高頻電子課程設(shè)計高頻功率放大器的設(shè)計與仿真

1、高頻功率放大器的設(shè)計與仿真1.課程設(shè)計的目的通過課程設(shè)計，掌握了高頻電子電路的基本設(shè)計及基本調(diào)試的方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個通高頻功率放大器。通過解決比較簡單的實際問題鞏固和加深課程中所學(xué)的理論知識和實驗技能。訓(xùn)練我們綜合運用學(xué)過的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識，熟悉在multisim軟件環(huán)境下進行仿真，提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力，鞏固所學(xué)的基本知識。使我們初步掌握模擬電子電路設(shè)計的一般方法步驟，通過理論聯(lián)系實際提高和培養(yǎng)我們分析、解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，更能把所學(xué)課程及相關(guān)知識加以融會貫通，為今后從事實際工作打下堅實的基礎(chǔ)。2.設(shè)計方案論證2.1設(shè)計思想利用三極管的電流控制作用將電源的功

2、率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件

3、。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。2.2 設(shè)計內(nèi)容高頻功放的基本原理框圖如圖1所示：輸入信號源輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)功放管輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)輸出負 載偏置電 路圖1 高頻功放基本原理框圖諧振式高頻功率放大器的特點是：為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為反向偏置，流過晶體管的電流為余

4、弦脈沖波形；負載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外，還能實現(xiàn)放大器的阻抗匹配。為了獲得得高的效率，放大器一般工作在丙類狀態(tài)。創(chuàng)建諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性電路，如圖2所示，該電路由電阻、電容、電感和三極管組成。圖2 諧振功放的集電極調(diào)制特性電路2.3 模擬軟件的選擇 選用multisim 11，multisim是基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力?？梢允褂胢ultisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進行仿真。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成

5、從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。2.4 元器件的選取和連接打開multisim 11,出現(xiàn)如下的界面：圖3 multisim工作界面從元件工具欄中選取元件啟動菜單的放置元件命令搜索所需的元件從in user list中選取有用的元件放置虛擬元件。圖4 選取元器件的界面取用原器件時，先用鼠標點擊元器件工具欄中的按扭，打開相應(yīng)的分類庫，再從中選擇所需的元器件。 圖5 電阻 圖6 電容 圖7 電感 圖8 電源圖9 接地 圖10 晶體管 通過雙擊元器件，可以設(shè)置其參數(shù)，例如，雙擊晶體管，就會出現(xiàn)如下對話框：圖11 參數(shù)設(shè)置對話框元件的連接放置節(jié)點 連線的調(diào)整 連線

6、顏色的設(shè)置。為使將兩個元器件的引腳連接起來，可將鼠標指向其中的一個引腳，該處將出現(xiàn)一個小圓點，單擊左鍵，然后移動鼠標，此小圓點也跟著移動，移至另一個引腳時再單擊左鍵，兩腳之間就連成一條線。如圖12所示： 圖12 連接完的電路圖圖13 總電路圖3.設(shè)計結(jié)果與分析3.1 諧振功率放大器的效率與功率功率放大器是依據(jù)激勵信號放大電路對電流的控制，起到把集電極電源直流功率變換成負載回路的交流功率的作用。在同樣的直流功率作用條件下，轉(zhuǎn)換的功率越高，輸出的交流功率越大。集電極電源提供的直流功率： 式中為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。式中，為余弦脈沖的最大值；為余弦脈沖的直流分解系數(shù)。式中，為晶體管的導(dǎo)通電壓；為晶

7、體管的基極偏置；為功率放大器的激勵電壓振幅。集電極輸出基波功率：式中為回路兩端的基頻電壓，為余弦電流脈沖基頻電流，為回路的諧振阻抗。集電極效率：式中，為集電極電壓利用系數(shù)；為余弦脈沖的基波分解系數(shù)。功率放大器的設(shè)計原則是在高效率下取得較大的輸出功率。在實際運用中，為兼顧高的輸出效率和高效率，通常。3.2 諧振功率放大器的負載特性當(dāng)功率放大器的電源電壓+ucc，基極偏壓ub，輸入電壓c確定后，如果電容導(dǎo)通角確定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻rp。諧振功率放大器的交流負載特性如圖所示。圖14 諧振功率放大器的負載特性激勵電壓ugugcost是隨時間而變化的。當(dāng)eg、ea、ro

8、e保持不變時，激勵電壓振幅ug的變化對工作狀態(tài)將產(chǎn)生影響：（1）當(dāng)ug0時，丙類高頻功率放大器將處于截止狀態(tài)。 （2）當(dāng)ug由零開始增加，且egeg十ugeg時，板ia開始導(dǎo)通，在eg0時，柵流為零，顯然此時為欠壓狀態(tài)。 （3）ug繼續(xù)增加，且egeg十ug0時，柵流ig開始出現(xiàn)，并隨ug增加而增大。所以工作狀態(tài)便由欠壓進入臨界進而轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。由此可見，改變ug大小，就可以改變工作狀態(tài)。3.3 multisim軟件設(shè)計結(jié)果與分析 選擇菜單命令simulate/analyses/parameter sweep analyses進行運行，如圖所示： 圖15 parameter sweep ana

9、lyses下拉菜單彈出parameter sweep analyses（參數(shù)掃描分析）對話框，如圖所示，并設(shè)置其參數(shù)： 圖16 參數(shù)的設(shè)置選擇集電極電源vcc作為掃描對象，vcc的start設(shè)置為6v，stop設(shè)為12v，# of 為3（輸出為3條掃描線），則increment（增量）自動設(shè)為3v。單擊output選項卡，在output選項卡中選擇諧振回路的電流作為輸出對象。 圖17 output選項卡的設(shè)置單擊edit analysis ，在sweep of transient analysis 對話框中設(shè)置仿真起始時間為0.002s,終了時間為0.0020005s，即輸出5個周期波形。圖1

10、8 起始時間和終了時間的設(shè)置單擊simulate 仿真按鈕，得到諧振功放的集電極調(diào)制特性仿真結(jié)果，如下圖所示： 圖19 諧振功放的集電極調(diào)制特性仿真結(jié)果仿真說明：掃描結(jié)果共3條曲線，從下到上對應(yīng)的vcc分別為3v、6v、9v，可看出，諧振回路電流隨隨vcc的增大而增大。ucm也可按同樣的方式進行掃描分析，找出其隨vcc變化的特性。4.設(shè)計體會本次課設(shè)是完成一個高頻功率放大器仿真的設(shè)計，首先在multisim軟件環(huán)境下進行電路原理圖的設(shè)計、繪制和仿真，然后對電路中的各個部分進行調(diào)整修改，按照設(shè)計的電路原理圖完成實物的連接，連接后在實驗室不斷地調(diào)試、修改，最后得到設(shè)計要求的輸出波形。根據(jù)課程設(shè)計的

11、要求對其各個電阻及電容等元件進行賦值，再利用multisim 11軟件進行仿真。讓我們對multisim有了進一步的了解以及如何運用multisim 11軟件解決問題，學(xué)會如何分析問題、解決問題的能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次的高頻課設(shè)，加深了對電子電路理論知識的理解，并鍛煉了實踐動手能力。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己

12、的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。課程設(shè)計的一個重要功能，在于運用學(xué)習(xí)成果，檢驗學(xué)習(xí)成果，運用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應(yīng)用于實際設(shè)計工作。檢驗學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實際工作到底有多大距離，并通過綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實踐依據(jù)。這種實際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠遠不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了人類的生活。作為新世紀的大學(xué)生，應(yīng)當(dāng)站在時代發(fā)展的前列，掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識，調(diào)整自己的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)社會發(fā)展的要求。新世紀需要既有豐富的現(xiàn)代科學(xué)知識，能夠獨立解決面臨的任務(wù)，充滿活力，有創(chuàng)新意識的新型人才。5.參考文獻1 董玉冰.multisim 11在電工電子技術(shù)中的應(yīng)用m.北京：清華大學(xué)出版社，2008 2 陸宗逸. 非線性電子線路實驗指導(dǎo)書m. 北京：北京理工大學(xué)出版社3 劉 騁.高頻電子線路m. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.9:111-1564 謝嘉奎.電子線路-非線性部分m.北京:高等教育出版社, 2010.4:25-345 楊欣，王玉鳳，劉湘黔.電路設(shè)計與