Multisim高频功率放大器.doc

目 录摘要 （1） 0 引言（1）1 高频功率放大器知识简介（2）1.1 电路工作原理（3）1.2 高功放性能分析（6）1.2.1 谐振功率放大器的动态特性（6）1.2.2 功率放大器的负载特性（7）1.2.3放大器工作状态的调整（8）2 方案论证（10）3 电路设计与参数计算（11）3.1 设计任务要求（11）3.2 单元电路设计（11）3.2.1 甲类谐振放大器（12）3.2.2 丙类高功放（13）3.3 总体电路图设计（14）4 电路仿真与结果分析（15）4.1 multisim软件简介（17）4.2 仿真波形（19）5 元件清单（20）6 总结（20）参考文献（20）Abstract（20）基于Multisim的高频功率放大器的设计作 者：指导教师：摘要：本论文主要介绍了EDA 软件Multisim的功能和特点,并利用其先进的高频仿真功能对丙类谐振功率放大器进行了仿真研究,给出了其各种外部特性仿真分析结果,实现了其功能验证. 该实例充分表明,Multisim可为高频电子电路的分析、设计和优化提供一个快捷、高效的新途径.关键字： 高频功率放大器； Multisim0 引言高频谐振功率放大器是一种广泛应用于无线电通信系统中的基本电子电路. 其高工作频率和器件的非线性等特点是传统的分析和设计方法不得不面对的麻烦. 随着计算机技术和集成电路技术的发展,现代电子电路的设计方式已经步入了EDA技术时代. 如今,EDA 技术已被广泛的应用于电子电路设计、仿真、集成电路版图设计、印刷电路板的设计以及可编程器件的编程等过程中,极大地提高了电子电路与系统的设计质量及其效率,越来越受到人们的重视. 采用EDA 技术对电子产品设计进行前期工作已成为一种发展的必然趋势. 但目前流行的众多通用电路仿真软件一般不具备高频电路的仿真分析与设计功能. 本文介绍仿真软件Multisim 的主要功能特点,并利用其先进的高频仿真功能对丙类谐振功率放大器特性进行仿真研究。1 高频功率放大器知识简介 在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。这里提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（5351605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。1.1 电路工作原理利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。 利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小放大器的效率越高。如丙类功放的小于900， 丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图1所示。图1谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的特点： （1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 （2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。 （3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。 （4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图2所示。图2 功率放大器各分压与电流关系由图3 iC(t)各次谐波的波形示意图在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次谐波分量，下面仅列出前面几项的表达式于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲 。由傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。可以将电流分解为 分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分量。各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。因此，在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻RP上的功率为 集电极的功耗为 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比甲类状态， ， 乙类状态， ， 丙类状态， ， 工作在丙类状态时，效率最高。1.2 高功放性能分析 高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。1.2.1 谐振功率放大器的动态特性 高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压b、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。1.2.2 功率放大器的负载特性 如果VCC、VBB、VB 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图4所示。图 4 电压、电流随负载变化波形放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。临界状态时负载线和eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态 时B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率效率的变化也将如此。过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图5所示。欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。图5 谐振功率放大器的负载特性曲线1.2.3放大器工作状态的调整 调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变 当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变 当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。Vcc变化时对工作状态的影响如图6所示：图6 Vcc变化是对工作状态的影响在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如图7所示。图7 改变VCC时工作状态和电流、功率的变化VCC、VBB、Rp不变，Vbm变化。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。谐振功放的放大 特性是指放大器性能随Vbm 变化的特性，其特性曲线如图8所示。图8 Vbm 变化的特性2.方案论证 在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。3.电路设计与参数计算 3.1 设计任务要求 设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po125mW，工作中心频率fo=6MHz，65%，已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51,晶体管用2N2219,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）3.2 单元电路设计 3.2.1 甲类谐振放大器 根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图9所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L、C3、C4、R6构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带图9一级甲类放大电路设计为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图10所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。图10两级甲类放大电路设计3.2.2 丙类高功放 由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图11所示。图11丙类功放原理图3.3 总体电路图设计 设计的总体电路图如图12所示图 12 设计总图4 电路仿真与结果分析 4.1 multisim软件简介 随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。 Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。 Multisim的特点：(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。(3)丰富的测试仪器： 除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。网络分析仪和频谱分析仪。(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。 本次设计电路就是利用multisim软件进行绘图并仿真。4.2 仿真波形 输入信号是一个频率为6.9MHz，峰峰值为150mv的正弦波信号。经过第一级甲类放大器后输出波形如图13所示，其峰峰值增大到589mv，将输入信号电压放大了。图13一级放大后波形经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为2.01v，如图14所示。图14两级放大后波形信号最终经过丙类放大器放大，提高其功率与效率，仿真波形如图15所示。图15丙类放大器输出波形由于高频放大器有甲类，丙类。将上述单元电路按图2-12所示电路进行组装，先将甲、丙类功率放大电路与滤波网络相接，再将甲、丙类功率放大电路连接起来，然后再进行逐级调整并级联。仿真调试观察波形时，用一示波器各探头逐一接一、二、三级输出，逐级调试。 在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析，另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。 由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性5 元件清单组件名称型号及参数数量三极管Q2N22193电感500nH，3.9uH，1uH7变容二极管DIODE VERACTOR2固定电阻（Resistor）1022011k22k16.8k210k315k120k122k1电容（Capacitor）1.5nf2100nf2470nf2发光二极管LED1直流电源（DC Power）+12V16 总结本文利用Multisim 软件平台对高频丙类谐振功率放大器进行了仿真研究,给出了其各种外部特性仿真分析结果,现实了其功能验证. Multisim是一个优秀的高频电路仿真分析软件,其强大的射频仿真分析功能改变了传统的高频电子电路的分析、设计方法,为设计出更合理、更优化的电子电路与系统提供了一个快捷、高效的新途径。参 考 文 献1 曾兴雯. 高频电子线路M. 高等教育出版社，2004. 2 懂尚斌. 高频电子线路实验指导M. 武汉大学电子信息学院，2003. 3 郭维芹. 模拟电子线路实验M. 同济大学出版社，1985.4 陆宗逸. 非线性电子线路实验指导书M. 北京理工大学出版社5 刘骋.高频电子线路M. 西安:西安电子科技大学出版社,2003.6 谢嘉奎.电子线路-非线性部分M.北京:高等教育出版社, 2000.7 谢自美.电子线路设计实验测试第三版 华中科技大学出版社 8 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计，杨翠娥 哈尔滨工程大学出版社 9 何中庸.高频电路设计与制作，科学出版社,2002.10 谢沅清.模拟电子线路 ，成都电子科大出版社, 2001.11 张肃文.高频电子线路第三版 ，高教出版社,2003.12 刘泉.通信电子线路第二版，武汉理工大学出版社,200113 张肃文. 高频电子线路