直接耦合式寬頻帶功率放大器設計

　O 引言

　　直接耦合式寬頻帶功率放大器是模擬電路中的一個綜合性設計課題，它涉及信號耦合方式、電壓放大、功率放大、阻抗匹配、負反饋、頻率響應等重要概念和技術。掌握這一課題的設計與調試方法，對全面掌握模擬電路理論與測試技術具有十分重要的意義。另外，從應用的角度看，直接耦合式寬頻帶低頻功率放大器在IC設計中具有較現實的工程意義。因此，這一課題常常被選作電子類專業模擬電路課程設計或綜合性實驗的內容。然而，這一課題的調試難度較大，學生往往面臨較大困難而難以全面完成任務。為此，我們根據多年從事這一課題的研究經驗撰寫本文，以一種典型直接耦合式寬頻帶功率放大器為例，詳細介紹其電路參數的分析計算方法、利用Multisim軟體進行仿真的結果以及硬體調試等關鍵技術。

　　1 電路設計與電路參數計算

　　直耦式寬頻帶功率放大器的主要任務是使負載得到足夠大的不失真(或基本不失真)功率。整個電路由輸入級、前置級和輸出級三部分組成，完整電路如圖1所示。

　　

　　圖l電路中，T1、T2組成單端輸入、單端輸出的長尾式差分放大器，主要實現弱小信號放大和阻抗匹配任務，差動放大器前端的集成運算放大器U1接成電壓跟隨器，實現阻抗匹配，避免信號源內阻對靜態工作點的影響;T3等構成共發射級放大電路，完成功率放大級的推動任務;T4～T7組成典型OCL功率輸出級。

　　輸入級的靜態工作點由R3決定，三極體T1、T2的靜態集電極電流由下式確定：

　　

　　輸入級信號幅度較小，IC1和IC2的值取1 mA左右為宜，由(1)式可知，R3的值為7.5 kΩ。

　　前置級的靜態工作點與輸入級是關聯的，設T1管的集電極點位為UC1，則T3的集電極電流由下式表達：

　　

　　前置級的輸出信號幅度可達10 V以上，要求有較大的動態範圍，若輸出功率為5～10 w，則IC3取3 mA較為合適，既考慮動態範圍，又兼顧T3的功耗。在圖1所示電路參數下，UC1=14.2 V，R5的阻值應為30 Ω左右，因此，R5取值為30 Ω，可以使用一阻值為100 Ω的精密線性可調電位器。

　　整個通道的電壓增益由輸入級和前置級共同承擔，RF與R10、R11等構成電壓串聯負反饋電路，在深度負反饋條件下，全通道電壓放大倍數由反饋係數決定：

　　

　　R10是一線性精密電位器，用於微調靜態工作點，補償運算放大器U1的輸出電阻對靜態工作點的影響。同時，R10的調整也會改變電路的反饋係數，從而改變輸出幅度。輸出功率的調節通過調節輸入信號來實現。

　　電路的頻率響應由電路中三極體的極間電容和運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算放大器的頻率特性決定，選擇特徵頻率較大的功率放大管和高速寬帶集成運放可以提高上限頻率。

　　2 電路性能的Multisim仿真

　　Multisim是一款優秀的EDA軟體，它的界面直觀而實用，尤其是其中的虛擬電子儀表與實驗室的儀表具有一一對應的關係，特別適合於電子線路的仿真分析，在教學、生產和科研等領域得到廣泛應用。將此軟體應用於本課題，能起到事半功倍的效果。

　　在本課題的設計過程中，我們應用Multisim對電路參數進行了仿真分析，為硬體調試和測試莫定了基礎。在調整好電路的靜態工作點的前提下即可進行電路的動態性能測試。調取軟體中的信號源和示波器，測得輸入、輸出波形如圖2所示(負載電阻取值為8 Ω)，圖形上部是輸入信號波形，圖形下部是輸出信號波形。由圖可見，在輸出功率為9 W時，輸入信號為20 mV，從而能夠保證輸入小信號能有效放大，電路有足夠的靈敏度。

　　

　　測得電路的頻率響應如圖3所示(電壓放大倍數約為230時的曲線)，圖形上部是幅頻響應，圖形下部是相頻響應。由圖可見，上限頻率大於4 MHz，低頻段內相移為O。由於電壓增益受負反饋網絡控制，導致電路的通頻帶寬度與電路的增益有關，增益越高，頻帶越窄。仿真結果表明，輸出功率為2 W時，電路的上限頻率大於2 MHz;輸出功率為9 W時(電壓放大倍數約為500)，電路的上限頻率仍大於100 kHz。根據不同的應用場合，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係數調整。

　　

　　應用Multisim進行仿真分析能夠為硬體調試指明方向，提高工作效率。

　　3 電路的硬體調試與測試

　　3.1 電路布局與製作

　　本文所討論的電路既包括弱小信號放大電路，又包含大信號大電流電路，輸出級的大電流對弱信號電路的影響不容忽視。因此，電路布局十分重要，製作印刷電路板是一種較好的選擇。如果採用通用版製作，則元件布局和走線對電路性能影響特別大，連線應該儘量短，地線應該儘量粗(多股並聯)，還要注意電源的去耦等。否則，輸出級的大電流容易幹擾輸入級而導致電路不能正常工作。

　　差分對管T1、T2的參數要儘量對稱，以保證電路有較好的共模抑制比;輸出對管的參數不對稱將會導致波形失真，選擇輸出三極體時也要酌情考慮;三極體的耐壓值也應予以關注。

　　3.2 靜態工作點的調試與調整

　　本文所討論的電路是一個直接耦合多級放大器，靜態工作點互相牽連，調試難度較大，只有遵循正確的調試步驟和方法，才能獲得成功。否則，容易損壞三極體而導致失敗。

　　為解決靜態工作點的前後牽連問題，可將RF與輸出點0斷開，即斷開反饋環，使電路處於開環狀態，這樣就避免了輸出級對前級靜態工作點的影響(電路在粗調時，輸出點的電壓一般是偏離正常值的)。當然，前級對後級的影響任然存在，靜態工作點的調整可以從前往後順序調整。斷開反饋環後，為了模擬RF右端與0點連接的靜態環境(O點靜態電壓值為O V)，可將RF右端與地暫時相連，同時，為了避免功放管在調試中損壞而引起連鎖不良反應，應將R6的阻值調到O。

　　將運算放大器U1的輸入端對地短路，調節R10，使T1、T2的集電極電流相等。這時，T1的集電極電位應為14.2 V左右(UC1=VCC-IC1R2)，前置放大管T3的發射極電位約為14.9 V。調節R5，使T3的集電極電流約為3 mA(見式(2))，再微調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，這時輸出點O的電位為0 V。將RF右端由地改接O點(閉環)，微調R7，使O點電壓為0 V，靜態工作點調整完畢。

　　3.3 動態調試與測試

　　在輸入端接入小信號(頻率為1 kHz，幅度為10 mV正弦波)，分別在空載和額定負載條件下，用示波器觀察輸出信號，輸出信號應為不失真正弦波。如果出現交越失真，可反覆微調R6和R7，既消除交越失真，有保證靜態工作點正確。

　　用頻率特性測試儀或「點頻法」測出電路的上限頻率和下限頻率。更換三極體(功放管)和運算放大器U1的型號，電路的上限頻率會隨之改變，這與理論計算和軟體仿真的結果都是相符的。

　　值得注意的是，在測試電路的電壓放大倍數以及頻率響應時，在接入負載的情況下，往往會伴隨強烈的自激振蕩現象，使測試無法進行。解決的方法是在幾個功放管的集電極和基極之間各接入一個中和補嘗電容(容量為幾十皮法至幾百皮法)，從而消除自激振蕩現象。

　　4 結論

　　(1)實驗表明，圖1所示電路的輸出功率可達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算放大器U1型號的不同而存在較大差異，選擇高頻大功率三極體和高速運放，可以使上限頻率達到1 MHz以上。

　　(2)圖l所示電路可以應用於音響放大器，也可應用於信號發生器的放大通道。

　　(3)本文所介紹的仿真分析和硬體調試方法適合於TTL、OCL等功率放大電路以及IC設計等工程應用領域。