集电极调幅电路仿真分析

王红霞 朱善林

(海军工程大学 电子工程学院, 武汉 430033)

集电极调幅电路[1-2]是以丙类谐振功率放大电路为基础构成的，是输出电压幅度受集电极所加调制信号控制的高频谐振功率放大器，其输出调幅信号有较高的功率，是一种高电平调幅。理论上高频谐振功率放大器工作在过压状态时，调制信号和集电极电源电压共同作为放大器的有效集电极电源电压，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过压状态；如何设置集电极电源电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，都是集电极调幅电路仿真测试时遇到的难点。

对于集电极调幅电路的仿真，调整丙类谐振功率放大器的欠压、过压、临界三种工作状态是基础，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，普通调幅解调系统仿真[6-8]也较容易实现，但是对于集电极调幅电路的仿真测试研究文献相对较少。笔者引入LTspice仿真软件，详细介绍集电极调制电路仿真实现的步骤，并分析影响输出已调信号的多种因素。

1 集电极调幅电路原理

集电极调幅电路的原理电路[1-2]如图1所示。集电极调幅的工作特性如图2所示。

图1 集电极调幅原理电路

图2 集电极调幅特性

调制信号uΩ(t)与直流电源VcT相串联，Vcc等于这两个电压之和，并随调制信号变化而变化。C′是高频旁路电容，高频相当于短路，对调制信号频率应相当于开路。输入载波信号ub(t)=Ubmcos(ωCt)保持不变，集电极回路调谐在ωC，带宽略大于调制信号频率的2倍。

丙类谐振功率放大器在Vbb(基极回路偏置电压)、gc(晶体三级管跨导)、Ubz(晶体三级管导通压降)、Ubm(输入信号幅值)、Rp(谐振回路电阻)不变的条件下，改变Vcc时，集电极电流IC0(集电极电流直流分量)、IC1m(基波电流幅值)在欠压区可认为不变，而在过压区IC0、IC1m将随Vcc变化而变化，具有调幅特性。当实现集电极调幅时丙类谐振功率放大器工作于过压状态。

丙类谐振功率放大器的工作状态分为欠压、临界和过压三种，当工作状态为欠压，ic是尖顶余弦脉冲，当工作状态为临界，ic是尖顶余弦脉冲且达到幅值最大值，当工作状态是过压时，ic波形会出现凹陷。因此丙类谐振功率放大器的工作状态调整是实现集电极调幅的关键环节。

通过调整管外参数，观测集电极电流，确定集电极调制特性曲线，并可视化展示集电极电流和输出电压波形是本文的主要工作。

2 集电极调幅电路仿真

LTspice软件[9]是一种电路仿真软件，能用于观察到电路中的电压、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等。

在LTspice软件中建立集电极调幅电路原理图，如图3所示(此电路未考虑阻抗匹配和输出功率，仅仅分析原理电路的三种工作状态及影响因素)。

图3 集电极调幅仿真电路

输入载波信号通过耦合电容加入基级回路，基级直流偏置电压为负值，集电极回路采用串馈方式，调制信号通过变压器耦合到集电极，和集电极直流电压串联作为电路的有效集电极电压，集电极LC谐振回路的谐振频率近似等于载波频率，调幅信号通过变压器耦合方式传给负载电路。

建立仿真波形。输出调幅电压V_AM如图4所示，集电极电流ic的局部放大波形如图5所示。

图4 V_AM波形

图5 集电极电流ic波形

图4所示是典型的AM信号，说明电路实现了调幅，图5所示是凹陷的集电极电流波形，说明电路工作在过压状态。

但是如何设置参数，才能使电路工作在过压工作状态？如何设置参数，才能使输出信号不失真？这是实现集电极调幅的关键。

3 集电极调制特性仿真分析

集电极调制特性是指基极偏置电压Vbb，输入信号Ubm，负载电阻RL保持不变的条件下，只改变集电极电源电压Vcc幅值时，电路工作状态的变化。

为了获得集电极调制，先不加调制信号。并在仿真电路中设置电路参数，Ubm=1.2 V，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω，Vcc∈[1 V,8 V]时且以1 V的变化量变化时，集电极电流如图6所示。

图6 集电极调制特性仿真波形

当Vcc∈[1 V,6 V]时集电极电流是凹陷的(过压状态)，即Vcc=1 V时凹陷最明显。当Vcc∈[7 V,8 V]时集电极电流是尖顶余弦脉冲(欠压状态)，且电流幅值变化不大。因此，在减小Vcc过程中，工作状态从欠压过渡到临界再到过压区，或者说，在增大Vcc过程中，工作状态从过压过渡到临界再到欠压区。在此参数条件下，Vcc=7 V是临界电压。

4 集电极调幅电路动态范围分析

为了获得较大的调制信号幅度范围，可设Vcc=3 V，同时设置Ubm=1.2 V，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω，加载调制信号频率为1 KHz、幅值不同的调制信号，输出信号如图7所示。

(a) 输出调幅信号(Vcc=3 V，Fm=1 V)

(b) 输出调幅信号(Vcc=3 V，Fm=2 V)

(c) 输出调幅信号(Vcc=3 V，Fm=3 V)

(d) 输出调幅信号(Vcc=3 V，Fm=4 V)图7 输出调幅信号(不同幅值调制信号)

图7中，调制信号幅值改变时，输出调幅信号的调幅指数发生改变，当Fm∈[1 V,3 V]时，输出信号正常，当Fm=4 V时，输出信号发生过调幅失真。所以，在此参数条件下调制信号的幅度范围为Fm∈[1 V,3 V]。

当改变Vcc=5 V，加入Fm=3 V时的调制信号，输出信号如图8所示。

图8 输出调幅信号(Vcc=5 V，Fm=3 V)

图8中，在调制的正半周一段时间内对应的输出信号幅度近似恒定，在调制的负半周能实现正常的调制。出现此现象是因为调制特性曲线范围如图2，当Vcc取值在过压区域的中间位置时，输入调制幅值的动态范围最大；当Vcc取值向过压区0附近移动时，调制幅值的动态范围逐渐缩小，且容易出现过调幅失真；当Vcc取值向临界点移动时，调制幅值的动态范围逐渐缩小，且容易出现图8所示失真，即在调制的正半周一段时间内没有实现调制，仅仅是正常功率放大。

文中的集电极调制特性和输出信号动态范围分析是基于Ubm=1.2，Vbb=-0.1 V，RL=50 Ω。当这三个参数的任何一个改变，集电极调制特性曲线的过压区范围都会发生改变。因此，为了获得不失真的调幅，在仿真时，要反复调整调制参数，获得最大范围的过压区域范围和输入信号的动态范围。

5 结语

集电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。在集电极调幅电路原理的基础上；利用LTspice软件建立了电路模型，仿真分析电路中节点电压和电流波形；根据集电极电路的特征获得了丙类谐振功率放大器三个工作状态的集电极电压工作范围；在过压状态参数条件下，加入调制信号实现集电极集电极调幅。在此基础上，改变集电极电压和输入信号幅值，分析输出信号是否失真，并进行了失真原因分析。集电极调幅电路仿真方法能定性地分析问题，并通过可视化、简单化和形象化的方式增强感性认识，进一步加深了对高电平调幅特性的认识。