第二部分 選擇輸出管的工作點，並進行仿真
由於耳放在最大60mw，120歐負載情況下的輸出電壓峯-峯值有7.59V，交流電流的峯-峯值有63.25mA，假設上下每個管子輸出一半，那麼每個管子的有效負載就是120*2=240歐，輸出電流的峯-峯值大於63.25/2=31.625mA。選擇Ia>20mA，應該可以滿足要求。輸出管工作點在選擇的時候注意考慮以下幾點：
- 輸出功率不要超屏耗。 6N6的屏耗Pmax=4.8W
- 滿幅輸出時，失真度儘量小。也就是輸出電流的正負半周儘量對稱；
由於利用Multisim IV儀得到的特性曲線沒有刻度，很難做負載線。但可以利用基本的共陰電路來確定工作點是否合適；
第一步 求出工作點附近的管子參數
設置IV分析儀中NMOS管的仿真參數：
- V_ds，相當於Ua：開始：0V，結束：300V，增量：1V
- V_gs：相當於Ug：開始：-4.5V，結束：0V，步數：10；以0.5V為間隔，測試從-4.5到0V共10條曲線；
自動測試後，調整曲線的電流範圍和電壓範圍，得到比較容易觀測的圖形。
點擊V_gs=-3.5V的曲線，右鍵彈出菜單，選擇“顯示選擇標誌”，就可以看到被選中的曲線有“∆”符合標識；拖到V_ds測量線到135V，此時顯示出工作點的電流為22.456mA。此時的屏耗=135*22.456/1000=3.03w，小於Pmax。
V_ds測量線和V_gs=-3.5的交點就是工作點Q。如下圖所示：
圖5：工作點Q1：V_ds=135V, V_gs=-3.5V
保持V_ds選擇線不變，選擇V_gs=-3V的曲線，此時顯示的電流為26.692mA，再選擇V_gs=-4V的曲線，此時顯示的電流為18.597mA，那麼管子在Q1的跨導：
\(gm=\frac{26.692-18.597}{4-3}=8.10\)
選擇V_gs=-3V的曲線，拖動V_ds選擇線，使得電流顯示最接近22.465mA，記錄此時的電壓值為126.745V；再選擇V_gs=4V的曲線，拖動V_ds選擇線，使得電流顯示最接近22.465mA，記錄此時的電壓值為143.212V；那麼管子在Q1的放大係數為：
\(µ = \frac{143.212-126.745}{4-3} = 16.47\)
則管子在Q1的內阻為：
\(ra = \frac {µ}{gm} = \frac {16.47}{8.10} = 2.03( KΩ)\)
考慮RL=240歐時的測試電路，此時：
\(Rk = \frac {3.5V}{22.456mA} = 0.16k\)
\(HT(V) = 135 + (0.24+0.16)*22.456 = 143.89(V)\)
搭共陰測試電路如下圖：
圖6 共陰測試電路
可見在負載只有240歐，輸出電流\(I_{pp}=40.8mA\)時，失真度達到12.352%。這也説明共陰電路是不適合驅動重負載的。不過，在實際的WCF電路中，由於存在深度負反饋，失真應該不會這麼大。
第二步 在Multisim裏搭建WCF電路
先不考慮驅動級。用兩個分壓電阻代替驅動級，給WCF電路上管提供偏壓。為了便於調試，在電路里增加了信號發生器，輸出功率計，輸出電壓探針和失真度儀。
為了比較上下管的輸出，給上下管增加了1歐的取樣電阻；
為了測試輸出阻抗，還增加了額外的負載和控制開關。
測試電路如下圖所示：
圖7 WFC測試電路
根據選定的工作點，需要計算的元件有下管的陰極電阻Rk，分壓電阻R1，R2，HT， 還有上管的陽極電阻R。Cout的值在測出輸出阻抗後再確定；
取工作點是\(Ug=-3.5V， Ua=135V， Ia=22.456mA\)，則：
\(Rk = \frac {3.5}{22.456} = 0.16 (KΩ)，Power\_Rk=\frac {3.5*22.456}{1000} = 0.08(W)\)
R的取值會影響HT，進而影響分壓電路的計算。所以有必要先對R的值進行估算。看到有的文章裏説當R=1/gm時，失真度最小。但都沒有給出理由和推導過程。我嘗試對這個結果進行推導：
由於上管和下管構成了推輓輸出。上管陰極輸出電流的方向和下管陽極輸出電流的方向相反，疊加在一起後一起驅動負載。
假設要使疊加後的信號失真最小，那麼上下管的輸出電流，應該大小相等，方向相同。
上下管輸出最大電流的時候，就是負載為0的時候；可以畫出這時候的電路交流通路，如下圖：
圖8 WFC等效電路-1
圖中所示是輸出正半周信號的時候，電路中電流的流向。當上下管平衡的時候：
\(i1=i2\)
\(i2\)是由於\(i1\)在R上產生壓降，經U1放大後產生的，因此根據電子管基本特性，\(i2\)和\(i1\)還滿足下面的關係：
\(i2=gm * i1 * R\)--------------------------(2)
(1) 代入(2) 得：\(i2 = gm* i2 * R\)
所以: \(R=\frac{1}{gm}\)
考慮負載RL不為0的情況。那麼交流通路就如下圖：
圖9：WFC等效電路-2
由於\(i1=i2\)，那麼RL對於下管U1 來説等效阻抗就為2*RL，利用三極管電流方程，可以得到如下\(i2\)和\(i1\)的關係：
\(i2 = µ * \frac{i1 * R}{ra + 2RL}，µ為U1的放大係數，ra為U1 的內阻\)
可以計算出 : \(R = \frac{1}{gm} + \frac{2RL}{µ}\)
也就是説R的最優值不僅和下管內阻有關，而且和負載阻抗有關。
但在實際仿真測試時，R取計算值時，失真並不是最小。但可以把計算值作為基準值，通過調整得到失真最小的最優值；
因此可以先按照\(R = \frac{1}{gm} + \frac{2RL}{µ}\)計算：
\(R = \frac{1}{8.10} + \frac {2*120}{16.47} = 0.138 (KΩ)\)
\(HT = 2 * Ua + Ia * (Rk + R) = 2 * 135+ 22.456*(0.16+0.138)=276.7(V)\)
分壓電路的電流取1mA，上下管工作狀態一致。分壓電路要保證上管U2的柵極電壓比陰極電壓低2.5V。U2的陰極電壓為\(Ua+Ug=130+2.5=132.5(V)\)，所以U2的柵極電壓應當為130V
\(R2 = \frac{130V}{1mA} =130(KΩ)\)
\(R1 = \frac{276V}{1mA} – 130 = 146(KΩ)\)
第三步 開始仿真測試
首先給電路輸入1khz的正弦波，並觀測輸出的功率表，保證在120歐的負載上輸出60mw左右的功率。
然後調整不同的R值分別進行測試。每次測試都保證輸出功率在60mw左右。嚴格來講，R值改變，HT和分壓電阻R1的值需要重新計算，並調整。實際測的時候，發現影響不是很大。
最終確定R=185歐時，失真最小。重新計算一下HT=278V，R1=148(KΩ)。
當輸出60mw功率時，失真度為0.19%
當輸出20mw功率時，失真度為0.062%
測試電路及結果如下圖：
圖10 輸出60mw的測試結果
圖11 輸出20mw的測試結果
還可以進一步計算放大倍數和輸出阻抗。
放大倍數\(A=\frac{Vout}{Vin}=\frac{2.7}{3.89}=0.69\)
輸出阻抗的測量需要用到開關J1。
假設J1打開的情況下，測得的輸出電壓是U1；J1關閉的情況下，測得的輸出電壓為U2， 則輸出阻抗\(Zo= RL*\frac{U1-U2}{2*U2-U1}\)，在本電路里可以測量並計算出Zo=50歐左右。
Cout的值和輸出阻抗及負載有關。\(Cout = \frac{1}{2*π*f*(Zo + RL)}\)，假設下限頻率取1HZ，則：
\(Cout =\frac{1}{ 2* 3.14 * 1*(50+120)}=937(uF)\)
考慮到它的耐壓要高於電壓電壓，這一定是個巨無霸。但如果犧牲一點下限頻率，那還是可以接受的。
下表是測量和計算的結果：
|
仿真測試結果
|
|
|
Vin(Vp)=
|
5.5
|
|
Vin(Vrms)=
|
3.89
|
|
Pout(mW）=
|
60.8
|
|
THD(%)=
|
0.19
|
|
Vout(Vrms)=
|
2.7
|
|
A=
|
0.69425
|
|
Vout@1/2RL(Vrms)=
|
2.07
|
|
Zout(KΩ)=
|
0.053
|
|
Vin(Vp)=
|
3.2
|
|
Vin(Vrms)=
|
2.26
|
|
Pout(mW）=
|
20.61
|
|
THD(%)=
|
0.062
|
|
Vout(Vrms)=
|
1.57
|
|
A=
|
0.693849
|
|
Vout@1/2RL(Vrms)=
|
1.25
|
|
Zout(KΩ)=
|
0.041
|
整體測試結果還比較理想：
60mw輸出時的失真度<0.2%，已經達到<0.5%的要求。
20mw輸出時的失真度0.062%，離設計目標<0.05%還有一些差距。需要通過引入環路負反饋來進一步降低失真。