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1、高频功率放大器的设计与仿真1.课程设计的目的通过课程设计，掌握了高频电子电路的基本设计及基本调试的方法，并在此基础上设计一个通高频功率放大器。通过解决比较简单的实际问题巩固和加深课程中所学的理论知识和实验技能。训练我们综合运用学过的电子技术基础知识，熟悉在Multisim软件环境下进行仿真，提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，巩固所学的基本知识。使我们初步掌握模拟电子电路设计的一般方法步骤，通过理论联系实际提高和培养我们分析、解决实际问题的能力和创新能力，更能把所学课程及相关知识加以融会贯通，为今后从事实际工作打下坚实的基础。2.设计方案论证2.1设计思想利用三极管的电流控制作用将电源的功
2、率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件
3、。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。2.2 设计内容高频功放的基本原理框图如图1所示：输入信号源输入滤波匹配网络功放管输出滤波匹配网络输出负 载偏置电 路图1 高频功放基本原理框图谐振式高频功率放大器的特点是：为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为反向偏置，流过晶体管的电流为余
4、弦脉冲波形；负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。为了获得得高的效率，放大器一般工作在丙类状态。创建谐振功率放大器的集电极调制特性电路，如图2所示，该电路由电阻、电容、电感和三极管组成。图2 谐振功放的集电极调制特性电路2.3 模拟软件的选择 选用Multisim 11，Multisim是基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成
5、从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。2.4 元器件的选取和连接打开Multisim 11,出现如下的界面：图3 Multisim工作界面从元件工具栏中选取元件启动菜单的放置元件命令搜索所需的元件从In User List中选取有用的元件放置虚拟元件。图4 选取元器件的界面取用原器件时，先用鼠标点击元器件工具栏中的按扭，打开相应的分类库，再从中选择所需的元器件。 图5 电阻 图6 电容 图7 电感 图8 电源图9 接地 图10 晶体管 通过双击元器件，可以设置其参数，例如，双击晶体管，就会出现如下对话框：图11 参数设置对话框元件的连接放置节点 连线的调整 连线
6、颜色的设置。为使将两个元器件的引脚连接起来，可将鼠标指向其中的一个引脚，该处将出现一个小圆点，单击左键，然后移动鼠标，此小圆点也跟着移动，移至另一个引脚时再单击左键，两脚之间就连成一条线。如图12所示： 图12 连接完的电路图图13 总电路图3.设计结果与分析3.1 谐振功率放大器的效率与功率功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制，起到把集电极电源直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率作用条件下，转换的功率越高，输出的交流功率越大。集电极电源提供的直流功率： 式中为余弦脉冲的直流分解系数。式中，为余弦脉冲的最大值；为余弦脉冲的直流分解系数。式中，为晶体管的导通电压；为晶
7、体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。集电极输出基波功率：式中为回路两端的基频电压，为余弦电流脉冲基频电流，为回路的谐振阻抗。集电极效率：式中，为集电极电压利用系数；为余弦脉冲的基波分解系数。功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出效率和高效率，通常。3.2 谐振功率放大器的负载特性当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压Ub，输入电压C确定后，如果电容导通角确定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rp。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。图14 谐振功率放大器的负载特性激励电压ugUgcost是随时间而变化的。当Eg、Ea、Ro
8、e保持不变时，激励电压振幅Ug的变化对工作状态将产生影响：（1）当Ug0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。 （2）当Ug由零开始增加，且egEg十UgEg时，板ia开始导通，在eg0时，栅流为零，显然此时为欠压状态。 （3）Ug继续增加，且egEg十Ug0时，栅流ig开始出现，并随Ug增加而增大。所以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变Ug大小，就可以改变工作状态。3.3 Multisim软件设计结果与分析 选择菜单命令Simulate/Analyses/Parameter Sweep Analyses进行运行，如图所示： 图15 Parameter Sweep Ana
9、lyses下拉菜单弹出Parameter Sweep Analyses（参数扫描分析）对话框，如图所示，并设置其参数： 图16 参数的设置选择集电极电源VCC作为扫描对象，VCC的Start设置为6V，Stop设为12V，# of 为3（输出为3条扫描线），则Increment（增量）自动设为3V。单击Output选项卡，在Output选项卡中选择谐振回路的电流作为输出对象。 图17 Output选项卡的设置单击Edit Analysis ，在Sweep of Transient Analysis 对话框中设置仿真起始时间为0.002s,终了时间为0.0020005s，即输出5个周期波形。图1
10、8 起始时间和终了时间的设置单击Simulate 仿真按钮，得到谐振功放的集电极调制特性仿真结果，如下图所示： 图19 谐振功放的集电极调制特性仿真结果仿真说明：扫描结果共3条曲线，从下到上对应的VCC分别为3V、6V、9V，可看出，谐振回路电流随随VCC的增大而增大。Ucm也可按同样的方式进行扫描分析，找出其随VCC变化的特性。4.设计体会本次课设是完成一个高频功率放大器仿真的设计，首先在Multisim软件环境下进行电路原理图的设计、绘制和仿真，然后对电路中的各个部分进行调整修改，按照设计的电路原理图完成实物的连接，连接后在实验室不断地调试、修改，最后得到设计要求的输出波形。根据课程设计的
11、要求对其各个电阻及电容等元件进行赋值，再利用Multisim 11软件进行仿真。让我们对Multisim有了进一步的了解以及如何运用Multisim 11软件解决问题，学会如何分析问题、解决问题的能力，为后续的学习打好基础。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。通过这次的高频课设，加深了对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力。通过这次课程设计使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，才能真正为社会服务，从而提高自己
12、的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。课程设计的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果，运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。现代科学技术的飞速发展，改变了人类的生活。作为新世
13、纪的大学生，应当站在时代发展的前列，掌握现代科学技术知识，调整自己的知识结构和能力结构，以适应社会发展的要求。新世纪需要既有丰富的现代科学知识，能够独立解决面临的任务，充满活力，有创新意识的新型人才。5.参考文献1 董玉冰.Multisim 11在电工电子技术中的应用M.北京：清华大学出版社，2008 2 陆宗逸. 非线性电子线路实验指导书M. 北京：北京理工大学出版社3 刘 骋.高频电子线路M. 西安:西安电子科技大学出版社,2007.9:111-1564 谢嘉奎.电子线路-非线性部分M.北京:高等教育出版社, 2010.4:25-345 杨欣，王玉凤，刘湘黔.电路设计与仿真基于Multisim M.北京：清华大学出版社6 懂尚斌. 高频电子线路实验指导M. 武汉：武汉大学电子信息学院，2008.7 王默玉,宗伟.基于Multisim的图形用户界面的构造方式与应用J.现代电力.2007.8 黄成玉，张波，赵立永.“高频电子线路” 试题库建设的实践与研究J. 2010，279 田胜军，秦宣云.基于Multisim2001的高频电路分析与仿真J.现代电子技术, 2006,29
