multisim畢業(yè)論文

1、1引 言在通信電路中，高頻功率放大器作為發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，能夠彌補(bǔ)信號在無線傳輸過程中的衰耗。由于通信距離越遠(yuǎn)對輸出功2率的要求越大，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采用高頻功率放大器。針對高頻功率放大器的工作頻率高，3相對頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。近年來,針對功率放大器設(shè)計(jì)的各種研究不斷涌現(xiàn),對功率放大器的性能進(jìn)行優(yōu)化的算法不斷出現(xiàn)。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結(jié)合了

2、直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，我們可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，我們能在設(shè)計(jì)流程中提早對電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測量。高頻功率放大器有關(guān)理論知識作介紹，在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)最后設(shè)計(jì)出整體電路圖，在軟件中仿真驗(yàn)證是否達(dá)到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，增強(qiáng)對功率放大器的整體認(rèn)識。第一章

3、高頻功率放大器高頻功率放大4器用于發(fā)射機(jī)的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。1.1?高頻功率放大器知識簡介?在通信電5路中，為了彌補(bǔ)信號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)射設(shè)備的重要組成部分。在無線電信號發(fā)射過程中，6發(fā)射機(jī)的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號功率很小，因此在它后面要經(jīng)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

4、夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。這里提到的放大級都屬于高頻功率放大器的范疇。實(shí)際上高頻功率放大器不僅僅應(yīng)用于各種類型的發(fā)射機(jī)中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)用。?高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000?Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)

5、幅廣播電臺（5351605?kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10?kHz，如中心頻率取為1000?kHz，則相對頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn)，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。?高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重7要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率

6、放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。1.2.高頻放大器的分類?根據(jù)相對工作頻帶的寬窄不同，高頻功率放大器可分為窄帶型和寬帶型兩大類。?1.?窄帶型高頻功率放大器?窄帶高頻功率放大器的特點(diǎn)是以具有選頻電路作為輸出回路，8根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)又將其稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器。?2.?寬帶型高頻功率放大器?寬帶高頻功率放大器與窄帶高頻功率放大器不同的是其輸出電路是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，故而又稱為非調(diào)諧功率放大器。無論是窄帶型高頻功率放

7、大器還是寬帶型高頻功率放大器，它們都是一種將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出得能量轉(zhuǎn)換器件。它們都具有這樣的特點(diǎn)：采用諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載；一般工作在丙類或乙類狀態(tài)；工作頻率和相對通頻帶相差很大；技術(shù)指標(biāo)要求輸出功率大、效率高。13高頻功率放大器的主9要技術(shù)指標(biāo)?高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。?在高頻功率放大器中，10為滿足結(jié)它的輸出功率和效率的要求，并有較高的功率增益，除正選擇放大器的工作狀態(tài)外，還必須正確設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。?無論是輸

8、入匹配網(wǎng)絡(luò)還是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它們都具有傳輸有用信11號的作用，故又稱為耦合電路。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在求它具有濾波和阻抗變換功能，即濾除各次分量，使負(fù)載上只有基波電壓；將外接負(fù)載RL變換成諧振功放所要求的負(fù)載電阻R，以保證放大器輸出所需的功率。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)也稱濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，要求它把放大器的輸入阻抗變換為前級信號源所需的負(fù)載阻抗，使電路能從前級信號源獲得盡可能大的激勵(lì)功率。根據(jù)高頻功率放大器的工作是否進(jìn)入飽和區(qū)，12可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過壓和臨界三種。若晶體管在任何時(shí)刻都工作在放大狀態(tài)，稱為放大器工作在欠壓狀態(tài)（欠壓區(qū)）；若晶體管工作時(shí)有部分時(shí)間進(jìn)入飽和區(qū)，稱放大器工

9、作在過壓狀態(tài)。若剛剛進(jìn)入飽和區(qū)的邊緣，稱放大器工作在臨界狀態(tài)。第二章 電路工作原理及電路選擇2.113電路工作原理利用寬帶變壓器作耦合回路的功放稱為寬帶功放。常用寬帶變壓器有用高頻磁芯繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功放不需要調(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作為發(fā)射機(jī)的中間級，以提供較大的激勵(lì)功率。能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，14由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置中。在高頻電路中，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c（0）的范圍可分為甲類、乙類、

10、丙類和丁類等功放。電流導(dǎo)通角c越小放大器的效率越高。如丙類功放的c小于90°，?丙類功放通常作為發(fā)射機(jī)的末級，以獲得較大的輸出功率和較高的功率。2.2?電路的選擇?高頻功率放大15器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在“低頻電子線路”課程中已知，放大器

11、可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲類（導(dǎo)通角=360度）、乙類（導(dǎo)通角=180度）、甲乙類（導(dǎo)通角=180度360度）。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，因而不能用于低頻功率放大，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。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是上述幾種工作狀態(tài)中最高的。高頻功率放

12、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。?可是若僅僅是用一個(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，確定此高頻電路由兩個(gè)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，它作為功放輸出級，最好能工作在臨界狀態(tài)。16此時(shí)，輸出交流功率達(dá)到最大，效率也較高，一般認(rèn)為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。2.3元件參數(shù)選取?a)?功率放大器管:選用Philips公司的NPN型高壓晶體管(2N2219)作為放大管。?b)?直流電源:

13、根據(jù)設(shè)計(jì)要17求放大器的電源電壓初始值均取+12V。?c)?甲類功率放大器的調(diào)諧回路由L1和C2組成,?根據(jù)諧振頻率公式:?f?=?1?/2LC?及工作中心頻率為14.5?MHz,取參數(shù)為L1=500nH,C2?=1uF,丙類功率放大器的調(diào)諧回路18由L3、C6、C7組成,為使甲類功率放大器集電極的輸出信號能在丙類功率放大器產(chǎn)生諧振,兩功率放大器調(diào)諧回路的諧振頻率應(yīng)一致,因此,取L3=500nH,C7=51pF。C6(最大值350pF)用來微調(diào)調(diào)諧回路的諧振頻率,保證丙類功率放大器的輸入信號產(chǎn)生諧振。19?d)?甲類放大器參數(shù)選取?甲類功率放大器的靜態(tài)偏置由R1、R4、R2和R3?組成。R1、

14、R2?一般在同一數(shù)量級,取R1=2k,?R2最大值為15k,通過調(diào)節(jié)R2改變?nèi)龢O管基極Q點(diǎn)電壓,即改變放大器增益,?R2取值越大時(shí)Q點(diǎn)電壓越大。取R4=10,R3最大值為6.8k,通過調(diào)節(jié)R3改變輸出信號增益,R3不宜過大,否則會(huì)影響增益。此外,C5為射極旁路電容,有效地控制了由于射極電阻R3、R4而引起電壓增益下降的問題。20在高頻電路中射極旁路電容取值一般較小,這里取C5=470pF。e)?丙類功率放大器參數(shù)選取?丙類功率放大器三極管Q2的be間負(fù)偏壓由L2、R5、C4組成的電路產(chǎn)生,L2起到傳送直流、隔離交流的作用,使得R5兩端為直流電壓。取L2=1uH,R5=1k,C4=51pF。Q2

15、射極電阻由R7、R8組成,?取R7=22k,?R7最大值為22k,21通過調(diào)節(jié)R7改變丙類功率放大器增益,?R7取值不宜過大,否則會(huì)降低增益。L4、C8、C9組成濾波回路,減小集電極輸出信號的失真。C8、C10一般取等值,這里取C8=C9=1.5nF,L4?=1H。22?f)?外接負(fù)載分別取51,?150,?680。3個(gè)電阻的取值差異較大是為了后面仿真測試丙類功率放大器的特性做準(zhǔn)備。?g)?C1、C2以及C9、C10、C11均為隔直電容,其作用是傳送交流,隔離直流。在高頻電路中隔直電容取值一般較小,這里取C1=100nF,C3=1uF,C9=C11=100nF,C10=1.5nF。綜上所得電路

16、設(shè)計(jì)總圖為2-1所示：圖2-1 電路設(shè)計(jì)總圖第三章 電路仿真3.1所用軟件Multisim簡介?隨23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)直觀性，為電子專業(yè)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測提供參考數(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)工具，Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。3.2 Mult

17、isim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，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(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)。?（3）豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、

18、24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(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。?（5）強(qiáng)大的仿真能力：Multisim?既可對模擬電路或

19、數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)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(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)儲存和打印。?本次畢業(yè)論文設(shè)計(jì)電路就是利用Multisim軟件進(jìn)行繪圖并仿真的。33?仿真測試電路?仿真測試電路如圖253-1所示，其中示波器1通道測輸入信號源波形，2通道測一級甲類放大電路輸出波形，3通道測二級甲類放大電路輸出波形，264通道測丙類功放的最終輸出波形。 3-1仿真測試電路在電路中使可變電容C3調(diào)到50%，C6調(diào)到50%時(shí)，所得電路仿真結(jié)果失真，其波形如圖所示經(jīng)過多次試驗(yàn)變換數(shù)值進(jìn)行仿真測試得到最佳設(shè)計(jì)仿真測試電路圖，如圖3-2所示：3-2 最佳仿真測試電路當(dāng)可變電容C3調(diào)27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。結(jié)果分析：由于高頻放大器由兩級甲類放大器和一級丙類放大器混合組成。實(shí)驗(yàn)需要將仿真測試電路主機(jī)調(diào)試，直到出現(xiàn)穩(wěn)定，理想的正弦波為止。?在仿真測試的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)28稍微修改輸入信號參數(shù)就會(huì)影響輸出波形質(zhì)量，經(jīng)百度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)置問題，這就需要對電路再進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的測量分析；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，當(dāng)改變其中某一個(gè)數(shù)值時(shí)，會(huì)影響仿真結(jié)果，如下：關(guān)于同時(shí)改變選頻、濾波