集電極調幅電路仿真分析

王紅霞 朱善林

(海軍工程大學 電子工程學院, 武漢 430033)

集電極調幅電路[1-2]是以丙類諧振功率放大電路為基礎構成的，是輸出電壓幅度受集電極所加調制信號控制的高頻諧振功率放大器，其輸出調幅信號有較高的功率，是一種高電平調幅。理論上高頻諧振功率放大器工作在過壓狀態時，調制信號和集電極電源電壓共同作為放大器的有效集電極電源電壓，即可在輸出端獲得AM調幅信號。

如何調整電路參數，才能使高頻諧振功率放大器工作于過壓狀態；如何設置集電極電源電壓才能獲得不同調制度的調幅信號；如何調整載波、集電極電壓，才能獲得不失真的調幅信號；如何增大輸入調制信號的動態范圍等問題，都是集電極調幅電路仿真測試時遇到的難點。

對于集電極調幅電路的仿真，調整丙類諧振功率放大器的欠壓、過壓、臨界三種工作狀態是基礎，在此基礎上進行不失真的調制則是重點和難點。

關于丙類諧振功率放大器電路[3-5]設計、仿真、測試等方面研究較多，普通調幅解調系統仿真[6-8]也較容易實現，但是對于集電極調幅電路的仿真測試研究文獻相對較少。筆者引入LTspice仿真軟件，詳細介紹集電極調制電路仿真實現的步驟，并分析影響輸出已調信號的多種因素。

1 集電極調幅電路原理

集電極調幅電路的原理電路[1-2]如圖1所示。集電極調幅的工作特性如圖2所示。

圖1 集電極調幅原理電路

圖2 集電極調幅特性

調制信號uΩ(t)與直流電源VcT相串聯，Vcc等于這兩個電壓之和，并隨調制信號變化而變化。C′是高頻旁路電容，高頻相當于短路，對調制信號頻率應相當于開路。輸入載波信號ub(t)=Ubmcos(ωCt)保持不變，集電極回路調諧在ωC，帶寬略大于調制信號頻率的2倍。

丙類諧振功率放大器在Vbb(基極回路偏置電壓)、gc(晶體三級管跨導)、Ubz(晶體三級管導通壓降)、Ubm(輸入信號幅值)、Rp(諧振回路電阻)不變的條件下，改變Vcc時，集電極電流IC0(集電極電流直流分量)、IC1m(基波電流幅值)在欠壓區可認為不變，而在過壓區IC0、IC1m將隨Vcc變化而變化，具有調幅特性。當實現集電極調幅時丙類諧振功率放大器工作于過壓狀態。

丙類諧振功率放大器的工作狀態分為欠壓、臨界和過壓三種，當工作狀態為欠壓，ic是尖頂余弦脈沖，當工作狀態為臨界，ic是尖頂余弦脈沖且達到幅值最大值，當工作狀態是過壓時，ic波形會出現凹陷。因此丙類諧振功率放大器的工作狀態調整是實現集電極調幅的關鍵環節。

通過調整管外參數，觀測集電極電流，確定集電極調制特性曲線，并可視化展示集電極電流和輸出電壓波形是本文的主要工作。

2 集電極調幅電路仿真

LTspice軟件[9]是一種電路仿真軟件，能用于觀察到電路中的電壓、電流波形，能進行瞬態分析(Transient Analysis)、交流分析(AC Analysis)、直流分析和噪聲分析等。

在LTspice軟件中建立集電極調幅電路原理圖，如圖3所示(此電路未考慮阻抗匹配和輸出功率，僅僅分析原理電路的三種工作狀態及影響因素)。

圖3 集電極調幅仿真電路

輸入載波信號通過耦合電容加入基級回路，基級直流偏置電壓為負值，集電極回路采用串饋方式，調制信號通過變壓器耦合到集電極，和集電極直流電壓串聯作為電路的有效集電極電壓，集電極LC諧振回路的諧振頻率近似等于載波頻率，調幅信號通過變壓器耦合方式傳給負載電路。

建立仿真波形。輸出調幅電壓V_AM如圖4所示，集電極電流ic的局部放大波形如圖5所示。

圖4 V_AM波形

圖5 集電極電流ic波形

圖4所示是典型的AM信號，說明電路實現了調幅，圖5所示是凹陷的集電極電流波形，說明電路工作在過壓狀態。

但是如何設置參數，才能使電路工作在過壓工作狀態？如何設置參數，才能使輸出信號不失真？這是實現集電極調幅的關鍵。

3 集電極調制特性仿真分析

集電極調制特性是指基極偏置電壓Vbb，輸入信號Ubm，負載電阻RL保持不變的條件下，只改變集電極電源電壓Vcc幅值時，電路工作狀態的變化。

為了獲得集電極調制，先不加調制信號。并在仿真電路中設置電路參數，Ubm=1.2 V，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω，Vcc∈[1 V,8 V]時且以1 V的變化量變化時，集電極電流如圖6所示。

圖6 集電極調制特性仿真波形

當Vcc∈[1 V,6 V]時集電極電流是凹陷的(過壓狀態)，即Vcc=1 V時凹陷最明顯。當Vcc∈[7 V,8 V]時集電極電流是尖頂余弦脈沖(欠壓狀態)，且電流幅值變化不大。因此，在減小Vcc過程中，工作狀態從欠壓過渡到臨界再到過壓區，或者說，在增大Vcc過程中，工作狀態從過壓過渡到臨界再到欠壓區。在此參數條件下，Vcc=7 V是臨界電壓。

4 集電極調幅電路動態范圍分析

為了獲得較大的調制信號幅度范圍，可設Vcc=3 V，同時設置Ubm=1.2 V，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω，加載調制信號頻率為1 KHz、幅值不同的調制信號，輸出信號如圖7所示。

(a) 輸出調幅信號(Vcc=3 V，Fm=1 V)

(b) 輸出調幅信號(Vcc=3 V，Fm=2 V)

(c) 輸出調幅信號(Vcc=3 V，Fm=3 V)

(d) 輸出調幅信號(Vcc=3 V，Fm=4 V)圖7 輸出調幅信號(不同幅值調制信號)

圖7中，調制信號幅值改變時，輸出調幅信號的調幅指數發生改變，當Fm∈[1 V,3 V]時，輸出信號正常，當Fm=4 V時，輸出信號發生過調幅失真。所以，在此參數條件下調制信號的幅度范圍為Fm∈[1 V,3 V]。

當改變Vcc=5 V，加入Fm=3 V時的調制信號，輸出信號如圖8所示。

圖8 輸出調幅信號(Vcc=5 V，Fm=3 V)

圖8中，在調制的正半周一段時間內對應的輸出信號幅度近似恒定，在調制的負半周能實現正常的調制。出現此現象是因為調制特性曲線范圍如圖2，當Vcc取值在過壓區域的中間位置時，輸入調制幅值的動態范圍最大；當Vcc取值向過壓區0附近移動時，調制幅值的動態范圍逐漸縮小，且容易出現過調幅失真；當Vcc取值向臨界點移動時，調制幅值的動態范圍逐漸縮小，且容易出現圖8所示失真，即在調制的正半周一段時間內沒有實現調制，僅僅是正常功率放大。

文中的集電極調制特性和輸出信號動態范圍分析是基于Ubm=1.2，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω。當這三個參數的任何一個改變，集電極調制特性曲線的過壓區范圍都會發生改變。因此，為了獲得不失真的調幅，在仿真時，要反復調整調制參數，獲得最大范圍的過壓區域范圍和輸入信號的動態范圍。

5 結語

集電極調幅電路是基于丙類諧振功率放大器的一種高電平調幅電路。在集電極調幅電路原理的基礎上；利用LTspice軟件建立了電路模型，仿真分析電路中節點電壓和電流波形；根據集電極電路的特征獲得了丙類諧振功率放大器三個工作狀態的集電極電壓工作范圍；在過壓狀態參數條件下，加入調制信號實現集電極集電極調幅。在此基礎上，改變集電極電壓和輸入信號幅值，分析輸出信號是否失真，并進行了失真原因分析。集電極調幅電路仿真方法能定性地分析問題，并通過可視化、簡單化和形象化的方式增強感性認識，進一步加深了對高電平調幅特性的認識。