基于NI Multisim12.0的OCL功率放大電路仿真測試

侯衛周， 楊 毅

(河南大學 物理與電子學院， 河南 開封 475004)

?

基于NI Multisim12.0的OCL功率放大電路仿真測試

侯衛周， 楊 毅

(河南大學 物理與電子學院， 河南 開封 475004)

利用NI Multisim12.0仿真軟件對OCL功放電路的輸出功率和轉換效率進行虛擬測試分析；通過改變輸入信號大小讓輸出無交越失真且輸出幅值最大時，觀察輸出電壓的正、負峰值；測試功放電路中的電源直流電流值和負載的功率；將這兩個值分別與理論計算的電源總功耗、輸出功率相比較，發現仿真測試的結果與理論計算結果基本吻合；進一步驗證了功放電路的仿真對電路設計有很好的指導意義；測試實例證實了將NI Multisim12.0合理引入到電子電路虛擬實驗教學中，能大大提升理論課的教學效果，有利于學生在虛擬實驗教學中更好地掌握電子電路設計方法。

無輸出電容; 功率放大; 仿真測試; NI Multisim12.0

0 引 言

在實用電子電路或信號的發射過程中，往往要求放大電路的末級(即輸出級)輸出一定的功率，以驅動負載，能向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路(簡稱功放)。從能量的控制和轉換角度出發，功放電路與其他的放大電路沒有本質的區別[1-2]；只是功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。故從功放電路的組成和分析方法，到元件的選擇，都與小信號放大電路有著明顯的區別。功放電路組成形式很多，有變壓器耦合乙類推挽功放、無輸出變壓器(OTL) 功放、無輸出電容(OCL) 功放等，目前電子電路功放應用最多的是OTL和OCL電路，為更好的掌握功放電路的輸出功率大和效率高的特點，下面以OCL功放電路為例來介紹其工作原理。

1 OCL功率放大電路的工作原理

任何不加保護措施的直接耦合互補輸出將產生交越失真現象，導致輸出電壓波形畸變，放大將失去意義；另外需要說明的是OCL電路中兩只晶體管特性對稱，兩管在輸入信號下，交替導通。

1.1 OCL功放電路的組成

為消除基本OCL電路所產生的交越失真，應設置合適的靜態工作點，使得兩只晶體管均提前處于臨界導通或微導通狀態，能消除交越失真的OCL功放電路組成如圖1所示。其中， +UCC電源為T1管導通時供電， -UCC為電源T2管導通時供電，電阻R1、R3起保護作用，防止+UCC從到-UCC的電流過大，電阻R2較小，調節R2阻值使得在靜態(ui= 0 V)時，E點的靜態電位為零，D1、D2管壓降導通時鉗位在1.4 V，防止輸出電壓發生交越失真現象。

圖1 消除交越失真的OCL功放電路

1.2 OCL功放電路的工作原理

在圖1中，靜態時從正電源+UCC經R1、R2、D1、D2、R3到負電源-UCC形成一個直流電流，它在T1和T2的基極B1和B2之間產生電壓，即UB1B2=UR2+UD1+UD2，使UB1B2略大于T1管發射結和T2管發射結開啟電壓之和[3-4]。由上可知，ui= 0 V，uO= 0 V，+VCC和-VCC不供電，晶體管靜態功耗小。

當ui取一定值(設ui為正弦波測試信號，下同)時，由于D1、D2的動態電阻很小且R2電阻也較小，因而可認為T1和T2的基極電位變化近似相等，即ub1≈ub2≈ui。當ui的正半周分別加載在B1、B2點，由于T1已提前處于微導通狀態，此時ui從零逐漸增大時，T1管NPN的uBE增大，一直處于導通，而T2管PNP的uEB2減小，T2管逐漸截止；同樣，當ui的負半周分別加載在B1、B2點，由于T2已提前處于微導通狀態，此時ui從零逐漸負增時，T2管NPN的uEB2增大，一直處于導通，而T1管NPN的uB1E減小，T1管將截止。這樣即使ui很小，總能保證至少一個三極管導通，從而消除交越失真。綜上所述，ui正半周主要是T1管發射極驅動負載，ui負半周主要是T2管發射極驅動負載，無論ui的正半周還是負半周，每個管子的導通時間都比輸入信號ui的半個周期長，在功放電路中，通常將這種工作狀態稱為甲乙類狀態。

1.3 OCL功放電路的輸出功率和效率

功放電路最重要的技術指標是電路的最大輸出功率Pom和效率η。為求解Pom，需先求出負載上可能獲得最大不失真輸出電壓Uom。當輸入信號幅值足夠大，且又不產生飽和失真時，電路的圖解分析如圖2所示。

圖2 OCL功放電路的圖解分析

圖中Ⅰ區為T1管的輸出特性，Ⅱ區為T2管的輸出特性。因兩只三極管的靜態電流很小，所以可認為靜態工作點位于橫軸上，如圖2中的Q點所示位置，因而最大不失真輸出電壓的幅值Uom=UCC-UCES。設飽和管壓降：UCES=UCES1=-UCES2。則最大輸出功率Pom為：

(1)

在忽略基極回路電流(很小)的情況下[5-6]，經過計算直流電源最終功耗PU為：

(2)

因此，OCL功放電路的轉換效率η為：

(3)

由于篇幅有限，關于OCL功放電路中的晶體管參數如何選擇，在此不予以討論。

2 OCL功放電路的仿真測試要求和目的

為更好的研究和分析OCL功放電路在消除交越失真后，當輸入信號足夠大時，負載能得到最大不失真輸出電壓Uom大的特點，從而獲得大的Pom和高的轉換效率η，必須對虛擬測試電路提出一定的要求。

2.1 OCL功放測試電路的構建

NI Multisim 是由美國國家儀器有限公司研發的電子電路虛擬仿真軟件[7-8]，將該仿真軟件用于電子線路實驗教學中，對傳統教學模式能起到很好的補充和輔助作用[9-10]。利用NI Multisim12.0仿真軟件對OCL功放電路進行測試和分析研究，按照特定的電路參數和元器件要求搭建OCL功放測試電路，并且按上面介紹的功放電路組成和工作原理，掌握仿真測試電路的結構和參數布局，進一步對OCL電路的輸出最大功率Pom和轉換效率η進行虛擬測試，同時觀察輸出波形的失真情況；當加載輸入信號時，測試電源直流電流、輸出電壓的幅值和輸出功率Pom，來計算電源功耗Pu和轉換效率η，進一步得出正確的結論。

2.2 OCL功放電路的波形特點

對OCL功放電路而言，采取一定的措施會克服的輸出波形的交越失真[7-8]，在輸入信號幅值足夠大，電源電壓UCC和晶體管的管壓降UCES取值一定的情況下，輸出波形能獲得最大的幅值，從而使得負載獲得最大不失真輸出功率Pom，進一步獲得高的轉換效率η；OCL功放電路中的輸入、輸出電壓有跟隨特性，若輸出產生交越失真會造成輸出電壓幅值Uom偏小，導致轉換效率η會偏低。

2.3 OCL功放電路的仿真測試內容

(1) 與輸入信號波形比對，觀察輸出信號波形有無交越失真現象；

(2) 利用萬用表(測電流)和瓦特表進行測試，當輸入信號為零(即靜態) 時，電路能否實現零輸入零輸出；

(3) 當輸入信號不為零時，測試直流電流表讀數(萬用表)、瓦特表和輸出電壓峰值Uom大小，進一步比對理論計算后的Pom和測試的Po數據接近程度，進而驗證仿真結果的正確性。

2.4 OCL功放電路測試仿真的目的

對于OCL功放電路進行測試仿真的主要目的是：① 掌握OCL功放電路如何獲得較大Pom和較高轉換效率η的工作原理；② 觀察并研究有輸出波形變化無交越失真兩種情況下的特征；③ 通過測試的數據來分析、比對和計算電源UCC提供的功率Pu、最大輸出功率Pom及轉換效率η。

3 NI Multisim 12.0測試軟件對OCL功率放大電路的虛擬仿真分析

3.1 搭建OCL功放測試電路

搭建OCL互補對稱輸出功放測試電路如圖3所示。在圖3中，特性對稱的晶體管一個采用NPN型低頻功率晶體管2SC2001，其參數：ICM=700 mA，PT=600 mW，UCES=0.2 V，另一個采用PNP型低頻功率晶體管2SA952，其參數：ICM=-700 mA，PT=600 mW，UCES=-0.25 V；在NI Multisim虛擬測試仿真中可做到NPN和PNP特性基本對稱；供電的直流電源一個是+UCC=12 V，另一個是-UCC=-12 V；兩個二極管型號均為1N4001；電阻R1=R2=2 kΩ，負載電阻RL=50

圖3 OCL互補對稱輸出功放測試電路

Ω；電容C1=C2=10 μF較大；兩個單刀雙擲開關S1、S2，同時合在上面端子時輸出波形將會出現交越失真(輸入信號較小時明顯)，同時合在下面端子后，無交越失真；XSC1示波器觀察輸入輸出波形；萬用表XMM1測試+UCC電源的電流大小，XMM2測試-UCC電源的電流大小；瓦特表測試負載RL的功率大小。經驗證信號源U1正弦波的輸入信號ui電壓的有效值是8.38 V(其最大值比UCC-UCES大，因為電容有交流壓降)。若信號源U1的ui電壓有效值再大些，輸出波形會出現峰值失真。

3.2 相關數據的測試

在圖3中，為得到最大輸出的交流功率Pom，采用瓦特表來測量，將瓦特表的電壓V兩個端子并接在負載RL的兩端，電流I兩個端子串接在RL支路上；為得到兩個電源UCC提供的平均功率，可采用兩個萬用表分別串接在+UCC和-UCC的附近，分別測量電源的輸出直流電流，然后計算電源的總功耗PU值。

(1) 點擊NI Multisim12.0仿真軟件的仿真開關，分別后雙擊圖3中的萬用表(在此當直流電流表用，下同)XMM1和XMM2。并分別讀出加載輸入信號時得到的直流電流讀數。

(2) 雙擊圖3瓦特計XWM1，讀出相應的輸出交流功率Po，由于OCL功放電路是共集電極接法，因此輸出電壓和輸入電壓近似相等，考慮到電容C1、C2上有壓降，當輸入信號有效值是8.38 V時，晶體管的管壓降最小為|UCES|，此時輸出交流功率Po≈Pom，輸出波形無幅值失真，測出的最大不失真電壓Uom才準確。

(3) 雙擊圖3示波器XSC1，觀察輸入波形和輸出波形，并進一步讀出輸出電壓幅值Uom，該讀數用于理論計算最大輸出功率Pom，與瓦特表XWM1讀數進行比對。

(4) 上述測試得到的數據，再與理論計算結果相比較，看虛擬測試對功放電路的設計有無指導意義。

3.3 仿真測試的結果

(1) 點擊NI Multisim12.0仿真軟件的仿真開關后，雙擊示波器XSC1來觀察輸入波形和輸出波形，如圖4所示。由于電路已經消除了交越失真，為更好觀察波形，分別將通道A的Y軸偏移(格)設為“1.2”，顯示輸入信號波形，即圖4中的紅色波形；通道B的Y軸偏移(格)設為“-1.2”，主要顯示輸出信號波形，即圖4中的藍色波形；通道A和通道B刻度均設為“10 V/Div”，時基標度均設為“1 ms/Div”。 由圖4可看出輸出波形沒有交越失真產生，而輸出信號uo正、負峰值的測試結果如圖5所示。

圖4 OCL互補對稱功放電路的輸入、輸出波形

圖5 輸出信號uo正、負峰值的測試

(2) 圖3中的萬用表XMM1和XMM2、瓦特計XWM1和圖5輸出電壓幅值Uomax +、Uomax-，最終的測試數據如表1所示(電源+UCC和 -UCC的總功率利用瓦特表來測試，讀者自行操作，在此略)。

表1 OCL互補功放電路的相關測試數據

(3) 利用表1中的測試數據，經簡單計算可得電源總功耗、輸出功率和轉換效率，如表2所示。

3.4 仿真測試的結論與分析

對上述OCL互補對稱功放電路而言，仿真測試的波形和輸出功率、轉換效率等可得出如下結論：

(1) 將圖3 的OCL功放測試電路中開關S1、S2均置上端后，由圖4可知，輸出信號uo沒有交越失真現象發生，ui和uo具有很好的跟隨特性；而若將圖3中

表2 OCL互補功放電路的功率和轉換效率

開關S1、S2均置下端后，在ui較小時輸出電壓波形發生明顯交越失真；由圖5波形得出輸出信號正、負峰值略有不對稱，這是由于兩個晶體管不是理想對稱引起的。

(2) 由理論計算得出：電源總功耗PU為：

(4)

轉換效率η為：

(5)

理論分析和計算中，電源總功耗等于晶體管T1、T2和負載RL的功率之和，而實際測試的圖3電路，除這兩部分功率之外，還需考慮電阻R1、R2和二極管D1、D2上的功率，因此仿真測試的電源總功耗值大于理論計算的值；另外理論計算的輸出功率Pom值大于測試瓦特表的讀數Po值，是因為晶體管特性實際不對稱，因此理論效率η略偏高，但誤差在5%之內。

(3) 表1中，當信號源為零時，能實現零輸出，電源±UCC功耗很小(原因是消除交越失真引起)。

(4) 通過OCL互補對稱功放電路的仿真測試，說明利用NI Multisim12.0虛擬實驗的仿真結果與理論計算基本吻合，該仿真測試對電子電路的功放電路設計具有很好的指導意義和參考價值。

4 結 語

在對OCL功放電路測試中，當±UCC=±12 V，晶體管的UCES≈ 0.2 V時，若輸入信號足夠大，本測試在輸入信號ui有效值等于8.38 V時，發現輸出電壓最大，電路無交越失真；利用萬用表測試±UCC兩路電源的直流電流，計算出電源的總功耗；利用瓦特表測試負載RL的最大輸出功率Pom，仿真測試的結果與理論計算的結果基本接近；驗證了利用NI Multisim12.0仿真軟件對OCL互補對稱功放電路的虛擬測試結果是正確的，說明對功率放大電路設計具有指導作用；利用示波器觀測輸出波形的有無交越失真現象，測試輸出電壓峰值的讀數來計算最大輸出功率，進一步理解和掌握OCL功放電路的特點，領會軟件對不同電路的分析方法和處理方法。可預見引入仿真軟件輔助電類課程教學[11-13]，是教學發展的必然趨勢；仿真軟件的不斷發展會不斷推進教學方法的改進，把NI Multisim12.0 仿真實驗和傳統的實驗教學有機地結合起來[14-15]，發揮各種實驗教學模式的特長，讓學生在理論學習和虛擬實驗教學真正掌握電子電路的設計奧妙。

[1] 童詩白,華成英. 模擬電子技術基礎[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社.2006.

[2] 謝嘉奎. 電子線路(線性部分)[M].3版. 北京: 高等教育出版社.2004.

[3] 康華光等.電子技術基礎(模擬部分)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社,1999.

[4] 陳永強,魏金成,吳昌東,等. 模擬電子技術[M]. 北京: 人民郵電出版社,2013.

[5] 吳天強. 甲乙類功率放大電路交越失真問題研究[J]. 課程教育研究.2013(4) :187-188.

[6] 張文婷,王紫婷.電路分析實驗課程教學改革的研究與探索[J]. 實驗室研究與探索.2010, 29(5):146-147,190.

[7] 侯衛周,蔣俊華.通信接收機變頻電路的虛擬仿真分析[J]. 實驗技術與管理. 2014, 31(3): 84-86, 90.

[8] 陳潔. S 類放大器交越失真的仿真研究[J]. 電子測試.2009(1):24-29.

[9] 侯衛周, 向 兵. 基于Multisim10.1頻率自動跟蹤鎖相環電路的仿真分析[J]. 實驗室研究與探索.2014, 33(6): 86-89.

[10] 李健明, 彭仁明. 基于Multisim的放大電路仿真分析[J].四川理工學院學報(自然科學版), 2006(4): 34-36.

[11] 萬志平.仿真軟件在電類課程教學中的應用[J].實驗技術與管理. 2009, 24(4): 76-79.

[12] 李劍清. Multisim在電路實驗教學中的應用[J]. 浙江工業大學學報.2007, 35(5): 543-546.

[13] 高 娟, 李 峰. 基于Multisim的電子電路仿真研究[J].青島職業技術學院學報, 2006(2): 63-65.

[14] 王爾申, 李 鵬. Multisim仿真在電工及工業電子學中的應用[J]. 實驗室研究與探索.2013, 32(2):99-102.

[15] 王 剛, 王艷芬. 基于Multisim的鎖相環應用電路仿真[J]. 電器電子教學學報. 2008, 30(3): 67-69.

The Simulation Test Research of the OCL Power Amplifier Circuit Based on NI Multisim 12.0

HOUWei-zhou，YANGYi

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475003, China)

The output power and conversion efficiency had been virtually tested for OCL circuit via NI Multisim 12.0 software. By changing the amplitude of the input signal, we made the output without cross distortion and the output amplitude reach its maximum, then we observed the positive and negative peak values of the output voltage, recorded the values of the source DC current and the load power in the test circuit. The two values were compared with the power consumption and output power obtained by theoretical calculation. The results of virtual test were basically consistent with the theoretical calculation results. It verifies the power amplifier circuit simulation for the circuit design has a good guiding significance. The test also verifies the rationalities of introduction of NI Multisim12.0 into the electronic circuit virtual experiment teaching. The virtualized experiment can greatly improve the theoretical teaching effect, and is good for students to master the electronic circuits design method.

OCL; power amplifier circuit; simulation test; NI Multisim12.0

2015-12-28

國家自然科學基金項目 (21173068)；2015年河南省“電子信息科學與技術”教學團隊資助項目

侯衛周(1973-)，男，山西永濟人，碩士，副教授，現從事電子線路設計與研究、基本電子電路仿真研究。

Tel.: 13569509212; E-mail: hwz204@163.com

TN 710.9; TN 721

A

1006-7167(2016)09-0086-05