基于Multisim的高頻功率放大器.doc

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遼 寧 科 技 大 學 集成電路應用課程論文 論文題目：基于Multisim的高頻功率放大器 學院、系：電子與信息工程學院 專業(yè)班級：自動化126 學生姓名： 任課教師： 答辯成績 撰寫成績 總成績 2015 年 6 月 10 日 基于Multisim的高頻功率放大器 摘要：功率放大器是指在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動某一負載的放大器。本文利用 Multisim 先進的高頻仿真功能構(gòu)建了由甲類和丙類功率放大器級聯(lián)的高頻功率放大器，并進行仿真實驗采用分級測試、兩級級聯(lián)的形式，給出了甲類功率放大器的工作狀態(tài)，丙類功率放大器的調(diào)諧特性及級聯(lián)放大器的負載特性分析。所得仿真結(jié)果與理論分析一致，并且能顯示出一些無法用電子儀器設備顯示的波形和曲線,使結(jié)果更直觀,更易于理解。 關鍵字：高頻功率放大器；Multisim；仿真分析；丙類功率放大器 Abstract：Power amplifier is refers to under the condition of a given distortion rate, can produce a maximum power amplifier output to drive a load. Using Multisim advanced high frequency simulation function, this paper builds by class a and class c power amplifier cascade of high frequency power amplifier, and the simulation experiment using grading test, two display in the form of, given the working state of the class a power amplifier, class c power amplifier of the tuning characteristics and load characteristic analysis of cascade amplifier. Simulation results are consistent with theoretical analysis, and can show some cant use electronic instruments and equipment and the wave curve, make the results more intuitive, easier to understand. Key words:high-frequency power amplifier；Multisim；simulation analysis；Class C Amplificating 目錄 1.引言 1 2功率放大器簡介 1 2.1功率放大器的特點 1 2.2功率放大器的分類 2 3.高頻功率放大器簡介 4 3.1高功放知識簡介 4 3.2 高功放電路工作原理 4 3.3高功放性能分析 5 3.2.1諧振功率放大器的動態(tài)特性 5 3.2.2功率放大器的負載特性 5 3.2.3放大器工作狀態(tài)的調(diào)整 7 4.電路設計與參數(shù)計算 8 4.1方案的設定 8 4.2 單元電路設計 9 4.2.1 甲類諧振放大器 9 4.2.2 丙類高功放 10 4.3 總體電路圖設計 10 5電路仿真與結(jié)果分析 11 6元件清單 13 7總結(jié) 14 參 考 文 獻 14 致謝 15 1.引言 電子設備電路的一般結(jié)構(gòu)是由電源、輸入級、中間級和輸出級等部分組成，輸出級通常輸出足夠大的功率，驅(qū)動一定的負載。負載的形式是多種多樣的，如收音機中揚聲器的音圈、電動機控制繞組、繼電器、計算機監(jiān)視器或電視掃描偏轉(zhuǎn)線圈等。要完成這些工作，就要求輸出級向負載提供足夠大的信號功率，即要求輸出級向負載提供足夠大的輸出電壓和輸出電流，這種放大器稱為功率放大電路。 早期的功率放大電路多以晶體管構(gòu)成，電路形式變化多樣，設計調(diào)試也較復雜。隨著半導體技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種功放集成電路，功能更多更完善，性能更好，大大減少了設計、調(diào)試電路的工作量。 利用Multisim軟件進行的仿真電路有AM、DSB信號調(diào)幅與解調(diào)電路、小信號調(diào)諧放大器、鎖相環(huán)電路和丙類功放電路。但對高頻功放電路的電流的時域和頻域分析，至今未見完整的報道。文章主要對高頻功率放大電路的集電極電流進行了仿真分析，同時也對高頻功放的輸出電壓、輸出功率、集電極效率和外部特性進行了仿真分析，并將仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果進行了比較。 2功率放大器簡介 2.1功率放大器的特點 與小信號電壓放大電路有所不同，功率放大電路主要考慮的是如何獲取最大的、不失真的交流輸出功率。因此一個功率放大電路不僅要有足夠大的輸出電壓幅值，而且要有足夠大的輸出電流幅值，只有這樣才能獲得足夠大的輸出功率。由此，功率放大電路應具有以下幾個方面的特點。 （1）要有盡可能大的輸出功率。通常用最大不失真輸出功率Pom表示，它是指輸出電壓和電流波形不失真或失真程度在允許范圍內(nèi)的最大輸出功率。 （2）效率要高。功率放大電路主要把直流電源供給的直流電轉(zhuǎn)化成交流電能輸送給負載。由于電路消耗的功率大，所以必須考慮功率轉(zhuǎn)化的效率問題。 （3）非線性失真要小。由于功率管處于大信號工作狀態(tài)，所以由晶體管特性的非線性引起的非線性失真不可避免。因此，將非線性失真限制在允許的范圍內(nèi)，是設計功放電路必須考慮的問題之一。 （4）由于功率管工作在接近極限工作的狀態(tài)，因此，在選擇功率管時必須考慮使它的工作狀態(tài)不超過其限制參數(shù)ICM、PCM、U(BR)CEO。 （5）由于功率管的管耗較大，因此，在設計功放電路時，散熱問題及過載問題不能忽視。通常對功率管加上一定面積的散熱片和過電流保護環(huán)節(jié)[2]。 2.2功率放大器的分類 功率放大電路的分類方式很多，常見的分類方式有以下幾種： （1）按處理信號的頻率分類 低頻功放：音頻范圍在幾十赫至幾十千赫。 高頻功放：頻率范圍在幾百千赫至幾十兆赫。 （2）接功放電路中晶體管的導通時間分類 A類功率放大電路（Class A Amplificating）：晶體管的靜態(tài)工作點處于放大區(qū)的中心， 在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管均導通，有電流流過。A類功率放大電路又稱甲類功率放大電路。這類功率放大電路由于不論有無信號，始終有較大的靜態(tài)工作電流ICQ，要消耗一定的電源功率，故能量轉(zhuǎn)換效率最低，但非線性失真相對較小，如圖2-1所示。一般用于對失真比較敏感的場合，如Hi-Fi音響等。 B類功率放大電路（Class B Amplificating）：晶體管的靜態(tài)工作點處于截止區(qū)，在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管僅在半個周期內(nèi)導通。B類功率放大電路又稱為乙類功率放大電路，這類放大電路一般有兩個互補的晶體管推挽工作，效率比A類功率放大電路要高，但由于工作在截止區(qū)，具有交越失真，如圖2-2所示。B類功率放大電路基本上無靜態(tài)電流，轉(zhuǎn)化效率高，但會造成交越失真。 AB類功率放大電路（Class AB Amplificating）：晶體管的靜態(tài)工作點處于放大區(qū)但接近于截止區(qū)，如圖2-3所示，在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管導通時間大于半個周期而小于全周期，AB類功率放大電路又稱甲乙類功率放大電路，這類功率放大電路的特性介于A類和B類之間。 C類功率放大電路（Class C Amplificating）：輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管導通時間小于半個周期。C類功率放大電路又稱為丙類功率放大電路，這類功率放大電路一般用于高頻的諧振功放。 圖1 A類功率放大器的工作狀態(tài)圖 圖2 B類功率放大器的工作狀態(tài) 圖3 AB類功率放大器的工作狀態(tài) D類功率放大電路（Class D Amplificating）：晶體管工作在開關狀態(tài)，關閉時幾乎不向直流電源提取電流，開啟時才進行能量轉(zhuǎn)換，因此效率很高，可以達到80%-95%。電路主要有兩種類型，脈沖寬度調(diào)制（PWM）型和脈沖密度調(diào)制（PDM）。D類功率放大電路又稱為丁類功率放大器。這類功率放大電路電路較為復雜，高頻特性差。主要用于小型化、電池供電以及要求高效率的場合。 E類功率放大電路（Class E Amplificating）：這類放大電路，又稱為戊類功率放大電路，是一個較理想的半導體技術應用電路，它在所有工作時間內(nèi)，通過的電壓或電流是較小的，亦即功率耗散很低。它僅用于射頻技術，而不用于音頻[3]。 3.高頻功率放大器簡介 3.1高功放知識簡介 在通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠，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。在無線電信號發(fā)射過程中，發(fā)射機的振蕩器產(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，獲得足夠的高頻功率后，才能輸送到天線上輻射出去。實際上高頻功率放大器不僅僅應用于各種類型的發(fā)射機中，而且高頻加熱裝置、高頻換流器、微波爐等許多電子設備中都得到了廣泛的應用。 高頻功率放大器和低頻功率放大器的工作狀態(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）。 3.2 高功放電路工作原理 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)射機的中間級，以提供較大的激勵功率。利用選頻網(wǎng)絡作為負載回路的功放稱為諧振功放。根據(jù)放大器電流導通角的范圍可分為甲類、乙類、丙類和丁類等功放。電流導通角越小放大器的效率越高。丙類功放通常作為發(fā)射機的末級，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4所示。 圖4 諧振功率放大器的基本電路 諧振功率放大器的特點： （1）放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 （2）輸出端負載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負載的匹配。 （3）基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 （4）輸入余弦波時，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^程中起開關控制作用，諧振回路LC是晶體管的負載。 3.3高功放性能分析 高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(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作狀態(tài)。 3.2.1諧振功率放大器的動態(tài)特性 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗Rp、激勵電壓b、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。 3.2.2功率放大器的負載特性 如果VCC、VBB、VB 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻Rp決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。電壓、電流隨負載變化波形如圖4所示。 圖 5 電壓、電流隨負載變化波形 放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbemax，在負載電阻RP由小至大變化時，負載線的斜率由小變大，如圖中1→2→3。不同的負載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的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)時負載線和eb max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，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B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負載電阻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)時放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載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，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，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)點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。 圖6 諧振功率放大器的負載特性曲線 3.2.3放大器工作狀態(tài)的調(diào)整 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：改變集電極負載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵Vb。改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變，當負載電阻Rp由小至大變化時，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)時輸出功率最大。改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變 當集電極供電電壓VCC由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。Vcc變化時對工作狀態(tài)的影響如圖7所示。 圖7 Vcc變化是對工作狀態(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)幅的實現(xiàn)提供依據(jù)，因為在集電極調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實現(xiàn)調(diào)幅過程的。改變VCC時，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如圖8所示。 圖8 改變VCC時工作狀態(tài)和電流、功率的變化 VCC、VBB、Rp不變，Vbm變化。當Vbm自0向正值增大時，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)由欠壓進入過壓狀態(tài)。當Vbm自0向正值增大時，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，其特性曲線如圖9所示。 圖9 Vbm 變化的特性 4.電路設計與參數(shù)計算 4.1方案的設定 放大器可以按照電流導通角的不同，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，因而只能用于采用調(diào)諧回路作為負載的諧振功率放大。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，確定電路設計由兩個模塊組成，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，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因為此時輸出交流功率最大，效率也較高，一般認為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。 4.2 單元電路設計 4.2.1 甲類諧振放大器 根據(jù)設計要求與參數(shù)計算設計的一級甲類諧振放大器如圖10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、C3、C4、R6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 一級甲類放大電路設計 4.2.2 丙類高功放 由上述丙類功放參數(shù)計算結(jié)果結(jié)合丙類功放的理論知識設計的單元電路如圖11所示。 圖11 丙類功放原理圖 4.3 總體電路圖設計 設計的總體電路圖如圖12所示： 圖 12 設計總圖 5電路仿真與結(jié)果分析 輸入信號是一個頻率為6.9MHz，峰峰值為150mv的正弦波信號。 經(jīng)過第一級甲類放大器后輸出波形如圖13所示，其峰峰值增大到589mv，將輸入信號電壓放大了。 圖13 一級放大后波形 信號最終經(jīng)過丙類放大器放大，提高其功率與效率，仿真波形如圖14所示。 圖14 丙類放大器輸出波形 由于高頻放大器有甲類，丙類。將上述單元電路按圖12所示電路進行組裝，先將甲、丙類功率放大電路與濾波網(wǎng)絡相接，再將甲、丙類功率放大電路連接起來，然后再進行逐級調(diào)整并級聯(lián)。仿真調(diào)試觀察波形時，用一示波器各探頭逐一接一、二、三級輸出，逐級調(diào)試。 在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)稍微修改輸入信號參數(shù)就會影響輸出波形質(zhì)量，經(jīng)與同學討論可能有以下兩方面原因：一方面可能是靜態(tài)工作點的設置問題，這就需要對電路再進行靜態(tài)工作點的測量分析，，另一方面可能是選頻、濾波回路L、C等參數(shù)設置的影響，這個問題需要進一步進行測試驗證。 由仿真結(jié)果及觀察波形可知，所設計的高頻功率放大器基本滿足了設計任務要求。經(jīng)過第一第二級甲類放大器后電壓幅值增大了，最終輸出也大大提高了輸出功率，因此也驗證了理論知識的正確性和設計方法的可行性 6元件清單 組件名稱 型號及參數(shù) 數(shù)量 三極管 Q2N2219 3 電感 500nH，3.9uH，1uH 7 變?nèi)荻O管 DIODE VERACTOR 2 固定電阻（Resistor） 10 2 20 1 1k 2 2k 1 6.8k 2 10k 3 15k 1 20k 1 22k 1 電容（Capacitor） 1.5nf 2 100nf 2 470nf 2 發(fā)光二極管 LED 1 直流電源（DC Power） +12V 1 7總結(jié) 通過對功率放大器的學習，收獲頗豐。通過上網(wǎng)查閱資料、圖書館查閱書籍，我對高頻功率放大器有了更深層次的了解，學到的知識遠比模擬電子技術課程上學到的要多得多，了解了功率放大器的特點、功率放大器的分類及各類的特點，還學習了高頻功率放大器的一些知識，最后利用Multisim 仿真高頻功率放大器的特性。這里的知識非常繁瑣，電路圖也比較多，看第一遍時很枯燥，看第二遍第三遍時，發(fā)現(xiàn)明白了很多知識，但是仍有一些問題沒弄明白，以后繼續(xù)學習。 學習高頻功率放大器給我最大的啟發(fā)就是：“只有不用心的人，沒有辦不成的事！”同樣，專業(yè)課知識都比較枯燥，最怕類似電子電路的知識了，靜下心來，我發(fā)現(xiàn)，真的能學明白一些知識。 專業(yè)課的學習是一個漫長的過程，你可能以后不從事本專業(yè)的工作，但你在學習專業(yè)課時，培養(yǎng)了那種認真、不服輸?shù)膭蓬^，掌握了學習的方法，你這才你最大的收獲。 參 考 文 獻 [1] 曾興雯. 高頻電子線路[M]. 高等教育出版社，2004. [2] 懂尚斌. 高頻電子線路實驗指導[M]. 武漢大學電子信息學院，2003. [3] 郭維芹. 模擬電子線路實驗[M]. 同濟大學出版社，1985. [4] 陸宗逸. 非線性電子線路實驗指導書[M]. 北京理工大學出版社，2003. [5] 劉騁. 高頻電子線路[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003. [6] 謝嘉奎. 電子線路-非線性部分[M]. 北京：高等教育出版社，2000. [7] 謝自美.《電子線路設計?實驗?測試》華中科技大學出版社，2009. [8] 楊翠娥.《高頻電子線路實驗與課程設計》，哈爾濱工程大學出版社，2010. [9] 何中庸.《高頻電路設計與制作》，科學出版社，2002. [10] 謝沅清.《模擬電子線路》Ⅱ，成都電子科大出版社， 2001. [11] 張肅文.《高頻電子線路》第三版，高教出版社，2003. [12] 劉泉.《通信電子線路》第二版，武漢理工大學出版社，2001 [13] 張肅文. 高頻電子線路[M]. 北京：高等教育出版社，2007. [14] 曾興雯. 高頻電子線路[M]. 北京：高等教育出版社，2005. [15] 朱家富. 電子信息課程教學中的虛擬技術[J]，2008 致謝 感謝劉宇老師的諄諄教導和熱心幫助，在此謹向劉老師表示崇高的敬意。同時，對在百忙之中抽出時間和投入精力對我的論文進行評閱的老師致以誠摯的謝意。 最后，感謝遼寧科技大學和電子與信息工程學院對我的培養(yǎng)和教育。