基于虛擬儀器技術的高頻功率放大器分析儀

董 琳， 葉建芳， 張志強

(東華大學通信工程系，上海201620)

0 引言

高頻功率放大器用于對信號進行功率放大，使信號功率滿足發射所需，是各種無線發射機的主要組成部分［1-4］。其導通角不僅決定了功率放大器的工作狀態，就丙類功率放大器而言，導通角的取值對電路的輸出功率和集電極效率有著重要的影響。本文以Multisim仿真電路為依托，利用LabVIEW開發高頻功率放大器虛擬分析儀，為定量研究影響導通角的電路參數以及導通角對電路性能的影響提供了直觀準確而又高效的虛擬儀器［5-8］。

1 高頻功率放大電路

如圖1所示，電路由甲類、丙類兩級功率放大器級聯構成。輸入信號通過甲類進行信號放大后進入丙類功率放大器［9-12］。

圖1 高頻功率放大電路

電路性能指標:工作中心頻率f0=3 MHz，帶寬BW≥7 kHz，PO=12 mW，ηc＞60%。選取型號為2N2369的NPN型三極管作為功放晶體管，其最大集電極電流ICM=200 mA，集電極與發射極之間擊穿電壓UCEO=15 V，集電極與發射極之間的飽和電壓UCES=0.25 V，截止電壓UBZ=0.7 V，電流放大倍數 珔β 在40～120之間。集電極電源12 V，輸入信號有效值6 mV，負載電阻RL=3 kΩ。設導通角θ=70°。

(1)基極偏置電路設計。圖1所示電路的丙類功放采用自給偏置的方式獲取基極偏置電壓。當三極管處于導通狀態時，流向三極管基極的電流將對與基極相連的電容Cb2進行充電;當三極管處于截止狀態時，電容Cb2將通過高頻扼流圈Lb對電阻R4進行放電，由此在回路之中產生放電電流IBO，此時電路獲得基極電位UBB≈R4IBO。

輸入信號經甲類進行信號放大后，丙類功放基極輸入信號幅度Ubm=2.05 V，對于導通角θ，

則

通過在電路中調節電阻R4，使UBB=－1.1 mV即可，則R4=51 Ω。

通過上述分析可知，導通角θ與基極電壓UBB大小有關，在開發中通過調節R4阻值來改變基極電壓UBB，從而改變 θ。

(2)確定功率放大電路的工作狀態。功率放大器的集電極等效電阻:

集電極基波電流振幅:

集電極電流脈沖的最大振幅:

集電極電流脈沖的直流分量:

電源提供的直流功率:

集電極的效率:

以上，滿足丙類功放設計要求。

2 虛擬儀器架構及功能

本文所開發的虛擬儀器利用Multisim與LabVIEW的I/O交互接口實現兩者實時聯合仿真［13-15］。由Multisim完成電路信號與數據生成，LabVIEW進行電路參數設定與處理，從而完成對功放電路導通角的分析設定以及不同大小導通角下電路輸出參數的分析與呈現。系統框架及功能架構如圖2所示。

圖2 虛擬儀器系統框架

該虛擬分析儀含有以下兩大功能:

(1)數據采集與信號波形顯示。LabVIEW虛擬平臺具有對Multisim仿真數據進行編程處理的能力。利用LabVIEW編程對仿真電路輸出波形數據進行文件寫入與讀取，對波形數據文件進行幅值、直流分量等參數的分析與計算，再結合MATLAB程序語言獲取必要的電路參數。電路信號波形的顯示方面，使用LabVIEW中的波形圖表控件對波形進行分組顯示與對比。

(2)功放特性曲線擬合與參數計算。本文所開發的分析儀具有對電路任意兩參數進行實時擬合，近似得到兩者關系曲線的功能。利用LabVIEW控件通過I/O接口改變電路參數，并對數據進行循環讀取，獲取不同參數下的電路輸出結果。運用參數擬合方法確定各參數之間的函數關系式，完成θ與R4、ηc、PO之間關系曲線的顯示以及各參數之間的定值推導計算。

3 程序設計與功能實現

通過LabVIEW編程完成開發實現以下功能:①R4對θ的影響變化趨勢;②θ對ηc、PO的影響;③不同θ對功率放大器發射極輸出的余弦脈沖信號的影響。其中，采用參數關系曲線與定值計算的方法研究θ與R4、ηc、PO間的相互影響;利用多點波形顯示與數據計算完成不同θ下的電路輸出參數對比。

(1)參數關系曲線與定值計算。調整R4可改變功率放大器θ大小，擬合R4－θ關系曲線可以很好地展示兩者間的關系。擬合θ－ηc、θ－PO關系曲線，便于分析導通角對集電極效率、輸出功率的影響。同時，通過擬合得到的參數關系式可以雙向地對參數進行定值的實時計算。開發流程如圖3所示。

圖3 參數擬合流程圖

開發過程:①新建TDMS、TXT文件準備Multisim數據寫入。②在While循環中利用LabVIEW控件為Multisim電路設置不同的參數，并將電路返回數據寫入TDMS文件中直至While循環結束。③通過LabVIEW編程讀取TDMS文件數據，并利用MATLAB語言加以輔助，計算出θ、ηc、PO等參數結果。④將不同R4下的結果，以(R4，θ)、(θ，ηc)、(θ，PO)的形式寫入TXT文件，并利用LabVIEW編程采用廣義多階多項式Bisquare擬合算法對參數進行(X，Y)擬合，并將擬合得到的多項式系數通過編程以函數Y=f(X)的形式提供最終擬合結果。⑤利用擬合結果函數自動繪制R4－θ、θ－ ηc、θ－PO關系曲線，并借助 LabVIEW 編程，結合多項式求解函數對擬合函數Y=f(X)進行系數處理，完成X或Y的雙向定值求解。

開發完成前面板用戶界面如圖4所示。

圖4 關系曲線與定值計算界面

(2)多點發射極波形顯示與數據計算。利用LabVIEW數值控件與I/O交互接口為電阻R4賦予阻值得到不同的θ，對各θ下的電路參數以及發射極輸出脈沖波形進行對比可以獲得直觀的結果對比，流程圖如圖5所示。

圖5 多點波形顯示與數據計算流程圖

圖6所示為開發完成前面板用戶界面。

圖6 多點波形顯示與數據計算

開發過程:①在控制與仿真循環中，利用LabVIEW控件設置不同的R4數值，依次通過I/O交互接口傳遞至Multisim電路。②利用文件寫入函數將電路運行結果(電路發射極輸出信號數據)寫入指定文件，并在循環停止時完成數據寫入進行文件保存。③停止控制與仿真循環，利用文件讀取函數對文件進行讀取與數據處理。④通過LabVIEW編程，將讀取得到的信號進行捆綁，同時顯示至一個波形圖表中;將不同R4下的θ、ηc、PO根據擬合函數Y=f(X)進行計算，并通過矩陣計算與轉換組成數組矩陣，以數據表格的形式顯示最終結果。

4 結果分析

(1) 關系曲線R4－θ、θ－ηc、θ－PO。關系曲線擬合結果如圖7所示。由于R4阻值增大，電路基極電壓UBB增大，根據式(1)可知電路θ減小，如圖7(a)所示。對于高頻功率放大器集電極電源提供的直流輸入功率PD=UccIc0，輸出功率:

則集電極效率:

式中:g1(θ)=α1(θ)/α0(θ)，ξ=Ucm/Ucc，想要提高 ηc可通過提高波形系數g1(θ)實現，而g1(θ)與θ有關。已知θ越小，g1(θ)越大，ηc越高，但減小θ會使余弦脈沖分解系數α1(θ)減小，則輸出功率PO下降，與圖7(b)、(c)曲線擬合分析結果相符。因此在導通角的選擇上，提高效率與提高輸出功率是相互矛盾的。一般認為，在具體設計中最佳導通角設置在70°［16］。根據圖4中②指標計算區域可以雙向計算θ、ηc、PO值:當 θ=70°，ηc=71.86%，PO=12.51 mW;同時可計算，期望PO=13 mW，則 θ=71°，期望 ηc=74%，則 θ=62°。結合以上曲線與定值計算方法可以幫助使用者研究并快速地確定電路所需要的導通角。

圖7 關系曲線擬合結果

(2)不同導通角的輸出與數據對比。在設定偏置電阻R4分別為 50、800、3 000 Ω 時，對應的 θ、ηc、PO如圖8(a)所示，發射極輸出信號波形如圖8(b)所示。

圖8 曲線與數據對比結果

結合數據對比結果，對圓圈中區域進行放大可知，導通角減小，發射極輸出信號幅度降低。根據圖9所示晶體管正向轉移特性曲線可知，在輸入Ubm不變的情況下，R4變大導致電路基極電壓UBB增大，輸入信號位置后移，導通角減小，對應iC減小(iCmax降低)，因而出現圖8所示結果。

圖9 晶體管正向轉移特性曲線

5 結語

本文利用LabVIEW編程并借助其與Multisim的數據通信技術，開發了一個用于分析偏置電阻對高頻功率放大器導通角的影響以及導通角對電路輸出參數的影響的分析儀。該虛擬分析儀可以實時擬合、顯示導通角與電路參數之間的關系曲線，完成參數間的雙向計算，并將不同狀態下的信號進行多點對比顯示，彌補了傳統物理儀器只能完成“逐點單值單信號”測量的缺陷，為電路重要參數的設置與分析提供了更直觀高效的方法。