董 琳， 叶建芳， 张志强

(东华大学通信工程系，上海201620)

0 引言

高频功率放大器用于对信号进行功率放大，使信号功率满足发射所需，是各种无线发射机的主要组成部分［1-4］。其导通角不仅决定了功率放大器的工作状态，就丙类功率放大器而言，导通角的取值对电路的输出功率和集电极效率有着重要的影响。本文以Multisim仿真电路为依托，利用LabVIEW开发高频功率放大器虚拟分析仪，为定量研究影响导通角的电路参数以及导通角对电路性能的影响提供了直观准确而又高效的虚拟仪器［5-8］。

1 高频功率放大电路

如图1所示，电路由甲类、丙类两级功率放大器级联构成。输入信号通过甲类进行信号放大后进入丙类功率放大器［9-12］。

图1 高频功率放大电路

电路性能指标:工作中心频率f0=3 MHz，带宽BW≥7 kHz，PO=12 mW，ηc＞60%。选取型号为2N2369的NPN型三极管作为功放晶体管，其最大集电极电流ICM=200 mA，集电极与发射极之间击穿电压UCEO=15 V，集电极与发射极之间的饱和电压UCES=0.25 V，截止电压UBZ=0.7 V，电流放大倍数 珔β 在40～120之间。集电极电源12 V，输入信号有效值6 mV，负载电阻RL=3 kΩ。设导通角θ=70°。

(1)基极偏置电路设计。图1所示电路的丙类功放采用自给偏置的方式获取基极偏置电压。当三极管处于导通状态时，流向三极管基极的电流将对与基极相连的电容Cb2进行充电;当三极管处于截止状态时，电容Cb2将通过高频扼流圈Lb对电阻R4进行放电，由此在回路之中产生放电电流IBO，此时电路获得基极电位UBB≈R4IBO。

输入信号经甲类进行信号放大后，丙类功放基极输入信号幅度Ubm=2.05 V，对于导通角θ，

则

通过在电路中调节电阻R4，使UBB=－1.1 mV即可，则R4=51 Ω。

通过上述分析可知，导通角θ与基极电压UBB大小有关，在开发中通过调节R4阻值来改变基极电压UBB，从而改变 θ。

(2)确定功率放大电路的工作状态。功率放大器的集电极等效电阻:

集电极基波电流振幅:

集电极电流脉冲的最大振幅:

集电极电流脉冲的直流分量:

电源提供的直流功率:

集电极的效率:

以上，满足丙类功放设计要求。

2 虚拟仪器架构及功能

本文所开发的虚拟仪器利用Multisim与LabVIEW的I/O交互接口实现两者实时联合仿真［13-15］。由Multisim完成电路信号与数据生成，LabVIEW进行电路参数设定与处理，从而完成对功放电路导通角的分析设定以及不同大小导通角下电路输出参数的分析与呈现。系统框架及功能架构如图2所示。

图2 虚拟仪器系统框架

该虚拟分析仪含有以下两大功能:

(1)数据采集与信号波形显示。LabVIEW虚拟平台具有对Multisim仿真数据进行编程处理的能力。利用LabVIEW编程对仿真电路输出波形数据进行文件写入与读取，对波形数据文件进行幅值、直流分量等参数的分析与计算，再结合MATLAB程序语言获取必要的电路参数。电路信号波形的显示方面，使用LabVIEW中的波形图表控件对波形进行分组显示与对比。

(2)功放特性曲线拟合与参数计算。本文所开发的分析仪具有对电路任意两参数进行实时拟合，近似得到两者关系曲线的功能。利用LabVIEW控件通过I/O接口改变电路参数，并对数据进行循环读取，获取不同参数下的电路输出结果。运用参数拟合方法确定各参数之间的函数关系式，完成θ与R4、ηc、PO之间关系曲线的显示以及各参数之间的定值推导计算。

3 程序设计与功能实现

通过LabVIEW编程完成开发实现以下功能:①R4对θ的影响变化趋势;②θ对ηc、PO的影响;③不同θ对功率放大器发射极输出的余弦脉冲信号的影响。其中，采用参数关系曲线与定值计算的方法研究θ与R4、ηc、PO间的相互影响;利用多点波形显示与数据计算完成不同θ下的电路输出参数对比。

(1)参数关系曲线与定值计算。调整R4可改变功率放大器θ大小，拟合R4－θ关系曲线可以很好地展示两者间的关系。拟合θ－ηc、θ－PO关系曲线，便于分析导通角对集电极效率、输出功率的影响。同时，通过拟合得到的参数关系式可以双向地对参数进行定值的实时计算。开发流程如图3所示。

图3 参数拟合流程图

开发过程:①新建TDMS、TXT文件准备Multisim数据写入。②在While循环中利用LabVIEW控件为Multisim电路设置不同的参数，并将电路返回数据写入TDMS文件中直至While循环结束。③通过LabVIEW编程读取TDMS文件数据，并利用MATLAB语言加以辅助，计算出θ、ηc、PO等参数结果。④将不同R4下的结果，以(R4，θ)、(θ，ηc)、(θ，PO)的形式写入TXT文件，并利用LabVIEW编程采用广义多阶多项式Bisquare拟合算法对参数进行(X，Y)拟合，并将拟合得到的多项式系数通过编程以函数Y=f(X)的形式提供最终拟合结果。⑤利用拟合结果函数自动绘制R4－θ、θ－ ηc、θ－PO关系曲线，并借助 LabVIEW 编程，结合多项式求解函数对拟合函数Y=f(X)进行系数处理，完成X或Y的双向定值求解。

开发完成前面板用户界面如图4所示。

图4 关系曲线与定值计算界面

(2)多点发射极波形显示与数据计算。利用LabVIEW数值控件与I/O交互接口为电阻R4赋予阻值得到不同的θ，对各θ下的电路参数以及发射极输出脉冲波形进行对比可以获得直观的结果对比，流程图如图5所示。

图5 多点波形显示与数据计算流程图

图6所示为开发完成前面板用户界面。

图6 多点波形显示与数据计算

开发过程:①在控制与仿真循环中，利用LabVIEW控件设置不同的R4数值，依次通过I/O交互接口传递至Multisim电路。②利用文件写入函数将电路运行结果(电路发射极输出信号数据)写入指定文件，并在循环停止时完成数据写入进行文件保存。③停止控制与仿真循环，利用文件读取函数对文件进行读取与数据处理。④通过LabVIEW编程，将读取得到的信号进行捆绑，同时显示至一个波形图表中;将不同R4下的θ、ηc、PO根据拟合函数Y=f(X)进行计算，并通过矩阵计算与转换组成数组矩阵，以数据表格的形式显示最终结果。

4 结果分析

(1) 关系曲线R4－θ、θ－ηc、θ－PO。关系曲线拟合结果如图7所示。由于R4阻值增大，电路基极电压UBB增大，根据式(1)可知电路θ减小，如图7(a)所示。对于高频功率放大器集电极电源提供的直流输入功率PD=UccIc0，输出功率:

则集电极效率:

式中:g1(θ)=α1(θ)/α0(θ)，ξ=Ucm/Ucc，想要提高 ηc可通过提高波形系数g1(θ)实现，而g1(θ)与θ有关。已知θ越小，g1(θ)越大，ηc越高，但减小θ会使余弦脉冲分解系数α1(θ)减小，则输出功率PO下降，与图7(b)、(c)曲线拟合分析结果相符。因此在导通角的选择上，提高效率与提高输出功率是相互矛盾的。一般认为，在具体设计中最佳导通角设置在70°［16］。根据图4中②指标计算区域可以双向计算θ、ηc、PO值:当 θ=70°，ηc=71.86%，PO=12.51 mW;同时可计算，期望PO=13 mW，则 θ=71°，期望 ηc=74%，则 θ=62°。结合以上曲线与定值计算方法可以帮助使用者研究并快速地确定电路所需要的导通角。

图7 关系曲线拟合结果

(2)不同导通角的输出与数据对比。在设定偏置电阻R4分别为 50、800、3 000 Ω 时，对应的 θ、ηc、PO如图8(a)所示，发射极输出信号波形如图8(b)所示。

图8 曲线与数据对比结果

结合数据对比结果，对圆圈中区域进行放大可知，导通角减小，发射极输出信号幅度降低。根据图9所示晶体管正向转移特性曲线可知，在输入Ubm不变的情况下，R4变大导致电路基极电压UBB增大，输入信号位置后移，导通角减小，对应iC减小(iCmax降低)，因而出现图8所示结果。

图9 晶体管正向转移特性曲线

5 结语

本文利用LabVIEW编程并借助其与Multisim的数据通信技术，开发了一个用于分析偏置电阻对高频功率放大器导通角的影响以及导通角对电路输出参数的影响的分析仪。该虚拟分析仪可以实时拟合、显示导通角与电路参数之间的关系曲线，完成参数间的双向计算，并将不同状态下的信号进行多点对比显示，弥补了传统物理仪器只能完成“逐点单值单信号”测量的缺陷，为电路重要参数的设置与分析提供了更直观高效的方法。