高频功率放大器的设计及仿真

)只要知道电流脉冲的最大值和导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。3.3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3-3所示。图3-3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Vbemax正好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。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。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3-4所示。图3-4谐振功率放大器的负载特性曲线4.高频放大器相关参数简单计算4.1甲类谐振放大器参数计算依据设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器。（1）设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般0.8—2mA之间选取为宜。设计电路中取：Ic=1.5mA；Re=1KΩ可得重要参数：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）谐振回路参数计算回路总电容：CZ=1/[(2πf0)2L]=150.35pf回路电容：C=CZ-(p12*Coe)=150.35pf-(12*7pf)=143.04pf（3）确定其它电容参数耦合电容C1、C2的值，可在1000pf—0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。旁路电容Ce、C3、C4的取值一般为0.01—1uf4.2丙类功放参数计算确定功放的工作状态丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态。丙类功放θc=60°—90°，这里为方便计算，设θc=70°。可得集电极电流余弦脉冲直流ICO系数α0(70°)=0.25，集电极电流余弦脉冲基波ICM1系数α1(70°)=0.44。设功放的输出功率为0.5W。（1）集电极参数计算集电极电流脉冲的直流分量：ICO=ICmax*α0(θc)=216*0.25=54mA电源提供的直流功率：PD=VCCICO=12V*54mA=0.65w集电极的耗散功率：PC=PD-PO=0.65w-0.5w=0.15w集电极的效率：η=PO/PD=0.5/0.65=77%（2）基极参数计算基极基波电流的振幅IB1m=IBm*α1(70°)=9.5mA基极输入的电压振幅VBm=2Pi/IB1m=5.3V（3）电源去耦滤波元件选择高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，滤波电感可按经验取50—100uH，滤波电感一般取0.01uf。5.高频功率放大器电路设计5.1甲类谐振放大器根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图5-1所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L1、L2、C3、C4、R5构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带。图5-1一级甲类放大电路设计为了提高增益，本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图5-2所示。选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。图5-2两级甲类放大电路设计5.2丙类高功放由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图3-2-3所示。图5-3丙类功放原理图5.3总体电路图设计设计的总体电路图如图5-4所示图5-4高频功率放大器设计总图6.电路仿真6.1所用软件Multisim简介随着计算机技术飞速发展，许多电路设计都可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻了工作量。其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim的特点：（1）直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。（2）丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。（3）丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是，所有仪器均可多台同时调用。（4）完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点——零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。网络分析仪和频谱分析仪。（5）强大的仿真能力：Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。本次课程设计电路就是利用Multisim软件进行绘图并仿真的。6.2仿真测试电路仿真测试电路如图6-1所示，其中示波器1通道测输入信号源波形，2通道测一级甲类放大电路输出波形，3通道测二级甲类放大电路输出波形，4通道测丙类功放的最终输出波形。当可变电容C3调到70%，C6调到45%时，输出波形较为稳定，放大效果较好。此时可发现LED发光，表示功率放大器正常工作，即电压合适。图6-1仿真测试电路6.3仿真波形6.3.1输入信号仿真波形输入波形信号如图6-2所示，由仿真示波器可以看到输入信号是一个频率为5.85MHz，峰峰值为99.8mv的正弦波信号。图6-2输入信号6.3.2一级甲类放大波形经过第一级甲类放大器后输出波形如图6-3所示，其峰峰值增大到527mv，将输入信号电压放大了。图6-3一级放大后波形6.3.3两级甲类放大波形经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为1.61v，如图6-4所示。图6-4两级放大后波形6.3.4最终输出波形信号最终经过丙类放大器放大，峰峰值变为11.4V，提高其功率与效率，仿真波形如图6-5所示。图6-5丙类放大器输出波7.结果分析由于高频放大器由甲类，丙类混合组成。实验需要将仿真测试电路主机调试，直到出现稳定，理想的正弦波为止。在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析；另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性。8.心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次的高频功放课设，加深了对电子电路理论知识的理解，学会使用Multisim软件进行仿真与调试，提高了自己的实验动手能力，对今后的学习和工作都有很大的帮助。回顾起此次高频课程设计，我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两星期的日子里，我们遇到过很多麻烦。如：调试电路时发现波形不稳，放大倍数不够高等问题。但我们都通过讨论解决了。我们从中学到了很多东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有的知识。通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中，也发现了自己许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次设计的实验参数计算比较复杂，不仅要参考一定资料，还要自己对各参数的意义有一定的理解。若计算参数不对，将会直接影响到实验的结果。9.参考文献[1]曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析（第四版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2009.[3]张肃文.高频电子线路（第三版）[M].北京：高