基极调幅电路性能仿真分析

王红霞，于莹

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

基极调幅电路[1-2]是以高频谐振功率放大电路为基础构成的，是输出电压幅度受基极所加调制信号控制的高频谐振功率放大器，输出调幅信号有较高的功率，也是高电平调幅。理论上高频谐振功率放大器工作在欠压工作状态时，调制信号和基极直流偏压共同作为放大器的偏置电压，即可在输出端获得AM 调幅信号。

如何调整电路参数，才能使高频谐振功率放大器工作于欠压工作状态；如何设置基极直流偏压才能获得不同调制度的调幅信号；如何调整载波、集电极电压，才能获得不失真的调幅信号，如何增大输入调制信号的动态范围等问题，都是高电平调制电路仿真测试时遇到的难点。

对于基极调幅电路的仿真，调整丙类谐振功率放大器的欠压、过压、临界3 种工作状态是基础，在此基础上进行不失真的调制则是重点和难点。

关于丙类谐振功率放大器电路[3-5]设计、仿真、测试等方面研究较多，基于模块功能的普通调幅解调系统仿真[6-9]也较容易实现，但是对于基极调幅电路的仿真测试研究文献相对较少。文中引入LTspice 仿真软件，详细介绍了基极调制电路仿真实现的步骤，并分析了影响输出已调信号的多种因素。

1 基极调幅电路原理

基极调幅电路工作原理[1-2]如图1 所示。

图1 丙类谐振功率放大器原理电路

图1 中C1、C3为高频旁路电容；C2为低频旁路电容；B1、B2为变压器；LC 谐振回路谐振于载波频率，通频带为2 Ω。

基极调幅电路的基本原理是利用丙类功率放大器在电压Vcc，输入信号振幅Vbm，谐振电阻Rp不变的条件下，在欠压区改变Vbb，利用输出电流随Vbb变化这一特点实现调幅。

2 基极调幅仿真流程

基极调幅功能的实现是基于丙类谐振功率放大器，并使得丙类谐振功率仿真工作于欠压工作状态。因此，仿真步骤如图2 所示。首先要在软件中实现丙类谐振功率放大器的仿真，仿真实现欠压、临界、过压3 种工作状态；根据集电极电流波形，仿真实现基极调幅特性，尤其是线性区域和限幅区域；根据基极调幅特性欠压工作状态的线性特性，调制信号的合理幅度；仿真测试输出信号，观测能否实现AM 调幅，如果能实现，可通过测试时域波形或频率的频域估算调幅度，如果不能实现调幅或输出失真，则调整电路，重新计算仿真调幅特性；最后根据需要，计算功率等（文中略）。

图2 基极调幅仿真步骤

2.1 丙类谐振功率放大器仿真

LTspice 软件[10-11]是基于SPICE 的一种电路仿真软件，能观察到电路中各节点的电压、电流波形，能进行瞬态分析（Transient Analysis）、交流分析（AC Analysis）、直流分析和噪声分析[12-16]等。

在LTspice 软件中建立电路图，并设置相应的参数，如图3 所示（该电路未考虑阻抗匹配，仅为丙类谐振功率放大器电路原理）。

图3 丙类谐振功率放大器

图3 中，变压器K1把载波信号耦合到三极管的基射之间，基极直流偏置电压Vbb=V3。

VCC=V2为集电极电源，L1和C3构成输出端的选频网络，根据载波频率设置L和C参数，使得选频网络的中心频率等于载波频率，变压器K3把输出信号耦合到负载。

输入载波信号：幅度1.5 V，频率15 MHz；基极回路偏置电压：-0.15 V；集电极电源电压：12 V；旁路电容：20 μF；选频网络：L=113 nH，C=1 000 pF。

经仿真测试，功率放大器能正常工作（输出电压波形和集电极电流波形忽略）。

2.2 基极调幅特性仿真

影响高频谐振功率放大器工作在欠压状态的主要参数有：基极偏置电压Vbb、集电极电源电压Vcc、负载电阻RL、输入载波信号Vbm幅值。

1）基极偏置电压Vbb变化

基极偏置电压Vbb变化时的欠压工作状态分析，即固定集电极电源电压Vcc为12 V，负载电阻RL为50 Ω，输入信号Vbm幅值为1.5 V，依次改变Vbb的值。（文中以集电极电流是否凹陷来判断状态）。

当Vbb∈[-0.6 V，0.4 V]，且以0.1 V 依次增大时，集电极电流波形如图4 所示。

图4 集电极电流波形—Vbb ∈[-0.6 V，0.4 V]

当Vbb∈[0.4 V，1 V]，且以0.1 V 依次增大时，集电极电流波形如图5 所示。

图4 和图5 中，根据集电极电流波形是否凹陷，确定丙类谐振功率放大器的3 种工作状态及欠压区域，并统计集电极电流的幅值与基极偏置电压值之间的关系。

图5 集电极电流波形—Vbb ∈[0.4 V，1 V]

在LTspice软件中，通过设置坐标系，可以获得集电极电流与基极偏置电压之间的曲线，如图6 所示。

图6 集电极电流与基极偏置电压

2）集电极电源变化

集电极电源Vcc变化时的欠压工作状态分析，即固定基极偏置电压Vbb为-0.15 V，负载电阻RL为50 Ω，输入信号Vbm幅值为1.5 V，依次改变Vcc的值。

当Vcc∈[3 V，12 V]，且以3 V 依次增大时，集电极电流波形如图7 所示。

图7 集电极电流波形—Vcc∈[3 V，20 V](Vbm=1.5 V)

由图7可知，Vcc越小，越容易进入过压工作状态。

同样地，当输入信号Vbm幅值为2 V，依次改变Vcc的值。集电极电流波形如图8 所示。

图8 集电极电流波形—Vcc ∈[3 V，20 V](Vbm=2 V)

因此，在丙类谐振功率放大器的多个参数的不同取值，对工作状态影响很大，要多参数协调合理取值，才能确定需要的工作状态。

2.3 欠压工作状态

图6 中，虽然在Vbb∈[-1 V，1 V]范围内，集电极电流呈现增长趋势，但在图4 中，集电极电流是尖顶余弦脉冲，工作状态是欠压；而在图5 中，集电极电流是凹陷脉冲，工作状态是过压。因此，能实现基极调幅的欠压工作状态范围为Vbb∈[-1 V，0.4 V]。

为了较好地实现调幅特性，设置Vbb=-0.15 V。

2.4 基极调幅电路仿真实现

根据图1 基极调幅原理图，建立的仿真电路如图9 所示（该电路未考虑阻抗匹配，仅分析调幅电路原理）。

图9 基极调幅仿真电路

在图3 基础上，增加变压器K2把调制信号耦合到三极管的基射之间，并增加低频旁路电路（20 μF）。

输入调制信号：幅度0.6 V，频率1 kHz。

在该参数条件下，对电路进行仿真，得到仿真波形。其输入端调制信号电压V(f)、载波信号电压V(c)、基极电流I(b)、集电极电流I(c)和输出电压V(out)的波形，如图10 所示。

图10 V(f)、V(c)t、Ic(Q1)、Ic(Q1)和V(out)的波形

输出调幅信号的FFT 频谱如图11 所示。

图11 V(out)的FFT频谱

图11 中，已调AM 信号的频谱分量为：15 MHz，15 MHz+1 kHz，15 MHz-1 kHz。

根据图10、图11 的幅度和公式可以计算调幅度为：边带幅度=调幅度ma约等于0.7。

3 输出信号失真的影响因素分析

根据以上分析，设置集电极电源电压Vcc为12 V，负载电阻RL为50 Ω，输入信号Vcm幅值为1.5 V，基极偏置电压Vbb为-0.15 V。

在此条件下，加入不同幅度的调制信号，输出信号如图12 所示。

图12（e）输出信号出现了明显的失真，但当改变Vcc=20 V，其他条件不变（Vcm=1.5 V，Vbb=-0.15 V，RL=50 Ω），输出信号不失真，输出信号如图13 所示。增加Vcc，即相当于增大了基极调制区域。

图12 输出信号（Vcm=1.5 V，Vbb=-0.15 V，Vcc=12 V，RL=50 Ω）

图13 输出信号（Fm=1 V，Vcc=20 V)

同样地，改变基极偏置电压Vbb为0 V，其他条件不变（Vcm=1.5 V，Vcc=12 V，RL=50 Ω），在此条件下，加入Fm=0.8 V 的调制信号，输出信号如图14 所示。此时出现失真，主要是由于调制的动态范围变小。

图14 输出信号(Fm=0.8 V，Vbb=0 V)

同样地，当改变输入载波信号的幅值，输出信号也可能会出现失真，具体的仿真波形忽略。

4 结论

基极调幅电路是基于丙类谐振功率放大器的一种高电平调幅电路，文中详细介绍了基极调幅电路仿真实现的步骤；说明了电路参数的设定方法和调整方法；利用LTspice 软件仿真各节点电压和电流波形；获得了基极调制特性曲线；在基极调制特性曲线的基础上，分别改变参数、分析输出信号失真与否，并进行了失真原因分析。基极调幅电路仿真方法把定性地分析问题可视化、简单化和形象化，能增强感性认识，进一步加深了人们对高电平调幅特性的认识。