直耦式宽频带功率放大器的设计与调试

摘要：以一种典型直接耦合式宽频带功率放大器为例，详细介绍其电路参数的分析计算方法、利用Multisim软件进行仿真的结果以及硬件调试等关键技术，其结论对教学和工程应用都有一定的实用价值。
关键词：模拟电路；功率放大器；Multisim：直接耦合

O 引言
    直接耦合式宽频带功率放大器是模拟电路中的一个综合性设计课题，它涉及信号耦合方式、电压放大、功率放大、阻抗匹配、负反馈、频率响应等重要概念和技术。掌握这一课题的设计与调试方法，对全面掌握模拟电路理论与测试技术具有十分重要的意义。另外，从应用的角度看，直接耦合式宽频带低频功率放大器在IC设计中具有较现实的工程意义。因此，这一课题常常被选作电子类专业模拟电路课程设计或综合性实验的内容。然而，这一课题的调试难度较大，学生往往面临较大困难而难以全面完成任务。为此，我们根据多年从事这一课题的研究经验撰写本文，以一种典型直接耦合式宽频带功率放大器为例，详细介绍其电路参数的分析计算方法、利用Multisim软件进行仿真的结果以及硬件调试等关键技术。

1 电路设计与电路参数计算
    直耦式宽频带功率放大器的主要任务是使负载得到足够大的不失真(或基本不失真)功率。整个电路由输入级、前置级和输出级三部分组成，完整电路如图1所示。


    图l电路中，T1、T2组成单端输入、单端输出的长尾式差分放大器，主要实现弱小信号放大和阻抗匹配任务，差动放大器前端的集成运算放大器U1接成电压跟随器，实现阻抗匹配，避免信号源内阻对静态工作点的影响；T3等构成共发射级放大电路，完成功率放大级的推动任务；T4～T7组成典型OCL功率输出级。
    输入级的静态工作点由R3决定，三极管T1、T2的静态集电极电流由下式确定：
  
    输入级信号幅度较小，IC1和IC2的值取1 mA左右为宜，由(1)式可知，R3的值为7．5 kΩ。
    前置级的静态工作点与输入级是关联的，设T1管的集电极点位为UC1，则T3的集电极电流由下式表达：
  
    前置级的输出信号幅度可达10 V以上，要求有较大的动态范围，若输出功率为5～10 w，则IC3取3 mA较为合适，既考虑动态范围，又兼顾T3的功耗。在图1所示电路参数下，UC1=14．2 V，R5的阻值应为30 Ω左右，因此，R5取值为30 Ω，可以使用一阻值为100 Ω的精密线性可调电位器。
    整个通道的电压增益由输入级和前置级共同承担，RF与R10、R11等构成电压串联负反馈电路，在深度负反馈条件下，全通道电压放大倍数由反馈系数决定：
  
    R10是一线性精密电位器，用于微调静态工作点，补偿运算放大器U1的输出电阻对静态工作点的影响。同时，R10的调整也会改变电路的反馈系数，从而改变输出幅度。输出功率的调节通过调节输入信号来实现。
    电路的频率响应由电路中三极管的极间电容和运算放大器的频率特性决定。电路的下限频率为0，电路的上限频率主要由功率放大管的频率特性和运算放大器的频率特性决定，选择特征频率较大的功率放大管和高速宽带集成运放可以提高上限频率。

2 电路性能的Multisim仿真
    Multisim是一款优秀的EDA软件，它的界面直观而实用，尤其是其中的虚拟电子仪表与实验室的仪表具有一一对应的关系，特别适合于电子线路的仿真分析，在教学、生产和科研等领域得到广泛应用。将此软件应用于本课题，能起到事半功倍的效果。
    在本课题的设计过程中，我们应用Multisim对电路参数进行了仿真分析，为硬件调试和测试莫定了基础。在调整好电路的静态工作点的前提下即可进行电路的动态性能测试。调取软件中的信号源和示波器，测得输入、输出波形如图2所示(负载电阻取值为8 Ω)，图形上部是输入信号波形，图形下部是输出信号波形。由图可见，在输出功率为9 W时，输入信号为20 mV，从而能够保证输入小信号能有效放大，电路有足够的灵敏度。


    测得电路的频率响应如图3所示(电压放大倍数约为230时的曲线)，图形上部是幅频响应，图形下部是相频响应。由图可见，上限频率大于4 MHz，低频段内相移为O。由于电压增益受负反馈网络控制，导致电路的通频带宽度与电路的增益有关，增益越高，频带越窄。仿真结果表明，输出功率为2 W时，电路的上限频率大于2 MHz；输出功率为9 W时(电压放大倍数约为500)，电路的上限频率仍大于100 kHz。根据不同的应用场合，需要合理选择输出功率和带宽。电路的最大输出功率和带宽主要由反馈系数调整。


    应用Multisim进行仿真分析能够为硬件调试指明方向，提高工作效率。

3 电路的硬件调试与测试
3．1 电路布局与制作
    本文所讨论的电路既包括弱小信号放大电路，又包含大信号大电流电路，输出级的大电流对弱信号电路的影响不容忽视。因此，电路布局十分重要，制作印刷电路板是一种较好的选择。如果采用通用版制作，则元件布局和走线对电路性能影响特别大，连线应该尽量短，地线应该尽量粗(多股并联)，还要注意电源的去耦等。否则，输出级的大电流容易干扰输入级而导致电路不能正常工作。
    差分对管T1、T2的参数要尽量对称，以保证电路有较好的共模抑制比；输出对管的参数不对称将会导致波形失真，选择输出三极管时也要酌情考虑；三极管的耐压值也应予以关注。
3．2 静态工作点的调试与调整
    本文所讨论的电路是一个直接耦合多级放大器，静态工作点互相牵连，调试难度较大，只有遵循正确的调试步骤和方法，才能获得成功。否则，容易损坏三极管而导致失败。
    为解决静态工作点的前后牵连问题，可将RF与输出点0断开，即断开反馈环，使电路处于开环状态，这样就避免了输出级对前级静态工作点的影响(电路在粗调时，输出点的电压一般是偏离正常值的)。当然，前级对后级的影响任然存在，静态工作点的调整可以从前往后顺序调整。断开反馈环后，为了模拟RF右端与0点连接的静态环境(O点静态电压值为O V)，可将RF右端与地暂时相连，同时，为了避免功放管在调试中损坏而引起连锁不良反应，应将R6的阻值调到O。
    将运算放大器U1的输入端对地短路，调节R10，使T1、T2的集电极电流相等。这时，T1的集电极电位应为14．2 V左右(UC1=VCC-IC1R2)，前置放大管T3的发射极电位约为14．9 V。调节R5，使T3的集电极电流约为3 mA(见式(2))，再微调R7(R6，R7均使用线性精密电位器)，使T3的集电极电位UC3约为0．7 V，这时输出点O的电位为0 V。将RF右端由地改接O点(闭环)，微调R7，使O点电压为0 V，静态工作点调整完毕。
3．3 动态调试与测试
    在输入端接入小信号(频率为1 kHz，幅度为10 mV正弦波)，分别在空载和额定负载条件下，用示波器观察输出信号，输出信号应为不失真正弦波。如果出现交越失真，可反复微调R6和R7，既消除交越失真，有保证静态工作点正确。
    用频率特性测试仪或“点频法”测出电路的上限频率和下限频率。更换三极管(功放管)和运算放大器U1的型号，电路的上限频率会随之改变，这与理论计算和软件仿真的结果都是相符的。
    值得注意的是，在测试电路的电压放大倍数以及频率响应时，在接入负载的情况下，往往会伴随强烈的自激振荡现象，使测试无法进行。解决的方法是在几个功放管的集电极和基极之间各接入一个中和补尝电容(容量为几十皮法至几百皮法)，从而消除自激振荡现象。

4 结论
    (1)实验表明，图1所示电路的输出功率可达10 W以上，改变供电电源电压，可以获得更大的输出功率。上限频率随功放管和运算放大器U1型号的不同而存在较大差异，选择高频大功率三极管和高速运放，可以使上限频率达到1 MHz以上。
    (2)图l所示电路可以应用于音响放大器，也可应用于信号发生器的放大通道。
    (3)本文所介绍的仿真分析和硬件调试方法适合于TTL、OCL等功率放大电路以及IC设计等工程应用领域。