高頻功率放大器的設(shè)計(jì)及仿真

)只要知道電流脈沖的最大值和導(dǎo)通角即可計(jì)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(shì)是諧波次數(shù)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。3.3功率放大器的負(fù)載特性如果VCC、VBB、VB3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時(shí)，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(fù)載特性。電壓、電流隨負(fù)載變化波形如圖3-3所示。圖3-3電壓、電流隨負(fù)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(fù)載電阻RP由小至大變化時(shí)，負(fù)載線(xiàn)的斜率由小變大，如圖中1→2→3。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的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(shí)負(fù)載線(xiàn)和Vbemax正好相交于臨界線(xiàn)的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線(xiàn)狀態(tài)時(shí)，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(shí)B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)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(guò)壓狀態(tài)時(shí)放大器的負(fù)載較大，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)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。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(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。過(guò)壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過(guò)壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。根據(jù)上述分析，可以畫(huà)出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線(xiàn)如圖3-4所示。圖3-4諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線(xiàn)4.高頻放大器相關(guān)參數(shù)簡(jiǎn)單計(jì)算4.1甲類(lèi)諧振放大器參數(shù)計(jì)算依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器。（1）設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流ICQ一般0.8—2mA之間選取為宜。設(shè)計(jì)電路中?。篒c=1.5mA；Re=1KΩ可得重要參數(shù)：VBQ=VEQ+VBEQ=1.5V+0.7V=2.2VVCEQ=VCC-VEQ=12V-1.5V=10.5VRb2=VBQ/10IBQ=2.2V/0.3mA=7.3KΩ（2）諧振回路參數(shù)計(jì)算回路總電容：CZ=1/[(2πf0)2L]=150.35pf回路電容：C=CZ-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf（3）確定其它電容參數(shù)耦合電容C1、C2的值，可在1000pf—0.01uf之間選擇，一般用瓷片電容。旁路電容Ce、C3、C4的取值一般為0.01—1uf4.2丙類(lèi)功放參數(shù)計(jì)算確定功放的工作狀態(tài)丙類(lèi)高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過(guò)壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過(guò)壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)。丙類(lèi)功放θc=60°—90°，這里為方便計(jì)算，設(shè)θc=70°。可得集電極電流余弦脈沖直流ICO系數(shù)α0(70°)=0.25，集電極電流余弦脈沖基波ICM1系數(shù)α1(70°)=0.44。設(shè)功放的輸出功率為0.5W。（1）集電極參數(shù)計(jì)算集電極電流脈沖的直流分量：ICO=ICmax*α0(θc)=216*0.25=54mA電源提供的直流功率：PD=VCCICO=12V*54mA=0.65w集電極的耗散功率：PC=PD-PO=0.65w-0.5w=0.15w集電極的效率：η=PO/PD=0.5/0.65=77%（2）基極參數(shù)計(jì)算基極基波電流的振幅IB1m=IBm*α1(70°)=9.5mA基極輸入的電壓振幅VBm=2Pi/IB1m=5.3V（3）電源去耦濾波元件選擇高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π型LC低通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗(yàn)取50—100uH，濾波電感一般取0.01uf。5.高頻功率放大器電路設(shè)計(jì)5.1甲類(lèi)諧振放大器根據(jù)設(shè)計(jì)要求與參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)的一級(jí)甲類(lèi)諧振放大器如圖5-1所示。通過(guò)選定基極偏置電阻值等方面使晶體管Q1工作在甲類(lèi)狀態(tài)，其中L1、L2、C3、C4、R5構(gòu)成選頻回路，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電容C3使調(diào)諧回路選出與輸入信號(hào)源相同的頻率，在調(diào)諧回路中并聯(lián)一電阻R，減小回路品質(zhì)因數(shù)從而加寬通頻帶。圖5-1一級(jí)甲類(lèi)放大電路設(shè)計(jì)為了提高增益，本次電路采用了兩級(jí)甲類(lèi)放大，其級(jí)聯(lián)的單元電路如圖5-2所示。選頻回路參數(shù)選擇一致。采用級(jí)聯(lián)的方式是犧牲通頻帶來(lái)?yè)Q取高的電壓增益的。圖5-2兩級(jí)甲類(lèi)放大電路設(shè)計(jì)5.2丙類(lèi)高功放由上述丙類(lèi)功放參數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合丙類(lèi)功放的理論知識(shí)設(shè)計(jì)的單元電路如圖3-2-3所示。圖5-3丙類(lèi)功放原理圖5.3總體電路圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的總體電路圖如圖5-4所示圖5-4高頻功率放大器設(shè)計(jì)總圖6.電路仿真6.1所用軟件Multisim簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，許多電路設(shè)計(jì)都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析和仿真技術(shù)來(lái)完成。計(jì)算機(jī)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，代替了大包大攬的試驗(yàn)電路，大大減輕了工作量。其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀(guān)性，為電子專(zhuān)業(yè)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測(cè)提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。Multisim軟件是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電子線(xiàn)路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。Multisim的特點(diǎn)：（1）直觀(guān)的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線(xiàn)將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線(xiàn)如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。（2）豐富的元器件庫(kù)：Multisim大大擴(kuò)充了EWB的元器件庫(kù)，包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶(hù)可通過(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過(guò)liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。（3）豐富的測(cè)試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是，所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。（4）完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點(diǎn)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(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)——零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)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(hù)定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿(mǎn)足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀。（5）強(qiáng)大的仿真能力：Multisim既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。本次課程設(shè)計(jì)電路就是利用Multisim軟件進(jìn)行繪圖并仿真的。6.2仿真測(cè)試電路仿真測(cè)試電路如圖6-1所示，其中示波器1通道測(cè)輸入信號(hào)源波形，2通道測(cè)一級(jí)甲類(lèi)放大電路輸出波形，3通道測(cè)二級(jí)甲類(lèi)放大電路輸出波形，4通道測(cè)丙類(lèi)功放的最終輸出波形。當(dāng)可變電容C3調(diào)到70%，C6調(diào)到45%時(shí)，輸出波形較為穩(wěn)定，放大效果較好。此時(shí)可發(fā)現(xiàn)LED發(fā)光，表示功率放大器正常工作，即電壓合適。圖6-1仿真測(cè)試電路6.3仿真波形6.3.1輸入信號(hào)仿真波形輸入波形信號(hào)如圖6-2所示，由仿真示波器可以看到輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為5.85MHz，峰峰值為99.8mv的正弦波信號(hào)。圖6-2輸入信號(hào)6.3.2一級(jí)甲類(lèi)放大波形經(jīng)過(guò)第一級(jí)甲類(lèi)放大器后輸出波形如圖6-3所示，其峰峰值增大到527mv，將輸入信號(hào)電壓放大了。圖6-3一級(jí)放大后波形6.3.3兩級(jí)甲類(lèi)放大波形經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后電壓增益提高了，峰峰值變?yōu)?.61v，如圖6-4所示。圖6-4兩級(jí)放大后波形6.3.4最終輸出波形信號(hào)最終經(jīng)過(guò)丙類(lèi)放大器放大，峰峰值變?yōu)?1.4V，提高其功率與效率，仿真波形如圖6-5所示。圖6-5丙類(lèi)放大器輸出波7.結(jié)果分析由于高頻放大器由甲類(lèi)，丙類(lèi)混合組成。實(shí)驗(yàn)需要將仿真測(cè)試電路主機(jī)調(diào)試，直到出現(xiàn)穩(wěn)定，理想的正弦波為止。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號(hào)參數(shù)就會(huì)影響輸出波形質(zhì)量，經(jīng)與同學(xué)討論可能有以下兩方面原因：一方面可能是靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置問(wèn)題，這就需要對(duì)電路再進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量分析；另一方面可能是選頻、濾波回路L、C等參數(shù)設(shè)置的影響，這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。由仿真結(jié)果及觀(guān)察波形可知，所設(shè)計(jì)的高頻功率放大器基本滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)任務(wù)要求。經(jīng)過(guò)第一第二級(jí)甲類(lèi)放大器后電壓幅值增大了，最終輸出也大大提高了輸出功率，因此也驗(yàn)證了理論知識(shí)的正確性和設(shè)計(jì)方法的可行性。8.心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。通過(guò)這次的高頻功放課設(shè)，加深了對(duì)電子電路理論知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)使用Multisim軟件進(jìn)行仿真與調(diào)試，提高了自己的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，對(duì)今后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助?；仡櫰鸫舜胃哳l課程設(shè)計(jì)，我感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在將近兩星期的日子里，我們遇到過(guò)很多麻煩。如：調(diào)試電路時(shí)發(fā)現(xiàn)波形不穩(wěn)，放大倍數(shù)不夠高等問(wèn)題。但我們都通過(guò)討論解決了。我們從中學(xué)到了很多東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了自己許多不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜，不僅要參考一定資料，還要自己對(duì)各參數(shù)的意義有一定的理解。若計(jì)算參數(shù)不對(duì)，將會(huì)直接影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。9.參考文獻(xiàn)[1]曾興雯，劉乃安.高頻電路原理與分析（第四版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.[2]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2009.[3]張肅文.高頻電子線(xiàn)路（第三版）[M].北京：高