基于multisim的高頻諧振功率放大器設計與仿真—課程設計

1、淮南師范學院電氣信息工程學院2014屆電子信息工程專業(yè)課程設計報告 課程設計報告題 目： 基于multisim的高頻諧振功率 放大器設計與仿真 學生姓名： 學生學號： 系 別： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 屆 別： 14屆 指導教師： 電氣信息工程學院制基于multisim的高頻諧振功率放大器設計與仿真1課程設計的任務與要求1.1課程設計的任務在通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，要求輸出功率越大。為了獲得足夠大的高頻輸出功率，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器是無線電發(fā)射沒備的重要組成部分。在無線電信號發(fā)射過程中，發(fā)射機

2、的振蕩器產生的高頻振蕩信號功率很小，因此在它后面要經過一系列的放大，如緩沖級、中間放大級、末級功率放大級等，獲得足夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。本次課程設計的任務就是設計一高頻諧振功率放大器。1.2 課程設計的要求要求的技術指標為：輸出功率po125mw，工作中心頻率fo=6mhz，65%，已知：電源供電為12v，負載電阻,rl=51,晶體管用2n2219,其主要參數：pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍）1.3 課程設計的研究基礎利用選頻網絡作為負載回路的功放稱為諧振功放。根據放大器電流導通角的范圍可分為

3、甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導通角越小放大器的效率越高。如丙類功放的小于180度， 丙類功放通常作為發(fā)射機的末級，以獲得較大的輸出功率和較高的功率。丙類諧振功率放大器原理圖如圖1所示。 圖1諧振功率放大器的基本電路諧振功率放大器的特點： （1）放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 （2）輸出端負載回路為調諧回路，既能完成調諧選頻功能，又能實現放大器輸出端負載的匹配。 （3）基極偏置電路為晶體管發(fā)射結提供負偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 （4）輸入余弦波時，經過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。 晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關控制作用，諧振回路

4、lc是晶體管的負載。功率放大器各分壓與電流的關系如圖2所示。圖2 功率放大器各分壓與電流關系圖3 ic(t)各次諧波的波形示意圖在對諧振功率放大器進行分析與計算時，關鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項利用周期函數傅立葉級數的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次諧波分量，下面僅列出前面幾項的表達式= = （1-1式）由于晶體管工作在丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級數可知，一個周期性函數可以分解為許多余弦波（或正弦波）的疊加 。可以將電流分解為 （1-2式）分別為集電極電流的直流分量、基波分量以及各高次諧波分量的振幅 = （1-3式） = （1-4式） （1-5式

5、）只要知道電流脈沖的最大值和通角即可計算出直流分量、基波分量及各次諧波分量。各次諧波分量變化趨勢是諧波次數越高，其振幅越小。因此，在諧振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集電極直流電源提供的直流輸入功率為 （1-6式）諧振功放集電極輸出回路輸出功率等于基波分量在諧振電阻rp上的功率為 （1-7式）集電極的功耗為 （1-8式）放大器集電極能量轉換效率等于輸出功率與電源供給功率之比 （1-9式）甲類狀態(tài)， ， 乙類狀態(tài)， ， 丙類狀態(tài)， ， 工作在丙類狀態(tài)時，效率最高。高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折線法來分析其工作原理和工

6、作狀態(tài)。 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗rp、激勵電壓b、供電電壓vcc、vbb等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調節(jié)放大器，就應該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。 如果vcc、vbb、vb 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻rp決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。電壓、電流隨負載變化波形如圖4所示。圖 4 電壓、電流隨負載變化波形放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為vbemax，在負載電阻rp由小至大變化時，負載線的斜率由小變大，如圖中123。不同的負載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所

7、得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。臨界狀態(tài)時負載線和eb max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。欠壓狀態(tài) 時b點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內，根據vc=rpic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內必隨負載電阻rp的增大而增大，其輸出功率效率的變化也將如此。過壓狀態(tài)時放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載rp的加大，ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。根據上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特性曲線如圖5所示。欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，

8、因此較少采用。但晶體管基極調幅，需采用這種工作狀態(tài)。 過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調幅級常采用這種狀態(tài)。圖5 諧振功率放大器的負載特性曲線調整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負載rp；改變供電電壓vcc；改變偏壓vbb；改變激勵vb。改變rp，但vb、vcc、vbb不變 當負載電阻rp由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經臨界轉入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。改變vcc，但rp、vb、vbb不變 當集電極供電電壓vcc由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經臨

9、界轉入欠壓。vcc變化時對工作狀態(tài)的影響如圖6所示：圖6 vcc變化是對工作狀態(tài)的影響在過壓區(qū)中輸出電壓隨vcc改變而變化的特性為集電極調幅的實現提供依據；因為在集電極調幅電路中是依靠改變vcc來實現調幅過程的。改變vcc時，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如圖7所示。圖7 改變vcc時工作狀態(tài)和電流、功率的變化vcc、vbb、rp不變，vbm變化。當vbm自0向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓狀態(tài)。當vbm自0向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓狀態(tài)。諧振功放的放大 特性是指放大器性能隨vbm 變化的特性，其特

10、性曲線如圖8所示。圖8 vbm 變化的特性2 高頻諧振功率放大器系統(tǒng)方案制定2.1方案提出2.1.1系統(tǒng)電路結構框圖兩級甲類放大器工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器信號輸入信號輸 出圖9系統(tǒng)框圖2.1.2系統(tǒng)功能參數已知：此高頻諧振功率放大器系統(tǒng)電路中，電源供電為12v，負載電阻,rl=51,晶體管用2n2219,其主要參數：pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍）2.2 方案論證在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360度，適用于小信號低功率放大

11、。乙類放大器電流的流通角約等于180度；丙類放大器電流的流通角則小于180度。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。可是若僅僅是用一個功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無法做到如此大的功率放大。綜上，確定電路設計由兩個模塊組成，第一模塊是兩級甲類放大器，第二模塊是一工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因為此時輸出交流功率最大，效率也較高，一般認

12、為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。3 高頻諧振功率放大器系統(tǒng)方案設計3.1各單元模塊功能介紹及電路設計3.1.1兩級甲類諧振放大器模塊根據設計要求與參數計算設計的一級甲類諧振放大器如圖9所示。通過選定基極偏置電阻值等方面使晶體管q1工作在甲類狀態(tài)，其中l(wèi)、c3、c4、r5構成選頻回路，通過調節(jié)可調電容c3使調諧回路選出與輸入信號源相同的頻率，在調諧回路中并聯一電阻r，減小回路品質因數從而加寬通頻帶圖10一級甲類放大電路設計為了提高增益，本次電路采用了兩級甲類放大，其級聯的單元電路如圖10所示。選頻回路參數選擇一致。采用級聯的方式是犧牲通頻帶來換取高的電壓增益的。圖11兩級甲類放大電路設計3.1.2

13、丙類諧振功率放大器模塊 由上述丙類功放參數計算結果結合丙類功放的理論知識設計的單元電路如圖11所示。圖12丙類功放原理圖3.2電路參數的計算及元器件的選擇電路的主要參數有：pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍），選擇兩級甲類放大器放大輸入電壓，再由丙類放大器獲得較高的功率和效率，并由具有濾波作用的調諧回路獲得近似不失真的正弦波信號。3.3 特殊器件的介紹放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360度，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180度；丙類放大

14、器電流的流通角則小于180度。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小?？墒侨魞H僅是用一個功率放大器，不管是甲類或者丙類，都無法做到如此大的功率放大。綜上，確定電路設計由兩個模塊組成，第一模塊是兩級甲類放大器，第二模塊是一工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因為此時輸出交流功率最大，效率也較高，一般認為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。3.4 系統(tǒng)整體電路

15、圖設計的總體電路圖如圖12所示圖 13 設計總圖4 高頻諧振功率放大器系統(tǒng)仿真和調試 4.1 仿真軟件介紹隨著計算機技術飛速發(fā)展，電路設計可以通過計算機輔助分析和仿真技術來完成。計算機仿真在教學中的應用，代替了大包大攬的試驗電路，大大減輕驗證階段的工作量；其強大的實時交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業(yè)教學創(chuàng)設了良好的平臺，并能保存仿真中產生的各種數據，為整機檢測提供參考數據，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數。采用仿真軟件能滿足整個設計及驗證過程的自動化。 multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設計的 eda 工具軟件。作為 windows 下運行的個人桌面電子設計工

16、具， multisim 是一個完整的集成化設計環(huán)境。 multisim的特點：(1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：multisim大大擴充了ewb的元器件庫， 包括基本元件、半導體器件、運算放大器、ttl和cmos數字ic、dac、adc及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過lit公司網站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務。(

17、3)豐富的測試儀器： 除ewb具備的數字萬用表、函數信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉換儀外，multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網絡分析儀。尤其與ewb不同的是：所有儀器均可多臺同時調用。4)完備的分析手段：除了ewb提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設計要求。網絡分析儀和頻譜分析儀。

18、(5)強大的仿真能力：multisim 既可對模擬電路或數字電路分別進行仿真，也可進行數模混合仿真，尤其是新增了射頻(rf) 電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結果可隨時儲存和打印。 本次設計電路就是利用multisim軟件進行繪圖并仿真。4.2 系統(tǒng)仿真實現輸入信號是一個頻率為6.9mhz，峰峰值為150mv的正弦波信號。經過第一級甲類放大器后輸出波形如圖13所示，其峰峰值增大到872mv，將輸入信號電壓放大了。圖14一級放大后波形經過兩級放大后電壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?5.0v，如圖14所示。圖15兩級放大后波形信號最終經過丙類放大器放大，提高其功率與效率

19、，仿真波形如圖圖16丙類放大器輸出波形圖17總電路圖仿真波形4.3 系統(tǒng)測試輸入信號是一個頻率為6.9mhz，峰峰值為150mv的正弦波信號。通過示波器可以測量出經過第一級甲類放大器后的輸出波形的峰峰值達到1.02v,經過兩級放大器后的輸出波形的峰峰值達到了8.12v,最后經過丙類放大器后由示波器測得輸出波形的峰峰值為20.4v。4.4 數據分析 由測得的數據可以得到，輸入信號經一級甲類放大器后，輸入電壓增大了將近7倍，經過兩級甲類放大器后，輸入電壓增大了將近56倍，經過最后一級丙類放大器后，輸入電壓增大了將近140倍。并在總電路圖中通過測量得到輸入信號經過丙類放大器后，電路的功率增益將近20

20、db。5 總結本課程設計利用multisim 軟件平臺對高頻丙類諧振功率放大器進行了仿真研究,給出了其各種外部特性仿真分析結果,現實了其功能驗證. multisim是一個優(yōu)秀的高頻電路仿真分析軟件,其強大的射頻仿真分析功能改變了傳統(tǒng)的高頻電子電路的分析、設計方法,為設計出更合理、更優(yōu)化的電子電路與系統(tǒng)提供了一個快捷、高效的新途徑。6參考文獻參考文獻1 曾興雯. 高頻電子線路m. 高等教育出版社，2004. 2 懂尚斌. 高頻電子線路實驗指導m. 武漢大學電子信息學院，2003. 3 郭維芹. 模擬電子線路實驗m. 同濟大學出版社，1985.4 陸宗逸. 非線性電子線路實驗指導書m. 北京理工大學出版社5 劉騁.高頻電子線路m. 西安:西安電子科技