基于multisim的高頻諧振功率放大器設(shè)計(jì)與仿真—課程設(shè)計(jì)

1、淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2014屆電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 基于multisim的高頻諧振功率 放大器設(shè)計(jì)與仿真 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 屆 別： 14屆 指導(dǎo)教師： 電氣信息工程學(xué)院制基于multisim的高頻諧振功率放大器設(shè)計(jì)與仿真1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)在通信電路中，為了彌補(bǔ)信號(hào)在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出，通信距離越遠(yuǎn)，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(hào)發(fā)射過程中，發(fā)射機(jī)

2、的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)功率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大，如緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)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(shè)計(jì)的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一高頻諧振功率放大器。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求要求的技術(shù)指標(biāo)為：輸出功率po125mw，工作中心頻率fo=6mhz，65%，已知：電源供電為12v，負(fù)載電阻,rl=51,晶體管用2n2219,其主要參數(shù)：pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍）1.3 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角的范圍可分為

3、甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導(dǎo)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(jī)的末級(jí)，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(diǎn)： （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(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。 （3）基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 （4）輸入余弦波時(shí)，經(jīng)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(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振回路

4、lc是晶體管的負(fù)載。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖2所示。圖2 功率放大器各分壓與電流關(guān)系圖3 ic(t)各次諧波的波形示意圖在對(duì)諧振功率放大器進(jìn)行分析與計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項(xiàng)利用周期函數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)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(xiàng)的表達(dá)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(gè)周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級(jí)數(shù)可知，一個(gè)周期性函數(shù)可以分解為許多余弦波（或正弦波）的疊加 ?？梢詫㈦娏鞣纸鉃?（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(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。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(zhuǎn)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(shí)，效率最高。高頻功率放大器因工作于大信號(hào)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(fù)載阻抗rp、激勵(lì)電壓b、供電電壓vcc、vbb等4個(gè)參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個(gè)參量的變化會(huì)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(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4所示。圖 4 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)載線的斜率由小變大，如圖中123。不同的負(fù)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(shí)負(fù)載線和eb max正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(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。過壓狀態(tài)時(shí)放大器的負(fù)載較大，在過壓區(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。根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)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(fù)載阻抗變化而變化，

8、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)。圖5 諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線調(diào)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(fù)載rp；改變供電電壓vcc；改變偏壓vbb；改變激勵(lì)vb。改變r(jià)p，但vb、vcc、vbb不變 當(dāng)負(fù)載電阻rp由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。改變vcc，但rp、vb、vbb不變 當(dāng)集電極供電電壓vcc由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨

9、界轉(zhuǎn)入欠壓。vcc變化時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響如圖6所示：圖6 vcc變化是對(duì)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(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變vcc來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的。改變vcc時(shí)，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(shí)工作狀態(tài)和電流、功率的變化vcc、vbb、rp不變，vbm變化。當(dāng)vbm自0向正值增大時(shí)，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(jìn)入過壓狀態(tài)。當(dāng)vbm自0向正值增大時(shí)，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(jìn)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(jié)構(gòu)框圖兩級(jí)甲類放大器工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器信號(hào)輸入信號(hào)輸 出圖9系統(tǒng)框圖2.1.2系統(tǒng)功能參數(shù)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(fù)載電阻,rl=51,晶體管用2n2219,其主要參數(shù)：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(dǎo)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(hào)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(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)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(gè)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(shè)計(jì)由兩個(gè)模塊組成，第一模塊是兩級(jí)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(jí)最好能工作在臨界狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)輸出交流功率最大，效率也較高，一般認(rèn)

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(shè)計(jì)3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)3.1.1兩級(jí)甲類諧振放大器模塊根據(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(gòu)成選頻回路，通過調(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10一級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)為了提高增益，本次電路采用了兩級(jí)甲類放大，其級(jí)聯(lián)的單元電路如圖10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換取高的電壓增益的。圖11兩級(jí)甲類放大電路設(shè)計(jì)3.1.2

13、丙類諧振功率放大器模塊 由上述丙類功放參數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合丙類功放的理論知識(shí)設(shè)計(jì)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(shù)的計(jì)算及元器件的選擇電路的主要參數(shù)有：pcm=1w,icm=750ma,vces=1.5v,ft=70mhz,hfe10，功率增益ap13db（20倍），選擇兩級(jí)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(diào)諧回路獲得近似不失真的正弦波信號(hào)。3.3 特殊器件的介紹放大器可以按照電流導(dǎo)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(hào)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(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)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(gè)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(shè)計(jì)由兩個(gè)模塊組成，第一模塊是兩級(jí)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(jí)最好能工作在臨界狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)輸出交流功率最大，效率也較高，一般認(rèn)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(shè)計(jì)的總體電路圖如圖12所示圖 13 設(shè)計(jì)總圖4 高頻諧振功率放大器系統(tǒng)仿真和調(diào)試 4.1 仿真軟件介紹隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，電路設(shè)計(jì)可以通過計(jì)算機(jī)輔助分析和仿真技術(shù)來完成。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，大大減輕驗(yàn)證階段的工作量；其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀性，為電子專業(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)。采用仿真軟件能滿足整個(gè)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程的自動(dòng)化。 multisim軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(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

16、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)線將它們連接起來，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)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：multisim大大擴(kuò)充了ewb的元器件庫， 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(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。(

17、3)豐富的測(cè)試儀器： 除ewb具備的數(shù)字萬用表、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)一零點(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(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀。

18、(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。 本次設(shè)計(jì)電路就是利用multisim軟件進(jìn)行繪圖并仿真。4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為6.9mhz，峰峰值為150mv的正弦波信號(hào)。經(jīng)過第一級(jí)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(hào)電壓放大了。圖14一級(jí)放大后波形經(jīng)過兩級(jí)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(jí)放大后波形信號(hào)最終經(jīng)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(cè)試輸入信號(hào)是一個(gè)頻率為6.9mhz，峰峰值為150mv的正弦波信號(hào)。通過示波器可以測(cè)量出經(jīng)過第一級(jí)甲類放大器后的輸出波形的峰峰值達(dá)到1.02v,經(jīng)過兩級(jí)放大器后的輸出波形的峰峰值達(dá)到了8.12v,最后經(jīng)過丙類放大器后由示波器測(cè)得輸出波形的峰峰值為20.4v。4.4 數(shù)據(jù)分析 由測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得到，輸入信號(hào)經(jīng)一級(jí)甲類放大器后，輸入電壓增大了將近7倍，經(jīng)過兩級(jí)甲類放大器后，輸入電壓增大了將近56倍，經(jīng)過最后一級(jí)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(cè)量得到輸入信號(hào)經(jīng)過丙類放大器后，電路的功率增益將近20

20、db。5 總結(jié)本課程設(shè)計(jì)利用multisim 軟件平臺(tái)對(duì)高頻丙類諧振功率放大器進(jìn)行了仿真研究,給出了其各種外部特性仿真分析結(jié)果,現(xiàn)實(shí)了其功能驗(yàn)證. multisim是一個(gè)優(yōu)秀的高頻電路仿真分析軟件,其強(qiáng)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(shè)計(jì)方法,為設(shè)計(jì)出更合理、更優(yōu)化的電子電路與系統(tǒng)提供了一個(gè)快捷、高效的新途徑。6參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)m. 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，2003. 3 郭維芹. 模擬電子線路實(shí)驗(yàn)m. 同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.4 陸宗逸. 非線性電子線路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書m. 北京理工大學(xué)出版社5 劉騁.高頻電子線路m. 西安:西安電子科技