基于Multisim的高频功率放大器.doc

辽 宁 科 技 大 学集成电路应用课程论文 论文题目：基于Multisim的高频功率放大器学院、系：电子与信息工程学院 专业班级：自动化126 学生姓名： 任课教师： 答辩成绩撰写成绩总成绩 2015 年 6 月 10 日基于Multisim的高频功率放大器摘要：功率放大器是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。本文利用 Multisim 先进的高频仿真功能构建了由甲类和丙类功率放大器级联的高频功率放大器，并进行仿真实验采用分级测试、两级级联的形式，给出了甲类功率放大器的工作状态，丙类功率放大器的调谐特性及级联放大器的负载特性分析。所得仿真结果与理论分析一致，并且能显示出一些无法用电子仪器设备显示的波形和曲线,使结果更直观,更易于理解。关键字：高频功率放大器；Multisim；仿真分析；丙类功率放大器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目录1.引言12功率放大器简介12.1功率放大器的特点12.2功率放大器的分类23.高频功率放大器简介43.1高功放知识简介43.2 高功放电路工作原理43.3高功放性能分析53.2.1谐振功率放大器的动态特性53.2.2功率放大器的负载特性53.2.3放大器工作状态的调整74.电路设计与参数计算84.1方案的设定84.2 单元电路设计94.2.1 甲类谐振放大器94.2.2 丙类高功放104.3 总体电路图设计105电路仿真与结果分析116元件清单137总结14参 考 文 献14致谢151.引言电子设备电路的一般结构是由电源、输入级、中间级和输出级等部分组成，输出级通常输出足够大的功率，驱动一定的负载。负载的形式是多种多样的，如收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、继电器、计算机监视器或电视扫描偏转线圈等。要完成这些工作，就要求输出级向负载提供足够大的信号功率，即要求输出级向负载提供足够大的输出电压和输出电流，这种放大器称为功率放大电路。早期的功率放大电路多以晶体管构成，电路形式变化多样，设计调试也较复杂。随着半导体技术的迅速发展，出现了各种功放集成电路，功能更多更完善，性能更好，大大减少了设计、调试电路的工作量。利用Multisim软件进行的仿真电路有AM、DSB信号调幅与解调电路、小信号调谐放大器、锁相环电路和丙类功放电路。但对高频功放电路的电流的时域和频域分析，至今未见完整的报道。文章主要对高频功率放大电路的集电极电流进行了仿真分析，同时也对高频功放的输出电压、输出功率、集电极效率和外部特性进行了仿真分析，并将仿真结果与理论计算结果进行了比较。2功率放大器简介 2.1功率放大器的特点与小信号电压放大电路有所不同，功率放大电路主要考虑的是如何获取最大的、不失真的交流输出功率。因此一个功率放大电路不仅要有足够大的输出电压幅值，而且要有足够大的输出电流幅值，只有这样才能获得足够大的输出功率。由此，功率放大电路应具有以下几个方面的特点。（1）要有尽可能大的输出功率。通常用最大不失真输出功率Pom表示，它是指输出电压和电流波形不失真或失真程度在允许范围内的最大输出功率。（2）效率要高。功率放大电路主要把直流电源供给的直流电转化成交流电能输送给负载。由于电路消耗的功率大，所以必须考虑功率转化的效率问题。（3）非线性失真要小。由于功率管处于大信号工作状态，所以由晶体管特性的非线性引起的非线性失真不可避免。因此，将非线性失真限制在允许的范围内，是设计功放电路必须考虑的问题之一。（4）由于功率管工作在接近极限工作的状态，因此，在选择功率管时必须考虑使它的工作状态不超过其限制参数ICM、PCM、U(BR)CEO。（5）由于功率管的管耗较大，因此，在设计功放电路时，散热问题及过载问题不能忽视。通常对功率管加上一定面积的散热片和过电流保护环节2。 2.2功率放大器的分类功率放大电路的分类方式很多，常见的分类方式有以下几种：（1）按处理信号的频率分类低频功放：音频范围在几十赫至几十千赫。高频功放：频率范围在几百千赫至几十兆赫。（2）接功放电路中晶体管的导通时间分类A类功率放大电路（Class A Amplificating）：晶体管的静态工作点处于放大区的中心，在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过。A类功率放大电路又称甲类功率放大电路。这类功率放大电路由于不论有无信号，始终有较大的静态工作电流ICQ，要消耗一定的电源功率，故能量转换效率最低，但非线性失真相对较小，如图2-1所示。一般用于对失真比较敏感的场合，如Hi-Fi音响等。B类功率放大电路（Class B Amplificating）：晶体管的静态工作点处于截止区，在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通。B类功率放大电路又称为乙类功率放大电路，这类放大电路一般有两个互补的晶体管推挽工作，效率比A类功率放大电路要高，但由于工作在截止区，具有交越失真，如图2-2所示。B类功率放大电路基本上无静态电流，转化效率高，但会造成交越失真。AB类功率放大电路（Class AB Amplificating）：晶体管的静态工作点处于放大区但接近于截止区，如图2-3所示，在输入信号的整个周期内，晶体管导通时间大于半个周期而小于全周期，AB类功率放大电路又称甲乙类功率放大电路，这类功率放大电路的特性介于A类和B类之间。C类功率放大电路（Class C Amplificating）：输入信号的整个周期内，晶体管导通时间小于半个周期。C类功率放大电路又称为丙类功率放大电路，这类功率放大电路一般用于高频的谐振功放。 图1 A类功率放大器的工作状态图 图2 B类功率放大器的工作状态图3 AB类功率放大器的工作状态D类功率放大电路（Class D Amplificating）：晶体管工作在开关状态，关闭时几乎不向直流电源提取电流，开启时才进行能量转换，因此效率很高，可以达到80%-95%。电路主要有两种类型，脉冲宽度调制（PWM）型和脉冲密度调制（PDM）。D类功率放大电路又称为丁类功率放大器。这类功率放大电路电路较为复杂，高频特性差。主要用于小型化、电池供电以及要求高效率的场合。E类功率放大电路（Class E Amplificating）：这类放大电路，又称为戊类功率放大电路，是一个较理想的半导体技术应用电路，它在所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。它仅用于射频技术，而不用于音频3。3.高频功率放大器简介 3.1高功放知识简介 在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能输送到天线上辐射出去。实际上高频功率放大器不仅仅应用于各种类型的发射机中，而且高频加热装置、高频换流器、微波炉等许多电子设备中都得到了广泛的应用。高频功率放大器和低频功率放大器的工作状态不同，低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。 3.2 高功放电路工作原理利用宽带变压器作耦合回路的功放称为宽带功放。常用宽带变压器有用高频磁芯绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大，但效率很低，一般只有20%左右，一般作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类和丁类等功放。电流导通角越小放大器的效率越高。丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图4所示。图4 谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的特点： （1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 （2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。 （3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。 （4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC是晶体管的负载。 3.3高功放性能分析高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。 3.2.1谐振功率放大器的动态特性高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压b、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。 3.2.2功率放大器的负载特性如果VCC、VBB、VB 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图4所示。图 5 电压、电流随负载变化波形放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。临界状态时负载线和eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态 时B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率效率的变化也将如此。过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图5所示。欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。图6 谐振功率放大器的负载特性曲线 3.2.3放大器工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。改变Rp，但Vb、VCC、VBB不变，当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变 当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。Vcc变化时对工作状态的影响如图7所示。图7 Vcc变化是对工作状态的影响在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据，因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如图8所示。图8 改变VCC时工作状态和电流、功率的变化VCC、VBB、Rp不变，Vbm变化。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当Vbm自0向正值增大时，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。谐振功放的放大 特性是指放大器性能随Vbm 变化的特性，其特性曲线如图9所示。图9 Vbm 变化的特性4.电路设计与参数计算 4.1方案的设定 放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的流通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成，第一模块是两级甲类放大器，第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。 4.2 单元电路设计 4.2.1 甲类谐振放大器 根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图10所示。通过选定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L、C3、C4、R6构成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同的频率，在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带。图10 一级甲类放大电路设计 4.2.2 丙类高功放 由上述丙类功放参数计算结果结合丙类功放的理论知识设计的单元电路如图11所示。图11 丙类功放原理图 4.3 总体电路图设计 设计的总体电路图如图12所示：图 12 设计总图5电路仿真与结果分析输入信号是一个频率为6.9MHz，峰峰值为150mv的正弦波信号。经过第一级甲类放大器后输出波形如图13所示，其峰峰值增大到589mv，将输入信号电压放大了。图13 一级放大后波形信号最终经过丙类放大器放大，提高其功率与效率，仿真波形如图14所示。图14 丙类放大器输出波形由于高频放大器有甲类，丙类。将上述单元电路按图12所示电路进行组装，先将甲、丙类功率放大电路与滤波网络相接，再将甲、丙类功率放大电路连接起来，然后再进行逐级调整并级联。仿真调试观察波形时，用一示波器各探头逐一接一、二、三级输出，逐级调试。 在调试过程中发现稍微修改输入信号参数就会影响输出波形质量，经与同学讨论可能有以下两方面原因：一方面可能是静态工作点的设置问题，这就需要对电路再进行静态工作点的测量分析，另一方面可能是选频、滤波回路L、C等参数设置的影响，这个问题需要进一步进行测试验证。 由仿真结果及观察波形可知，所设计的高频功率放大器基本满足了设计任务要求。经过第一第二级甲类放大器后电压幅值增大了，最终输出也大大提高了输出功率，因此也验证了理论知识的正确性和设计方法的可行性6元件清单 组件名称 型号及参数 数量 三极管 Q2N2219 3 电感 500nH，3.9uH，1uH 7 变容二极管 DIODE VERACTOR 2 固定电阻（Resistor） 10 2 20 1 1k 2 2k 1 6.8k 2 10k 3 15k 1 20k 1 22k 1电容（Capacitor） 1.5nf 2 100nf 2 470nf 2发光二极管 LED 1直流电源（DC Power） +12V 17总结通过对功率放大器的学习，收获颇丰。通过上网查阅资料、图书馆查阅书籍，我对高频功率放大器有了更深层次的了解，学到的知识远比模拟电子技术课程上学到的要多得多，了解了功率放大器的特点、功率放大器的分类及各类的特点，还学习了高频功率放大器的一些知识，最后利用Multisim 仿真高频功率放大器的特性。这里的知识非常繁琐，电路图也比较多，看第一遍时很枯燥，看第二遍第三遍时，发现明白了很多知识，但是仍有一些问题没弄明白，以后继续学习。学习高频功率放大器给我最大的启发就是：“只有不用心的人，没有办不成的事！”同样，专业课知识都比较枯燥，最怕类似电子电路的知识了，静下心来，我发现，真的能学明白一些知识。专业课的学习是一个漫长的过程，你可能以后不从事本专业的工作，但你在学习专业课时，培养了那种认真、不服输的劲头，掌握了学习的方法，你这才你最大的收获。参 考 文 献1 曾兴雯. 高频电子线路M. 高等教育出版社，2004. 2 懂尚斌. 高频电子线路实验指导M. 武汉大学电子信息学院，2003. 3 郭维芹. 模拟电子线路实验M. 同济大学出版社，1985.4 陆宗逸. 非线性电子线路实验指导书M. 北京理工大学出版社，2003.5 刘骋. 高频电子线路M.西安：西安电子科技大学出版社，2003.6 谢嘉奎. 电子线路-非线性部分M. 北京：高等教育出版社，2000.7 谢自美.电子线路设计实验测试华中科技大学出版社，2009. 8 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计，哈尔滨工程大学出版社，2010. 9 何中庸.高频电路设计与制作，科学出版社，2002.10 谢沅清.模拟电子线路，成都电子科大出版社， 2001.11 张肃文.高频电子线路第三版，高教出版社，2003.12 刘泉.通信电子线路第二版，武汉理工大学出版社，200113 张肃文. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，2007.14 曾兴雯. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，2005.15 朱家富. 电子信息课程教学中的虚拟技术J，2008致谢感谢刘宇老师的谆谆教导和热心帮助，在此谨向刘老师表示崇高的敬意。同时，对在百忙之中抽出时间和投入精力对我的论文进行评阅的老师致以诚挚的谢意。最后，感谢辽宁科技大学和电子与信息工程学院对我的培养和教育。