基于Multisim13的高频谐振功率放大器仿真研究

陶彬彬，张 静

0 引言

“高频电子线路”是电子专业与通信专业的一门专业基础课程，该课程理论性强、数学公式和分析方法比较多，与工程结合较为紧密[1].高频功率放大器是高频电子线路课程中的教学重点和难点，其不仅涉及到电路、模电、信号与系统、高等数学等众多知识点，而且电路状态分析困难、繁琐，使得同学们在学习高频功率放大器的时候比较困难并且效果也不理想.只有通过实验才能更好理解所学理论知识，熟练运用相关概念和分析方法处理实际电路中出现的问题.但是目前许多高频实验箱比较容易出现问题，使得有些实验无法得到理想的结果，反而加重学生的困惑[2].而运用Multisim电路仿真软件进行电路设计、仿真分析，简便、直观、准确，不仅可以克服实验箱实验的误差，还可以提高同学们电路设计的能力.

很多学者已经将Multisim软件用于高频电子线路的仿真，并取得理想的效果[3]-[7].

本文主要是运用Multisim13仿真软件对高频功率放大器进行设计仿真，主要进行集电极脉冲波形观察、频谱分析，可以克服试验箱不易观察集电极脉冲的情况；实验箱进行负载特性分析的时候测量电阻需要断电测量，比较麻烦，而且不够准确，本文使用Multisim的参数分析进行负载特性分析，集电极特性分析，方便，快捷，准确，直观.运用瓦特表进行输出功率的测量，计算效率.

1 高频功率放大器的原理

高频功率放大器也称丙类功放，它是一种能量转换器件，可以将电源供给的直流能量转换为高频交流输出.高频谐振功率放大器是无线通信系统发送端的重要组成部分，作用是对待发射信号进行放大，以产生所需要的功率，以满足天线和负载要求[8][9].

1.1 电路组成

丙类功放原理如图1所示，VBB为基极偏置电压，使放大器工作于丙类，其值通常为0或者为负值，LC回路调谐于输入信号的中心频率，构成滤波匹配网络，RL为功放外接等效负载电阻.VCC为集电极直流电源.

图1 高频功率放大器原理图

1.2 电压、电流波形

输入信号电压ui=Vbmcosωt，则加到晶体管基极，发射级的有效电压为:uBE=ui+VBB=Vbmcosωt+VBB，由晶体管的转移特性曲线（图2）可以看出：当uBE＜VBZ，ic=0， 当 uBE＞VBZ，ic=gc(UBE-VBZ)，ic=gc(Vbmcosωt+VBB-VBZ)为余弦脉冲，由于当 ωt=θ 时，ic=0，当ωt=0 时，ic=icmax，

因此，ic=gc[Vbmcosωt-(VBZ-VBB)]=gc[Vbmcosωt-Vbmcosθc]=gcVbm[cosωt-cosθc]，尖顶余弦脉冲的数学表达式，余弦脉冲为周期信号，进行傅里叶级数展开为 ic=Ic0+Icm1cosωt+Icm2cosω2t+…+Icmncosωnt+…，

计算可得各系数为：

式中：α0(θc)，α1(θc)，αn(θc)称为尖顶余弦脉冲的分解系数.一般可以根据θc数值查表求出各分解系数的值.Ic0，Ic1，Icn分别为直流、基波、n次谐波的振幅.通过LC选频网络可以将基波信号取出，滤除高次谐波和直流，得到无失真的余弦信号，即基波信号.基波信号与输入信号相比同频反相，幅度放大.

图2 高频谐振功率放大器电压与电流关系

图3 集电极脉冲随着RL变化

1.3 谐振功率放大器工作状态与负载特性

VCC、VCC、ui不变时，放大器的电流、电压、功率和效率等随谐振回路的谐振电阻RL变化的特性称为放大器的负载特性.

图4 负载特性

由图3、图4可以看出随着RL，放大器的工作状态逐渐从欠压到临界到过压，集电极脉冲逐渐减小并在过压时出现凹陷，直流IC0、基波IC1逐渐变小，基波电压Ucm逐渐增大，输出功率P0在临界状态最大，效率ηc在弱过压时最大.

1.4 VCC对放大器工作状态的影响

RL、VBB、Vbm不变，VCC时，使放大器从过压区经临界状态过渡到欠压区.由图6图7可以看出，随着集电极直流电压VCC得增大，放大器的工作状态逐渐从过压到临界再到欠压，对应集电极脉冲逐渐增大，过压区出现凹陷.直流IC0、基波IC1、基波电压Ucm逐渐增大.

图6 集电极特性

图7 集电极脉冲随着VCC的变化

2 仿真分析

2.1 集电极电流观察

如图8所示电路图，首先观察集电极脉冲，集电极脉冲在高频实验箱里不易观察，本实验在观察集电极脉冲时需要把开关打到负载为纯电阻端即3号端，这样集电极得到的余弦脉冲电流没有经过滤波，直接在R2上产生电压icR2，此电压与余弦脉冲电流同频同相，所以测量此电压波形、频谱特征可以很好的反映ic特征.通过示波器观察波形，如图9所示，从图9可以，基极输入余弦信号，集电极出现周期性余弦脉冲，周期与输入信号一致，幅值放大.图10为集电极电压得频谱分析，可以看出，包含直流、基波、二次谐波等多个频率分量，与理论分析一致.

图8 仿真电路图1

当开关打到6号端，此时负载为LC并联谐振回路端，谐振频率为基波频率1MHz，得到如图11所示的波形，从图11可以看出，输出信号（绿色）与输入信号（红色）同频，反相，幅值放大.集电极频谱分析如图12所示，单频信号1MHz.与理论一致.

图9 集电极输出（纯电阻）

图10 集电极电压频谱分析（尖顶脉冲）

图11 集电极输出（谐振回路）

图12 集电极电压频谱分析（余弦信号）

2.2 特性分析

在实验室用高频实验箱观察信号的负载特性、集电极特性常常比较麻烦，也不够准确，用Multisim电路仿真软件不仅方便，而且直观，误差小，别是观察负载特性时避免了断电测量电阻的麻烦和不准确.只需要用Multisim仿真软件中的参数分析即可完成[10].仿真电路图8开关打至6谐振回路模式.

图13 负载特性（集电极脉冲）

选择参数分析，分析负载变化对集电极脉冲电流的影响得到结果如图13所示，从图13可以看出，随着负载电阻RL（R1）增大，尖顶脉冲逐渐减小，在10kΩ和20kΩ出现凹陷，说明随着负载电阻RL（R1）的增大，放大器的工作状态逐渐从欠压到临界到过压区.在参数分析中选择分析输出基波电压Ucm随着负载 RL变化得到图 14（a）和图 14（b）.从图14（a）和图14（b）可以看出集电极输出基波电压随着RL增大而增大，过压状态增长缓慢，欠压区增长快.

图14 （a） 集电极基波电压

图14 （b） 集电极基波电压（光标指示）

图 15（a）和图 15（b）为集电极调制特性图，随着VCC的增大，集电极输出基波电压Ucm幅度逐渐增大，放大器的工作状态从过压到临界到欠压，欠压区电压振幅不再增大，过压区电压变化比较大.

图15 （a） 集电极调制特性

2.3 输出功率

高频谐振功率放大器两个重要的指标：一个是输出功率，另一个是效率，仿真电路图如图16所示，接入瓦特表测量输出功率，并接入U1测量直流电流，通过改变RL，VCC观察输出功率，并计算效率得到表1表2：

图15 （b） 集电极调制特性（电压光标指示）

从表1可以看出，负载电阻不变，VCC逐渐增大，由过压向临界再到欠压过度，直流IC0，输出功率P0逐渐增大，进入欠压区以后IC0，P0都基本不变，但是效率过压区的比较高，欠压区较低.与理论一致.

表1 VCC对输出功率的影响

表2 RL对输出功率的影响

从表1可以看出，VCC不变，负载电阻逐渐增大，放大器工作状态从欠压到过压过程，直流IC0呈下降趋势，输出功率P0先增大后减少，临界状态输出功率最大，效率逐渐增大，弱过压区效率最高.与理论一致.

3 小结

通过使用Multisim仿真软件进行了集电极脉冲波形观察、频谱分析，集电极特性、负载特性进行仿真分析，结果直观、清晰，与理论一致.不仅可以增强同学们对理论的理解和掌握，还能够提高他们的电路仿真和设计能力.