直耦式宽频带功率放大器的设计与调试

作者：赵柏树，黄汉华 湖北大学

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