功率放大电路仿真分析

功率放大电路仿真分析

一、甲类输出级

最常见的甲类输出级电路就是射极跟随器。

1、绘制电路图

运行Capture CIS程序，新建空白工程，绘制电路图如下：

选中晶体管，选择Edit | PSpice Model功能菜单项，打开PSpice Model Editor 窗口，将晶体管放大倍数Bf改为100，如下图，并保存。

2、分析电路的直流传输特性

选择PSpice | New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New

Simulation对话框，在Name文本框中输入DC，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-DC对话框，设置如下：

单击“确定”按钮。

启动PSpice A/D仿真程序，得到如下图V o曲线。

可以看出，当扫描电压小于-7.5V时，输出电压V o的幅度几乎保持不变，维持在-8V左右；当扫描电压Vi大于-7.5V和小于12.8V时，输出电压V o的幅度随着输入电压的增加而升高，当扫描电压Vi 大于12.8V时，输出电压V o的幅度也几乎保持不变，大约在12V。

一般希望发射极的输出可以直接接负载电阻，这就要求发射极的输出端的静态直流电位应该设为零，所以较实用的射极跟随器一般采用双电源供电。如果也采取这种静态直流电位为零，该电路的动态输出范围约为8V。

如果要将电路的动态输出范围调整为6 V，需改变电阻R1。

动态范围最早是信号系统的概念，一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。而在实际用途中，多用对数和比值来表示一个信号系统的动态范围，比如在音频工程中，一个放大器的动态范围可以表示为：

D = lg（Power_max / Power_min）×20；

修改电阻R1的值为：{RVal}，放置Param元件，双击该元件，弹出Property Editor元件属性设置窗口，单击“New Column”按钮，按下图进行相关设置。

在电路分析中，参数RVal的取值将决定电路中每个{RVal}的数值，因此称为全局参数(Global)。

进行扫描分析设置，分析类型为DC Sweep。见下图：

启动PSpice A/D仿真程序，弹出如下窗口：

先单击ALL，再单击OK，结果如下：

图中5条曲线从上到下依次为1k、1.5k、2k、2.5k、3k。利用Probe的Cursor 工具可以方便地读出五种情况下的动态输出范围，当R1=2k时，满足动态范围为6V的要求。

3、分析电压增益

修改电路：双击模块Param的大小属性，将电阻的大小由1k改为2k。修改输入直流电压源V4的小小为0.721V，选取电压源元件V AC，更名为 Vs，大小设置为3V，电路修改结果如下图。

选择PSpice | New Simulation Profile 功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入AC，单击“Create”按钮，弹出Simulation

Settings-AC对话框，设置如下：

启动PSpice A/D仿真程序，选择Trace | Add Trace，设置如下：

结果如下图。

4、分析输入电阻

启动PSpice A/D仿真程序，选择Trace | Add Trace，设置如下：

输出波形如下图：

通过光标工具Cursor可以测出输入电阻为91.931K。

5、分析输出电阻

为了测量输出电阻，电路修改如下：将电路中原电压源Vs的大小设置为0，或直接删除接地；双击电阻R2将其大小调整为2000M或将其开路；在输出端加以3V的VCA。修改后电路如下图：

分析仍采用交流扫描分析，其余设置不变，启动PSpice A/D仿真程序，选择Trace | Add Trace，设置如下：

结果如下：

通过光标工具Cursor可以测出输入电阻为1.5956K。

二、乙类输出级

及互补输出级。互补输出级实际上是两个轮流工作的互补共集电极放大电路的组合。

1、绘制电路图

运行Capture CIS程序，新建空白工程，绘制电路图如下：

修改Q1、Q2两个管子的Bf=100。

2、进行直流扫描分析

选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入DC，单击“Create”按钮，弹出Simulation Settings-DC对话框，设置如下：

启动PSpice A/D仿真程序，得到结果如下图。

测得两条曲线交点处的参数值，此时V[Q1:b]和V[V o]都是0，输入偏压为-5.276V，为了得到最大的动态输出范围，将偏置电压Vin的大小调整为-5.276V。但在V[V o]上有一段曲线的斜率为0，其他地方良曲线的斜率一样，除了在V[V o]未0时，V[V o]比V[Q1:b]大约0.7V左右，这是由于发射结偏压引起的，正是由于这个结电压会引起一种失真，叫交越失真。

也可以在PSpice A/D仿真窗口中选择View|Output Files选项，查看仿真输出网单文件。

3、进行瞬态分析

修改图中交流信号源的V AMPL为20mV，设置探针如下图。

选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入Tran，单击“Create”按钮，弹出Simulation Settings- Tran对话框，设置如下：

运行结果如下图：

从图中可以看出晶体管Q1和Q2的输入为正弦波，但它们的输出不是标准的正弦波，而是有了较大失真的正弦波，这种失真称为交越失真。另外可以看到输出电压的正半周略小于负半周，这是由于晶体管的参数不对称造成的。

但乙类输出级较甲类输出级的效率提高了很多，约为78.5%。

三、甲乙类输出级

乙类输出级的效率较甲类输出级电路提高了很多，但是却存在交越失真，为了解决这一问题，可以给晶体管加一个起始偏置，使两个晶体管即使在其中一个输入为零时也处于导通状态，即工作于甲乙类，称之为甲乙类输出级。

1、绘制电路图

运行Capture CIS程序，新建空白工程，绘制电路图如下：

注意修改Q1、Q2两个管子的Bf=100。

2、进行直流扫描分析

选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入DC，单击“Create”按钮，弹出Simulation Settings-DC对话框，设置如下：

在电路输出端放置探针，测量输出电压的值。

启动PSpice A/D仿真程序，得到结果如下图。

在PSpice A/D仿真窗口中用贯标工具Cursor，可以测得该曲线的最大值为4.1036V，最小值为-5.0877V，所以该甲乙类输出级的输出动态范围为4.1036V。正向动态范围要明显小于负向动态范围，这是由于电阻Rc以及晶体管Q1的压降存在使得正向动态范围受到限制。并测得当输入电压Vin约为-5.2833V时，甲乙类输出级的输出电压为0V。切在输出电压为0时，不存在斜率为零的部分。

随着负载电阻的增大，可以提高甲乙类输出级的动态范围。修改电路中Rl 值为5k，其他设置不变，得到输出曲线如下，可测出正向范围为-5.3115V。

双击图中Vin的值，将其改为-5.2833V，观察此时的静态工作点情况。

选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入Bias，单击“Create”按钮，弹出Simulation Settings-Bias对话框，设置如下：

启动PSpice A/D仿真程序,在PSpice A/D仿真窗口中选择View|Output Files 选项，查看仿真的输出网单文件。

3、进行瞬态分析

观察输入为正弦波时输出波形情况。修改图中信号源的V AMPL为10mV，在Q5的集电极和输出端各放置一个探针。

选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New

Simulation对话框，在Name文本框中输入Tran，单击“Create”按钮，弹出Simulation Settings- Tran对话框，设置如下：

输出结果如下：

从图中可以看出，甲乙类输出级如果输入的是完整的正弦波，输出的也是完整的正弦波，消除了乙类输出级的交越失真。甲乙类输出级的效率与乙类相同，最大为78.5%。