基于Multisim的高頻功率放大器仿真分析

鄭 文

(濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，山東 濱州 256603)

基于Multisim的高頻功率放大器仿真分析

鄭 文

(濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，山東 濱州 256603)

利用Multisim先進的高頻仿真功能構(gòu)建了由甲類和丙類功率放大器級聯(lián)的高頻功率放大器，并進行仿真實驗。采用分級測試、兩級級聯(lián)的形式，給出了甲類功率放大器的工作狀態(tài)，丙類功率放大器的調(diào)諧特性及級聯(lián)放大器的負載特性分析。所得仿真結(jié)果與理論分析一致，為高頻電子線路實踐教學(xué)提供了保障。

Multisim軟件；高頻功率放大器；仿真；分析

射頻放大電路是射頻通信電路中的一種基本電路，能完成信號放大并提供一定的功率增益。高頻功率放大器的主要任務(wù)就是放大高頻信號，使其達到足夠的功率，以滿足天線輻射的需要或技術(shù)指標的要求[1]。本文通過Multisim軟件構(gòu)建了由甲類和丙類級聯(lián)的高頻功率放大器，并對放大器的相關(guān)性能進行仿真測試。

1 仿真電路

1.1 Multisim簡介

Multisim軟件是一款基于Windows的仿真軟件，由美國國家儀器(NI)有限公司所推出，被譽為計算機里的電子實驗室，其特點是圖形界面操作，易學(xué)、易用，快捷、方便，真實、準確，能夠?qū)﹄娐穲D進行軟件連接，具有較為強大的仿真能力，被廣泛應(yīng)用于電子電路的演示和實驗課程[2]?！陡哳l電子電路》作為電子信息工程專業(yè)的重要專業(yè)課，是理論性和技術(shù)性要求均很強的一門課程。高頻電子線路實驗是對理論學(xué)習(xí)的有力補充，但受實驗設(shè)備及實驗環(huán)境的影響[3]，很難達到理想的實驗效果。利用Multisim搭建的實驗平臺進行仿真分析，符合實驗教學(xué)的要求。

1.2 仿真電路搭建

高頻功率放大器的兩個主要技術(shù)指標分別是輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。另外，還應(yīng)使輸出信號里的諧波分量盡可能的小，從而減小對其他頻道產(chǎn)生不必要的干擾。

基于實現(xiàn)高頻功率放大器的增益在較寬通帶內(nèi)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，仿真電路由甲類、丙類兩級功率放大器級聯(lián)構(gòu)成。信號由甲類功率放大器放大，甲類功率放大器的輸出信號作為丙類功率放大器的輸入信號，經(jīng)過丙類功率放大器放大后的信號具有較高的增益，此過程類似于通信系統(tǒng)中發(fā)射機末級的功放[4]。電路原理圖如圖1所示。

綜合考慮，本仿真工作頻率定為14.5 MHz，高頻功率放大器集電極電壓為12.0 V。功率放大器選取型號為2N5551的NPN型高壓晶體管。左端的三極管Q1、電感L1及電容C3構(gòu)成甲類功率放大器，對初始信號進行線性放大;右端的三極管Q2、電感L2、電容C7以及C6、負載回路構(gòu)成丙類功率放大器。

圖1 仿真電路圖

2 Multisim仿真及結(jié)果分析

2.1 甲類功率放大器工作狀態(tài)分析

2.1.1 電路組成

R1、R2、R3以及R4共同構(gòu)成甲類功率放大器的靜態(tài)偏置。在R1和R2阻值的選取上選擇同一數(shù)量級，令R1=10 kΩ;R2的最大值選取50 kΩ，通過調(diào)節(jié)R2來改變放大器增益;令R4=51Ω，R3最大值為1 kΩ;C5為射極旁路電容。在高頻電路中，射極旁路的電容值取值也不宜過大，可令C5=10 nF。

2.1.2 結(jié)果分析

經(jīng)計算，取f≈14.5 MHz，即L1、C2諧振時，在晶體管的集電極處得到的電壓增益最大。調(diào)節(jié)靜態(tài)偏置電阻R3、R4，在集電極處得到更大的增益。由測試得，R2=50 kΩ，R3≈0Ω，測得最大電壓增益A≈4。測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 甲類功率放大器測試波形圖

2.2 丙類功率放大器調(diào)諧特性分析

2.2.1 丙類功率放大器電路

調(diào)節(jié)丙類功率放大器的電源電壓為12 V，不連接負載。把基極同甲類功放斷開，由放大器基極輸入3.0 V/14.5MHz的高頻信號。L3、C6、C7構(gòu)成丙類功率放大器的調(diào)諧回路，為確保兩級功率放大器諧振于同一頻率，令L3=1.0μH，C7=600 pF。當(dāng)C6≤30 pF時，微調(diào)C6可使丙類功率放大器工作于諧振狀態(tài)，從而確保集電極輸出電壓達到最大值。

2.2.2 結(jié)果分析

調(diào)節(jié)可變電容C6，分別測試電容值在0、50及100時集電極處的波形。仿真結(jié)果表明：當(dāng)C6取0、50和100時，回路電壓增益可達到14.738、7.280和10.132;當(dāng)C6取時，功率放大器達到最佳工作狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 丙類功率放大器測試波形圖

2.3 甲丙類功率放大器測試電路分析

2.3.1 負載特性測試

負載特性是指在Vcc等參量保持不變的條件下，功率放大器的工作狀態(tài)與負載電阻的關(guān)系。調(diào)整電路的相關(guān)參數(shù)，讓電路處于正常工作狀態(tài)，并保持此時輸入電壓為3 V，選取外接負載阻值分別為R8=51Ω，R9=75Ω，R10=120Ω。仿真顯示：當(dāng)負載分別為R8、R9和R10時，高頻功率放大器的輸出電壓分別可達到12.209 V、13.273 V和13.793 V。負載取R10的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 甲丙類功率放大器負載特性

2.3.2 結(jié)果分析

當(dāng)負載電阻增大時，高頻功率放大器輸出電壓增大，電路的工作狀態(tài)是由欠壓區(qū)過渡到臨界狀態(tài)直至過壓區(qū)，仿真結(jié)果與理論分析一致。

3 結(jié)束語

利用Multisim軟件構(gòu)建了由甲類和丙類功率放大器級聯(lián)的高頻功率放大器，并對功率放大器的相關(guān)性能進行了仿真測試。仿真結(jié)果表明：前級甲類功率放大器具有較好的放大性能;調(diào)諧后級丙類功率放大器使其處于諧振狀態(tài)，可獲得較高的電壓增益;隨負載阻抗的增大，高頻功放的工作狀態(tài)由欠壓區(qū)過渡到臨界狀態(tài)直至過壓區(qū)。

[1]曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析[M].4版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2]任丹.基于Multisim的高頻功率放大器特性分析[J].遼寧學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，18(2)：114_117.

[3]馬英.高頻電子線路實驗箱利弊的思考[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2007，5(2)：93_94.

[4]Stephen L Herman.Electronics for Electricians[M].4th ed.北京：機械工業(yè)出版社，2004：151_154.

Simulation Analysis of High-frequency Power Amplifier Based on M ultisim

ZHENGWen
(Department of Physics and Electronic Science，Binzhou University，Binzhou 256603，China)

A typical high-frequency resonance power amplifier which is the cascade connection of the class-A and the class-C power amplifier is built and simulated by means of advanced RF simulation method of Multisim.The work state of class-A power amplifier，the tuning characteristics of class-C power amplifier and the load characteristics of cascade amplifier are given in the form of grading test and cascade test.The simulation results agree with the theoretical analysis，which provided safeguard for the practice teaching of high frequency electronic circuit.

Multisim software;high-frequency resonance power amplifier;simulation;analysis

TN722

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.009

2013_09_13

濱州學(xué)院實驗技術(shù)研究項目（BZXYSYXM201102）。

鄭 文（1982_），女，碩士，講師，主要從事電子與通信的教學(xué)與研究工作。