朱高中

（渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南 714000）

0 引言

高頻諧振放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)中，高頻功率放大器的主要功能是放大高頻信號，并且以高效輸出大功率為目的。它主要應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機中。高頻信號的功率放大，其實質(zhì)是在在輸入高頻信號的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率，因此除要求高頻功放產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為了提高效率，高頻功放都工作在丙類狀態(tài)。高頻功率放大器實驗通常借助試驗箱來完成實驗教學，但高頻實驗在檢測信號干擾嚴重，通過示波器輸出信號很難達到理論的波形數(shù)據(jù)，故此可以采用實踐實驗教學和仿真實驗教學兩者結(jié)合的方法［1-3］，一方面能夠使學生掌握高頻的基本理論知識;另一方面可以使學生在根據(jù)仿真輸出的波形數(shù)據(jù)更好分析實踐實驗教學中所存在的問題和現(xiàn)象。本文探討將Multisim仿真軟件應(yīng)用于高頻電子線路實驗教學當中，彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足，提高了實驗教學的質(zhì)量。

1 Multisim在高頻實驗教學中的應(yīng)用

在高頻電子線路創(chuàng)新實驗的教學中，首先因根據(jù)電路的要求和其工作原理設(shè)計正確的原理圖，然后根據(jù)原理圖在Multisim工作區(qū)調(diào)出電路原理圖中的電子元器件，創(chuàng)建仿真電路，檢查連線是否完好，設(shè)置電路參數(shù)，然后調(diào)出虛擬示波器和萬用表及頻譜分析儀對電路進行時域和頻域的分析處理，確定電路性能，根據(jù)電路的要求分析輸出波形是否正確，如果仿真結(jié)果不正確，檢查參數(shù)設(shè)置情況，再次進行仿真分析，直到輸出的波形和理論波形完全符合要求為止，最后寫出實驗分析報告。其實驗流程圖如圖1所示。

圖1 實驗仿真教學流程圖

2 高頻諧振功率放大器的工作原理

2.1 高頻諧振電路基本原理

高頻諧振功率放大器的原理電路如圖2所示。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路3部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率fT。晶體管作為一個電流控制器件，它在較小的激勵信號電壓作用下，形成基極電流ib，ib控制了較大的集電極電流ic，ic流過諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類狀態(tài)下工作。由工作原理可得關(guān)系式。

（1）外部電路關(guān)系式：

（2）晶體管的內(nèi)部特性：

圖2 諧振功率放大器原理圖

（3）（半）導通角：根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：

2.2 高頻功率放大器的特性曲線

在高頻功率放大器中根據(jù)晶體管工作的是否進入飽和區(qū)域，可把高頻諧振功率放大器分為欠壓、臨界和過壓3種工作狀態(tài)，其高頻諧振功率放大器的動態(tài)特性曲線如圖3所示。由圖3可知高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)是由集電極的諧振阻抗RL、輸入信號的幅度Ubm、基極偏置電壓UBB和集電極電源電壓UCC4個參量決定的。

圖3 諧振功率放大器的動態(tài)特性曲線

假設(shè)UBB、UCC和RL3個參量不變的情況下，改變Ubm，放大器的工作狀態(tài)將跟隨變化，當Ubm由小增大時，晶閘管的導通時間加長，集電極的電流脈沖寬度和高度均增加，隨著輸入電壓Ubm的增大，輸出波形出現(xiàn)凹陷情況，此時放大器的工作狀態(tài)從欠壓狀態(tài)進入臨界然后過壓狀態(tài)如圖4（a）所示。在欠壓狀態(tài)下隨著Ubm的增大集電極電流的脈沖高度增加顯著，所以Ic0、Ic1和相應(yīng)的Ucm隨著Ubm的增加而迅速的增大。在過壓狀態(tài)時，Ubm增大時集電極電流高度增大緩慢并出現(xiàn)凹陷波形，其凹陷波形也逐步加深，此時Ic0、Ic1和相應(yīng)的Ucm增加緩慢，Ic0、Ic1和Ucm隨Ubm變化的特性曲線如圖4（b）所示。

圖4 Ubm對諧振放大器的工作狀態(tài)的影響

3 高頻諧振功率放大器電路虛擬仿真分析

在Multisim工作區(qū)創(chuàng)建高頻諧振功率放大器電路圖，并添加了虛擬示波器和信號源，仿真電路圖如圖5所示，調(diào)節(jié)信號源發(fā)生器，使輸入信號fi=465 kHz，信號源的振幅為Ubm，集電極的直流電源電源UCC=12 V，基極電壓采用零偏置的形式，L1、C1構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。它們與R2構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，電感L1為510 μH的恒定電感，電容為C1為350 pF的可調(diào)電容，通過微調(diào)L1C1諧振回路的諧振電容C1使集電極電流達到最小值，即此時功率放大器工作諧振的工作狀態(tài)。通過不斷增大Ubm，對輸出信號進行特性分析。

圖5 丙類諧振回路放大器仿真實驗電路

3.1 過壓狀態(tài)下特性分析

給輸入端電源加信號源電壓幅值Ubm，根據(jù)輸入信號源，調(diào)節(jié)負載回路的可調(diào)電阻，用示波器觀察R1及集電極電壓的波形，通過逐步增大可調(diào)電阻R2值為75%，觀察R1輸出波形出現(xiàn)接近對稱的凹陷脈沖，此時表明功放工作在過壓狀態(tài)，R1及集電極電壓分別如圖6所示。

3.2 臨界狀態(tài)下功率與效率的測量

圖6 過壓狀態(tài)下輸出電壓波形

維持輸入信號的頻率和諧振回路R2的可調(diào)電阻阻值不變，逐步減小輸入信號幅值Ubm大小，使功放退出過壓狀態(tài)，根據(jù)不斷減小輸入端信號得出輸出的波形可以看出，當輸入信號電壓的幅值減小到390 mV，使得R1上的電壓波形為最大的尖頂脈沖波形，說明此時功放工作在欠壓和過壓之間的臨界狀態(tài)。其臨界狀態(tài)下R1及集電極電壓波形分別如圖7所示。

圖7 臨界狀態(tài)下輸出電壓波形

3.3 欠壓狀態(tài)下特性分析

維持輸入信號的頻率和諧振回路R2的可調(diào)電阻阻值不變，為了驗證其欠壓狀態(tài)的工作特性，逐步減小輸入信號的幅值大小，使功放退出臨界狀態(tài)，調(diào)節(jié)輸入信號電壓的幅值的減小到380 mV，此時功放已經(jīng)退出臨界狀態(tài)，功放工作于欠壓狀態(tài)，其欠壓狀態(tài)下R1及集電極的電壓波形分別如圖8所示。通過欠壓狀態(tài)R1輸出波形和臨界狀態(tài)下相比可知，欠壓狀態(tài)下R1輸出電壓的尖頂脈沖波形迅速下降，而欠壓狀態(tài)下集電極輸出電壓和過壓、臨界相比，輸出集電極電壓波形脈沖下降幅度比較明顯。

綜上3種情況的對比可知，當Ubm的電壓逐步增大的過程中，從放大器的工作狀態(tài)可以看出，滿足工作狀態(tài)從欠壓→臨界→過壓的工作特性，從R1輸出的電壓脈沖波形可以看出，滿足了集電極電流從欠壓→臨界的狀態(tài)下，電流脈沖寬度和高度均迅速增大的情況，從臨界→過壓的情況下，雖然集電極的脈沖寬度和高度在增大，但增長緩慢并出現(xiàn)凹陷部分。

圖8 欠壓狀態(tài)下輸出電壓波形

4 結(jié)語

應(yīng)用Multisim軟件對高頻諧振功率放大器進行虛擬實驗仿真分析。實驗結(jié)果表明，虛擬仿真和理論分析及計算結(jié)果一致，不但理論聯(lián)系實際，而且非常貼近工程實踐。將Multisim軟件應(yīng)用于高頻電子線路實驗教學，免受實驗教學內(nèi)容和儀器設(shè)備的限制，豐富了實驗教學內(nèi)容，拓寬了實驗教學的空間，激發(fā)了學生學習的積極性，提高了學生的創(chuàng)新意識。

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