基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實(shí)驗(yàn)

朱高中

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南 714000）

0 引言

高頻諧振放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)中，高頻功率放大器的主要功能是放大高頻信號(hào)，并且以高效輸出大功率為目的。它主要應(yīng)用于各種無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)中。高頻信號(hào)的功率放大，其實(shí)質(zhì)是在在輸入高頻信號(hào)的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功放產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為了提高效率，高頻功放都工作在丙類(lèi)狀態(tài)。高頻功率放大器實(shí)驗(yàn)通常借助試驗(yàn)箱來(lái)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但高頻實(shí)驗(yàn)在檢測(cè)信號(hào)干擾嚴(yán)重，通過(guò)示波器輸出信號(hào)很難達(dá)到理論的波形數(shù)據(jù)，故此可以采用實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩者結(jié)合的方法［1-3］，一方面能夠使學(xué)生掌握高頻的基本理論知識(shí);另一方面可以使學(xué)生在根據(jù)仿真輸出的波形數(shù)據(jù)更好分析實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的問(wèn)題和現(xiàn)象。本文探討將Multisim仿真軟件應(yīng)用于高頻電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

1 Multisim在高頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在高頻電子線(xiàn)路創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，首先因根據(jù)電路的要求和其工作原理設(shè)計(jì)正確的原理圖，然后根據(jù)原理圖在Multisim工作區(qū)調(diào)出電路原理圖中的電子元器件，創(chuàng)建仿真電路，檢查連線(xiàn)是否完好，設(shè)置電路參數(shù)，然后調(diào)出虛擬示波器和萬(wàn)用表及頻譜分析儀對(duì)電路進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析處理，確定電路性能，根據(jù)電路的要求分析輸出波形是否正確，如果仿真結(jié)果不正確，檢查參數(shù)設(shè)置情況，再次進(jìn)行仿真分析，直到輸出的波形和理論波形完全符合要求為止，最后寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告。其實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)流程圖

2 高頻諧振功率放大器的工作原理

2.1 高頻諧振電路基本原理

高頻諧振功率放大器的原理電路如圖2所示。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路3部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率fT。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，它在較小的激勵(lì)信號(hào)電壓作用下，形成基極電流ib，ib控制了較大的集電極電流ic，ic流過(guò)諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類(lèi)狀態(tài)下工作。由工作原理可得關(guān)系式。

（1）外部電路關(guān)系式：

（2）晶體管的內(nèi)部特性：

圖2 諧振功率放大器原理圖

（3）（半）導(dǎo)通角：根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)可得：

2.2 高頻功率放大器的特性曲線(xiàn)

在高頻功率放大器中根據(jù)晶體管工作的是否進(jìn)入飽和區(qū)域，可把高頻諧振功率放大器分為欠壓、臨界和過(guò)壓3種工作狀態(tài)，其高頻諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)是由集電極的諧振阻抗RL、輸入信號(hào)的幅度Ubm、基極偏置電壓UBB和集電極電源電壓UCC4個(gè)參量決定的。

圖3 諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)

假設(shè)UBB、UCC和RL3個(gè)參量不變的情況下，改變Ubm，放大器的工作狀態(tài)將跟隨變化，當(dāng)Ubm由小增大時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)，集電極的電流脈沖寬度和高度均增加，隨著輸入電壓Ubm的增大，輸出波形出現(xiàn)凹陷情況，此時(shí)放大器的工作狀態(tài)從欠壓狀態(tài)進(jìn)入臨界然后過(guò)壓狀態(tài)如圖4（a）所示。在欠壓狀態(tài)下隨著Ubm的增大集電極電流的脈沖高度增加顯著，所以Ic0、Ic1和相應(yīng)的Ucm隨著Ubm的增加而迅速的增大。在過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，Ubm增大時(shí)集電極電流高度增大緩慢并出現(xiàn)凹陷波形，其凹陷波形也逐步加深，此時(shí)Ic0、Ic1和相應(yīng)的Ucm增加緩慢，Ic0、Ic1和Ucm隨Ubm變化的特性曲線(xiàn)如圖4（b）所示。

圖4 Ubm對(duì)諧振放大器的工作狀態(tài)的影響

3 高頻諧振功率放大器電路虛擬仿真分析

在Multisim工作區(qū)創(chuàng)建高頻諧振功率放大器電路圖，并添加了虛擬示波器和信號(hào)源，仿真電路圖如圖5所示，調(diào)節(jié)信號(hào)源發(fā)生器，使輸入信號(hào)fi=465 kHz，信號(hào)源的振幅為Ubm，集電極的直流電源電源UCC=12 V，基極電壓采用零偏置的形式，L1、C1構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。它們與R2構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，電感L1為510 μH的恒定電感，電容為C1為350 pF的可調(diào)電容，通過(guò)微調(diào)L1C1諧振回路的諧振電容C1使集電極電流達(dá)到最小值，即此時(shí)功率放大器工作諧振的工作狀態(tài)。通過(guò)不斷增大Ubm，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行特性分析。

圖5 丙類(lèi)諧振回路放大器仿真實(shí)驗(yàn)電路

3.1 過(guò)壓狀態(tài)下特性分析

給輸入端電源加信號(hào)源電壓幅值Ubm，根據(jù)輸入信號(hào)源，調(diào)節(jié)負(fù)載回路的可調(diào)電阻，用示波器觀察R1及集電極電壓的波形，通過(guò)逐步增大可調(diào)電阻R2值為75%，觀察R1輸出波形出現(xiàn)接近對(duì)稱(chēng)的凹陷脈沖，此時(shí)表明功放工作在過(guò)壓狀態(tài)，R1及集電極電壓分別如圖6所示。

3.2 臨界狀態(tài)下功率與效率的測(cè)量

圖6 過(guò)壓狀態(tài)下輸出電壓波形

維持輸入信號(hào)的頻率和諧振回路R2的可調(diào)電阻阻值不變，逐步減小輸入信號(hào)幅值Ubm大小，使功放退出過(guò)壓狀態(tài)，根據(jù)不斷減小輸入端信號(hào)得出輸出的波形可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)電壓的幅值減小到390 mV，使得R1上的電壓波形為最大的尖頂脈沖波形，說(shuō)明此時(shí)功放工作在欠壓和過(guò)壓之間的臨界狀態(tài)。其臨界狀態(tài)下R1及集電極電壓波形分別如圖7所示。

圖7 臨界狀態(tài)下輸出電壓波形

3.3 欠壓狀態(tài)下特性分析

維持輸入信號(hào)的頻率和諧振回路R2的可調(diào)電阻阻值不變，為了驗(yàn)證其欠壓狀態(tài)的工作特性，逐步減小輸入信號(hào)的幅值大小，使功放退出臨界狀態(tài)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)電壓的幅值的減小到380 mV，此時(shí)功放已經(jīng)退出臨界狀態(tài)，功放工作于欠壓狀態(tài)，其欠壓狀態(tài)下R1及集電極的電壓波形分別如圖8所示。通過(guò)欠壓狀態(tài)R1輸出波形和臨界狀態(tài)下相比可知，欠壓狀態(tài)下R1輸出電壓的尖頂脈沖波形迅速下降，而欠壓狀態(tài)下集電極輸出電壓和過(guò)壓、臨界相比，輸出集電極電壓波形脈沖下降幅度比較明顯。

綜上3種情況的對(duì)比可知，當(dāng)Ubm的電壓逐步增大的過(guò)程中，從放大器的工作狀態(tài)可以看出，滿(mǎn)足工作狀態(tài)從欠壓→臨界→過(guò)壓的工作特性，從R1輸出的電壓脈沖波形可以看出，滿(mǎn)足了集電極電流從欠壓→臨界的狀態(tài)下，電流脈沖寬度和高度均迅速增大的情況，從臨界→過(guò)壓的情況下，雖然集電極的脈沖寬度和高度在增大，但增長(zhǎng)緩慢并出現(xiàn)凹陷部分。

圖8 欠壓狀態(tài)下輸出電壓波形

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Multisim軟件對(duì)高頻諧振功率放大器進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬仿真和理論分析及計(jì)算結(jié)果一致，不但理論聯(lián)系實(shí)際，而且非常貼近工程實(shí)踐。將Multisim軟件應(yīng)用于高頻電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，免受實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和儀器設(shè)備的限制，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

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