基于Multisim13的高頻諧振功率放大器仿真研究

陶彬彬，張 靜

0 引言

“高頻電子線路”是電子專業(yè)與通信專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式和分析方法比較多，與工程結(jié)合較為緊密[1].高頻功率放大器是高頻電子線路課程中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，其不僅涉及到電路、模電、信號(hào)與系統(tǒng)、高等數(shù)學(xué)等眾多知識(shí)點(diǎn)，而且電路狀態(tài)分析困難、繁瑣，使得同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)高頻功率放大器的時(shí)候比較困難并且效果也不理想.只有通過實(shí)驗(yàn)才能更好理解所學(xué)理論知識(shí)，熟練運(yùn)用相關(guān)概念和分析方法處理實(shí)際電路中出現(xiàn)的問題.但是目前許多高頻實(shí)驗(yàn)箱比較容易出現(xiàn)問題，使得有些實(shí)驗(yàn)無法得到理想的結(jié)果，反而加重學(xué)生的困惑[2].而運(yùn)用Multisim電路仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真分析，簡(jiǎn)便、直觀、準(zhǔn)確，不僅可以克服實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的誤差，還可以提高同學(xué)們電路設(shè)計(jì)的能力.

很多學(xué)者已經(jīng)將Multisim軟件用于高頻電子線路的仿真，并取得理想的效果[3]-[7].

本文主要是運(yùn)用Multisim13仿真軟件對(duì)高頻功率放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，主要進(jìn)行集電極脈沖波形觀察、頻譜分析，可以克服試驗(yàn)箱不易觀察集電極脈沖的情況；實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行負(fù)載特性分析的時(shí)候測(cè)量電阻需要斷電測(cè)量，比較麻煩，而且不夠準(zhǔn)確，本文使用Multisim的參數(shù)分析進(jìn)行負(fù)載特性分析，集電極特性分析，方便，快捷，準(zhǔn)確，直觀.運(yùn)用瓦特表進(jìn)行輸出功率的測(cè)量，計(jì)算效率.

1 高頻功率放大器的原理

高頻功率放大器也稱丙類功放，它是一種能量轉(zhuǎn)換器件，可以將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出.高頻諧振功率放大器是無線通信系統(tǒng)發(fā)送端的重要組成部分，作用是對(duì)待發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大，以產(chǎn)生所需要的功率，以滿足天線和負(fù)載要求[8][9].

1.1 電路組成

丙類功放原理如圖1所示，VBB為基極偏置電壓，使放大器工作于丙類，其值通常為0或者為負(fù)值，LC回路調(diào)諧于輸入信號(hào)的中心頻率，構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，RL為功放外接等效負(fù)載電阻.VCC為集電極直流電源.

圖1 高頻功率放大器原理圖

1.2 電壓、電流波形

輸入信號(hào)電壓ui=Vbmcosωt，則加到晶體管基極，發(fā)射級(jí)的有效電壓為:uBE=ui+VBB=Vbmcosωt+VBB，由晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線（圖2）可以看出：當(dāng)uBE＜VBZ，ic=0， 當(dāng) uBE＞VBZ，ic=gc(UBE-VBZ)，ic=gc(Vbmcosωt+VBB-VBZ)為余弦脈沖，由于當(dāng) ωt=θ 時(shí)，ic=0，當(dāng)ωt=0 時(shí)，ic=icmax，

因此，ic=gc[Vbmcosωt-(VBZ-VBB)]=gc[Vbmcosωt-Vbmcosθc]=gcVbm[cosωt-cosθc]，尖頂余弦脈沖的數(shù)學(xué)表達(dá)式，余弦脈沖為周期信號(hào)，進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開為 ic=Ic0+Icm1cosωt+Icm2cosω2t+…+Icmncosωnt+…，

計(jì)算可得各系數(shù)為：

式中：α0(θc)，α1(θc)，αn(θc)稱為尖頂余弦脈沖的分解系數(shù).一般可以根據(jù)θc數(shù)值查表求出各分解系數(shù)的值.Ic0，Ic1，Icn分別為直流、基波、n次諧波的振幅.通過LC選頻網(wǎng)絡(luò)可以將基波信號(hào)取出，濾除高次諧波和直流，得到無失真的余弦信號(hào)，即基波信號(hào).基波信號(hào)與輸入信號(hào)相比同頻反相，幅度放大.

圖2 高頻諧振功率放大器電壓與電流關(guān)系

圖3 集電極脈沖隨著RL變化

1.3 諧振功率放大器工作狀態(tài)與負(fù)載特性

VCC、VCC、ui不變時(shí)，放大器的電流、電壓、功率和效率等隨諧振回路的諧振電阻RL變化的特性稱為放大器的負(fù)載特性.

圖4 負(fù)載特性

由圖3、圖4可以看出隨著RL，放大器的工作狀態(tài)逐漸從欠壓到臨界到過壓，集電極脈沖逐漸減小并在過壓時(shí)出現(xiàn)凹陷，直流IC0、基波IC1逐漸變小，基波電壓Ucm逐漸增大，輸出功率P0在臨界狀態(tài)最大，效率ηc在弱過壓時(shí)最大.

1.4 VCC對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響

RL、VBB、Vbm不變，VCC時(shí)，使放大器從過壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)過渡到欠壓區(qū).由圖6圖7可以看出，隨著集電極直流電壓VCC得增大，放大器的工作狀態(tài)逐漸從過壓到臨界再到欠壓，對(duì)應(yīng)集電極脈沖逐漸增大，過壓區(qū)出現(xiàn)凹陷.直流IC0、基波IC1、基波電壓Ucm逐漸增大.

圖6 集電極特性

圖7 集電極脈沖隨著VCC的變化

2 仿真分析

2.1 集電極電流觀察

如圖8所示電路圖，首先觀察集電極脈沖，集電極脈沖在高頻實(shí)驗(yàn)箱里不易觀察，本實(shí)驗(yàn)在觀察集電極脈沖時(shí)需要把開關(guān)打到負(fù)載為純電阻端即3號(hào)端，這樣集電極得到的余弦脈沖電流沒有經(jīng)過濾波，直接在R2上產(chǎn)生電壓icR2，此電壓與余弦脈沖電流同頻同相，所以測(cè)量此電壓波形、頻譜特征可以很好的反映ic特征.通過示波器觀察波形，如圖9所示，從圖9可以，基極輸入余弦信號(hào)，集電極出現(xiàn)周期性余弦脈沖，周期與輸入信號(hào)一致，幅值放大.圖10為集電極電壓得頻譜分析，可以看出，包含直流、基波、二次諧波等多個(gè)頻率分量，與理論分析一致.

圖8 仿真電路圖1

當(dāng)開關(guān)打到6號(hào)端，此時(shí)負(fù)載為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路端，諧振頻率為基波頻率1MHz，得到如圖11所示的波形，從圖11可以看出，輸出信號(hào)（綠色）與輸入信號(hào)（紅色）同頻，反相，幅值放大.集電極頻譜分析如圖12所示，單頻信號(hào)1MHz.與理論一致.

圖9 集電極輸出（純電阻）

圖10 集電極電壓頻譜分析（尖頂脈沖）

圖11 集電極輸出（諧振回路）

圖12 集電極電壓頻譜分析（余弦信號(hào)）

2.2 特性分析

在實(shí)驗(yàn)室用高頻實(shí)驗(yàn)箱觀察信號(hào)的負(fù)載特性、集電極特性常常比較麻煩，也不夠準(zhǔn)確，用Multisim電路仿真軟件不僅方便，而且直觀，誤差小，別是觀察負(fù)載特性時(shí)避免了斷電測(cè)量電阻的麻煩和不準(zhǔn)確.只需要用Multisim仿真軟件中的參數(shù)分析即可完成[10].仿真電路圖8開關(guān)打至6諧振回路模式.

圖13 負(fù)載特性（集電極脈沖）

選擇參數(shù)分析，分析負(fù)載變化對(duì)集電極脈沖電流的影響得到結(jié)果如圖13所示，從圖13可以看出，隨著負(fù)載電阻RL（R1）增大，尖頂脈沖逐漸減小，在10kΩ和20kΩ出現(xiàn)凹陷，說明隨著負(fù)載電阻RL（R1）的增大，放大器的工作狀態(tài)逐漸從欠壓到臨界到過壓區(qū).在參數(shù)分析中選擇分析輸出基波電壓Ucm隨著負(fù)載 RL變化得到圖 14（a）和圖 14（b）.從圖14（a）和圖14（b）可以看出集電極輸出基波電壓隨著RL增大而增大，過壓狀態(tài)增長(zhǎng)緩慢，欠壓區(qū)增長(zhǎng)快.

圖14 （a） 集電極基波電壓

圖14 （b） 集電極基波電壓（光標(biāo)指示）

圖 15（a）和圖 15（b）為集電極調(diào)制特性圖，隨著VCC的增大，集電極輸出基波電壓Ucm幅度逐漸增大，放大器的工作狀態(tài)從過壓到臨界到欠壓，欠壓區(qū)電壓振幅不再增大，過壓區(qū)電壓變化比較大.

圖15 （a） 集電極調(diào)制特性

2.3 輸出功率

高頻諧振功率放大器兩個(gè)重要的指標(biāo)：一個(gè)是輸出功率，另一個(gè)是效率，仿真電路圖如圖16所示，接入瓦特表測(cè)量輸出功率，并接入U(xiǎn)1測(cè)量直流電流，通過改變RL，VCC觀察輸出功率，并計(jì)算效率得到表1表2：

圖15 （b） 集電極調(diào)制特性（電壓光標(biāo)指示）

從表1可以看出，負(fù)載電阻不變，VCC逐漸增大，由過壓向臨界再到欠壓過度，直流IC0，輸出功率P0逐漸增大，進(jìn)入欠壓區(qū)以后IC0，P0都基本不變，但是效率過壓區(qū)的比較高，欠壓區(qū)較低.與理論一致.

表1 VCC對(duì)輸出功率的影響

表2 RL對(duì)輸出功率的影響

從表1可以看出，VCC不變，負(fù)載電阻逐漸增大，放大器工作狀態(tài)從欠壓到過壓過程，直流IC0呈下降趨勢(shì)，輸出功率P0先增大后減少，臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率逐漸增大，弱過壓區(qū)效率最高.與理論一致.

3 小結(jié)

通過使用Multisim仿真軟件進(jìn)行了集電極脈沖波形觀察、頻譜分析，集電極特性、負(fù)載特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果直觀、清晰，與理論一致.不僅可以增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)理論的理解和掌握，還能夠提高他們的電路仿真和設(shè)計(jì)能力.