功率放大电路仿真分析

功率放大电路仿真分析
、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:
12W
Q2N1420
R2
2k
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功能选项或单击丿按钮，打开New
Simulation对话框，在Name文本框中输入DC,单击Create按钮，弹出Simulation Setti ngs-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Vo曲线
可以看出，当扫描电压小于-7.5V时，输出电压Vo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Vo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Vo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 Colum n”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 Sweepo见下图：
启动PSpice A/D仿真程序，弹出如下窗口:
All None
先单击ALL，再单击OK，结果如下:
V VI
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R仁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VAC,更名为Vs,大小设置为
3V，电路修改结果如下图。

01
选择PSpice | New Simulation Profile功能选项或单击一按钮，打开New
Simulation对话框，在Name文本框中输入AC,单击“Create"按钮，弹出Simulation Setti ngs-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:
Add Traces
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:
Add Traces
Simulat»n Outpit Vaiiables
OK | Cancel | Help
输出波形如下图:
-^ij -c- ss
124 e
旧旧
WWW
I0[Q1) IC(01) IE(Q1) IS[Q1) vp
V(N00362) V(N00463) V(N01008] V(Q1：b) V(Q1;c) V(Ql:e)
V[R1:1)
V(H1;2) V(R2：1j V(R2:2) V(V4;+) V(V4：-J
P Analog
厂 Digital 倉 Voltages
1^ Cmrents ¥ Power
厂 Noise P2/Hz]
【7 Alias Names
厂 Subdrcui* No(
55 variables fasted
ABS()
AR CT AN () AT ANU AVG() AVGX( J
C0S()
0() DB()
ENVMAXf J FN'' MR,i 1 EXR) GO
IMG[) LOG[)
L0G10O Ml)
MAX()
(Anatog Opeiators and Functions
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 择Trace | Add Trace 设置如下：
MOB ：
50K
PSpice A/D 仿真程序，选
04 ------------------ -------------------- 1—
IDH E IODH E
F 亡ecpjm 匚
Add Trices
Simulation Outpiit Variables
I1VI)
IC(Q1) iE(an IS(Q1) V(0| V(N002V2) V(N00463) V(N01008) v(ai：b)
V(Q1:c)
V(01;el
V(R1：1]
V(R1:2)
V(V4：+)
V(V4:-] Wco)
V(Vcc：-l
V[V ee：+J P Analog
厂Digital
倉Voltages
1^ Cmrents
¥ Power
厂Noise P2fl-fz)【7 Alias Names
厂Subcircui* Nods 55 variables listed
Trace Expressiorr |V(VO]/l(VtJ 结果如下: Functions or Macros
ABS()
AR CT AN ()
AT ANU
AVG()
AVGX( J
C0S()
0()
DB()
ENVMAXf J
FN'' MR,i 1
EXR)
GO
IMG[)
L0G[)
L0G10O Ml)
b1AX()
1. S 6QC> -> ----------------------------------------- : -------------------------------------------- : -------------------------------------------- : -------------------------------------------- : ---------------------------------------------.
10 Hz iDDMz 1，0KXz lDOz IOOKM E l.OXUz
gjV(VO]/ ICVc)
Frsq-ueDC
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 Setti ngs-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[Vo]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[Vo]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[Vo] 未0时，V[Vo]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VAMPL为20mV，设置探针如下图
选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击二按钮，打开New
Simulation对话框，在Name文本框中输入Tran,单击“ Create”按钮，弹出Simulation Setti ngs- 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：
Q2N2222
"0
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 二按钮，打开 New Simulation 对话框，在Name 文本框中输入DC,单击“Create"按钮，弹出Simulation Setti ngs-DC 对话框，设置如下：
Q2NI42D
Rb
Wr Ik
Q5
O2MI222
-6V 兰^ -T
-
Qi
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SV-T
-10VH -------- 1-------------- ■ ----- 1 ------ ------ 1------ 1------ ------- 1 ------ 1------ ------ 1------ 1------ s ----- 1 ----- 1------ 8------ 1 ------ 1 ------ ! ----- ■----- 1------ ! ------ 1 ------ 1------ !------ 1------ 1------ ! ------ 1
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RI
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。

选择PSpice|New Simulation Profile功能选项或单击二1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 Setti ngs-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VAMPL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 Setti ngs- Tran 对话框，设置如下：
Simulation Settings - Trdn
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%。

Options G 电 neral Analysi s
Data CQll«cti on
Include Files
Libraries
Probe Window
Stimulus
Analysis type ： Time Domain CTransi »| Run to
Options
Start saving
QGeiLAral £ettings
OMcmte Carlo/tforst Cas OP^r^etric Sweep
T smp er atur e (Sw e ep ) □S^ve Ei as Foint | |Load Bi as
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TrarLsi ent opti ons Majcimufn step |1UE |
secanduE
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