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”是電子專業與通信專業的一門專業基礎課程，該課程理論性強、數學公式和分析方法比較多，與工程結合較為緊密[1].高頻功率放大器是高頻電子線路課程中的教學重點和難點，其不僅涉及到電路、模電、信號與系統、高等數學等眾多知識點，而且電路狀態分析困難、繁瑣，使得同學們在學習高頻功率放大器的時候比較困難并且效果也不理想.只有通過實驗才能更好理解所學理論知識，熟練運用相關概念和分析方法處理實際電路中出現的問題.但是目前許多高頻實驗箱比較容易出現問題，使得有些實驗無法得到理想的結果，反而加重學生的困惑[2].而運用Multisim電路仿真軟件進行電路設計、仿真分析，簡便、直觀、準確，不僅可以克服實驗箱實驗的誤差，還可以提高同學們電路設計的能力.

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

本文主要是運用Multisim13仿真軟件對高頻功率放大器進行設計仿真，主要進行集電極脈沖波形觀察、頻譜分析，可以克服試驗箱不易觀察集電極脈沖的情況；實驗箱進行負載特性分析的時候測量電阻需要斷電測量，比較麻煩，而且不夠準確，本文使用Multisim的參數分析進行負載特性分析，集電極特性分析，方便，快捷，準確，直觀.運用瓦特表進行輸出功率的測量，計算效率.

1 高頻功率放大器的原理

高頻功率放大器也稱丙類功放，它是一種能量轉換器件，可以將電源供給的直流能量轉換為高頻交流輸出.高頻諧振功率放大器是無線通信系統發送端的重要組成部分，作用是對待發射信號進行放大，以產生所需要的功率，以滿足天線和負載要求[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或者為負值，LC回路調諧于輸入信號的中心頻率，構成濾波匹配網絡，RL為功放外接等效負載電阻.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

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

因此，ic=gc[Vbmcosωt-(VBZ-VBB)]=gc[Vbmcosωt-Vbmcosθc]=gcVbm[cosωt-cosθc]，尖頂余弦脈沖的數學表達式，余弦脈沖為周期信號，進行傅里葉級數展開為 ic=Ic0+Icm1cosωt+Icm2cosω2t+…+Icmncosωnt+…，

計算可得各系數為：

式中：α0(θc)，α1(θc)，αn(θc)稱為尖頂余弦脈沖的分解系數.一般可以根據θc數值查表求出各分解系數的值.Ic0，Ic1，Icn分別為直流、基波、n次諧波的振幅.通過LC選頻網絡可以將基波信號取出，濾除高次諧波和直流，得到無失真的余弦信號，即基波信號.基波信號與輸入信號相比同頻反相，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與負載特性

VCC、VCC、ui不變時，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載特性.

圖4 負載特性

由圖3、圖4可以看出隨著RL，放大器的工作狀態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出現凹陷，直流IC0、基波IC1逐漸變小，基波電壓Ucm逐漸增大，輸出功率P0在臨界狀態最大，效率ηc在弱過壓時最大.

1.4 VCC對放大器工作狀態的影響

RL、VBB、Vbm不變，VCC時，使放大器從過壓區經臨界狀態過渡到欠壓區.由圖6圖7可以看出，隨著集電極直流電壓VCC得增大，放大器的工作狀態逐漸從過壓到臨界再到欠壓，對應集電極脈沖逐漸增大，過壓區出現凹陷.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驗箱里不易觀察，本實驗在觀察集電極脈沖時需要把開關打到負載為純電阻端即3號端，這樣集電極得到的余弦脈沖電流沒有經過濾波，直接在R2上產生電壓icR2，此電壓與余弦脈沖電流同頻同相，所以測量此電壓波形、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，集電極出現周期性余弦脈沖，周期與輸入信號一致，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、二次諧波等多個頻率分量，與理論分析一致.

圖8 仿真電路圖1

當開關打到6號端，此時負載為LC并聯諧振回路端，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（綠色）與輸入信號（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）

2.2 特性分析

在實驗室用高頻實驗箱觀察信號的負載特性、集電極特性常常比較麻煩，也不夠準確，用Multisim電路仿真軟件不僅方便，而且直觀，誤差小，別是觀察負載特性時避免了斷電測量電阻的麻煩和不準確.只需要用Multisim仿真軟件中的參數分析即可完成[10].仿真電路圖8開關打至6諧振回路模式.

圖13 負載特性（集電極脈沖）

選擇參數分析，分析負載變化對集電極脈沖電流的影響得到結果如圖13所示，從圖13可以看出，隨著負載電阻RL（R1）增大，尖頂脈沖逐漸減小，在10kΩ和20kΩ出現凹陷，說明隨著負載電阻RL（R1）的增大，放大器的工作狀態逐漸從欠壓到臨界到過壓區.在參數分析中選擇分析輸出基波電壓Ucm隨著負載 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，過壓狀態增長緩慢，欠壓區增長快.

圖14 （a） 集電極基波電壓

圖14 （b） 集電極基波電壓（光標指示）

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

圖15 （a） 集電極調制特性

2.3 輸出功率

高頻諧振功率放大器兩個重要的指標：一個是輸出功率，另一個是效率，仿真電路圖如圖16所示，接入瓦特表測量輸出功率，并接入U1測量直流電流，通過改變RL，VCC觀察輸出功率，并計算效率得到表1表2：

圖15 （b） 集電極調制特性（電壓光標指示）

從表1可以看出，負載電阻不變，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，進入欠壓區以后IC0，P0都基本不變，但是效率過壓區的比較高，欠壓區較低.與理論一致.

表1 VCC對輸出功率的影響

表2 RL對輸出功率的影響

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

3 小結

通過使用Multisim仿真軟件進行了集電極脈沖波形觀察、頻譜分析，集電極特性、負載特性進行仿真分析，結果直觀、清晰，與理論一致.不僅可以增強同學們對理論的理解和掌握，還能夠提高他們的電路仿真和設計能力.