基于Multisim高频功率放大器设计

目录摘要······························（错误!未定义书签。）0引言..................................（错误!未定义书签。）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...........................（1错误!未定义书签。）4电路仿真与结果分析.................................（15）4.1multisim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）第1页（共20页）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。第2页（共20页）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20000Hz，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（535－1605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz，如中心频率取为1000kHz，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，第3页（共20页）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。第4页（共20页）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。第5页（共20页）图2功率放大器各分压与电流关系由图3iC(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10maxmax01SinCoscccCosIii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012()2CccmcmcnmitIIICostICosnt012ccmcmcnmIIII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第6页（共20页）11maxmax11SinCosIcmicicCosmax2max22231ccmciSinCosSinCosIiCosmax2max333121ccmciSinCosSinCosIiCos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DCDCCOPUI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1012pIcmUcm集电极的功耗为CDCoPPp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11111120202poICUcmgPDCICUCC甲类状态，180c，50%乙类状态，90c，78.5%丙类状态，60c，89%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、供电电压第7页（共20页）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、VB3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1→2→3。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ebmax正好第8页（共20页）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，放第9页（共20页）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6Vcc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