即固定基極偏置電壓Vbb為-0.15 V，負載電阻RL為50 Ω，輸入信號Vbm幅值為1.5 V，依次改變Vcc的值。

當Vcc∈[3 V，12 V]，且以3 V 依次增大時，集電極電流波形如圖7 所示。

圖7 集電極電流波形—Vcc∈[3 V，20 V](Vbm=1.5 V)

由圖7可知，Vcc越小，越容易進入過壓工作狀態(tài)。

同樣地，當輸入信號Vbm幅值為2 V，依次改變Vcc的值。集電極電流波形如圖8 所示。

圖8 集電極電流波形—Vcc ∈[3 V，20 V](Vbm=2 V)

因此，在丙類諧振功率放大器的多個參數(shù)的不同取值，對工作狀態(tài)影響很大，要多參數(shù)協(xié)調(diào)合理取值，才能確定需要的工作狀態(tài)。

2.3 欠壓工作狀態(tài)

圖6 中，雖然在Vbb∈[-1 V，1 V]范圍內(nèi)，集電極電流呈現(xiàn)增長趨勢，但在圖4 中，集電極電流是尖頂余弦脈沖，工作狀態(tài)是欠壓；而在圖5 中，集電極電流是凹陷脈沖，工作狀態(tài)是過壓。因此，能實現(xiàn)基極調(diào)幅的欠壓工作狀態(tài)范圍為Vbb∈[-1 V，0.4 V]。

為了較好地實現(xiàn)調(diào)幅特性，設置Vbb=-0.15 V。

2.4 基極調(diào)幅電路仿真實現(xiàn)

根據(jù)圖1 基極調(diào)幅原理圖，建立的仿真電路如圖9 所示（該電路未考慮阻抗匹配，僅分析調(diào)幅電路原理）。

圖9 基極調(diào)幅仿真電路

在圖3 基礎(chǔ)上，增加變壓器K2把調(diào)制信號耦合到三極管的基射之間，并增加低頻旁路電路（20 μF）。

輸入調(diào)制信號：幅度0.6 V，頻率1 kHz。

在該參數(shù)條件下，對電路進行仿真，得到仿真波形。其輸入端調(diào)制信號電壓V(f)、載波信號電壓V(c)、基極電流I(b)、集電極電流I(c)和輸出電壓V(out)的波形，如圖10 所示。

圖10 V(f)、V(c)t、Ic(Q1)、Ic(Q1)和V(out)的波形

輸出調(diào)幅信號的FFT 頻譜如圖11 所示。

圖11 V(out)的FFT頻譜

圖11 中，已調(diào)AM 信號的頻譜分量為：15 MHz，15 MHz+1 kHz，15 MHz-1 kHz。

根據(jù)圖10、圖11 的幅度和公式可以計算調(diào)幅度為：邊帶幅度=調(diào)幅度ma約等于0.7。

3 輸出信號失真的影響因素分析

根據(jù)以上分析，設置集電極電源電壓Vcc為12 V，負載電阻RL為50 Ω，輸入信號Vcm幅值為1.5 V，基極偏置電壓Vbb為-0.15 V。

在此條件下，加入不同幅度的調(diào)制信號，輸出信號如圖12 所示。

圖12（e）輸出信號出現(xiàn)了明顯的失真，但當改變Vcc=20 V，其他條件不變（Vcm=1.5 V，Vbb=-0.15 V，RL=50 Ω），輸出信號不失真，輸出信號如圖13 所示。增加Vcc，即相當于增大了基極調(diào)制區(qū)域。

圖12 輸出信號（Vcm=1.5 V，Vbb=-0.15 V，Vcc=12 V，RL=50 Ω）

圖13 輸出信號（Fm=1 V，Vcc=20 V)

同樣地，改變基極偏置電壓Vbb為0 V，其他條件不變（Vcm=1.5 V，Vcc=12 V，RL=50 Ω），在此條件下，加入Fm=0.8 V 的調(diào)制信號，輸出信號如圖14 所示。此時出現(xiàn)失真，主要是由于調(diào)制的動態(tài)范圍變小。

圖14 輸出信號(Fm=0.8 V，Vbb=0 V)

同樣地，當改變輸入載波信號的幅值，輸出信號也可能會出現(xiàn)失真，具體的仿真波形忽略。

4 結(jié)論

基極調(diào)幅電路是基于丙類諧振功率放大器的一種高電平調(diào)幅電路，文中詳細介紹了基極調(diào)幅電路仿真實現(xiàn)的步驟；說明了電路參數(shù)的設定方法和調(diào)整方法；利用LTspice 軟件仿真各節(jié)點電壓和電流波形；獲得了基極調(diào)制特性曲線；在基極調(diào)制特性曲線的基礎(chǔ)上，分別改變參數(shù)、分析輸出信號失真與否，并進行了失真原因分析?；鶚O調(diào)幅電路仿真方法把定性地分析問題可視化、簡單化和形象化，能增強感性認識，進一步加深了人們對高電平調(diào)幅特性的認識。