簡介基于Multisim的高頻功率放大器課程論文面向電子信息、自動化等專業(yè)學(xué)生可用于高頻電路設(shè)計、功率放大器仿真分析的學(xué)習(xí)與參考。文檔圍繞功率放大器定義與分類重點講解甲類、丙類級聯(lián)高頻功放的設(shè)計思路結(jié)合Multisim仿真給出調(diào)諧特性、負(fù)載特性及工作狀態(tài)分析。包內(nèi)共1個doc文件大小5.61MB內(nèi)容完整包含摘要、目錄、電路設(shè)計與參數(shù)計算、仿真結(jié)果等章節(jié)。已有350人學(xué)習(xí)下載。讀者可借此掌握高頻功放原理、Multisim高頻仿真操作流程以及分級測試與級聯(lián)調(diào)試方法對課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計或工程實踐均有參考價值。1. 項目背景與適用人群Multisim是電子工程領(lǐng)域用得最多的仿真工具之一很多課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計都離不開它。最近幫人調(diào)試了一個高頻功率放大器的Multisim仿真項目今天把這套完整經(jīng)驗整理出來從原理拆解到仿真搭建再到排錯一次性講透省得你再走彎路。高頻功率放大器是通信電子線路課程的核心內(nèi)容也是電子信息工程、通信工程專業(yè)課程設(shè)計或綜合實驗的熱門題目。所謂高頻功率放大器就是把高頻小信號放大到足以驅(qū)動天線發(fā)射的功率級別它工作在射頻頻段和低頻功放在設(shè)計思路、參數(shù)計算上都差別很大。很多同學(xué)用Multisim搭這個電路最常見的結(jié)果就是仿真跑不出來、波形不對、輸出功率不達標(biāo)然后就開始懷疑軟件是不是有問題。其實大多數(shù)時候不是Multisim的鍋而是對電路原理的理解不到位或者仿真參數(shù)設(shè)置有坑。這個項目正好適合兩類人一類是要做課程設(shè)計、期末大作業(yè)的在校學(xué)生另一類是想用Multisim做射頻電路預(yù)驗證的工程師?？赐赀@篇文章你應(yīng)該能獨立完成高頻功放的Multisim仿真并且能看懂每個參數(shù)為什么這樣設(shè)。2. 電路選型與整體設(shè)計思路2.1 為什么要選丙類諧振功放高頻功率放大器常用的工作狀態(tài)有甲類、乙類、丙類三種。甲類效率理論最高只有50%實際做出來也就30%~40%這在功率放大場景下完全不能接受。乙類效率能到78.5%左右但存在交越失真問題。丙類功放的導(dǎo)通角小于90度效率可以達到80%以上甚至做到更高非常適合射頻功率放大這種對效率要求苛刻的場景。你可能要問導(dǎo)通角小了波形不是嚴(yán)重失真了嗎確實丙類功放的集電極電流是脈沖狀的諧波分量很大但這恰恰是它的設(shè)計精髓——通過集電極回路的LC諧振網(wǎng)絡(luò)選頻只讓基波分量通過諧波分量被濾除最終在負(fù)載上得到的還是完整的正弦波。這個過程和篩沙子有點像沙子倒進篩子細(xì)的漏下去粗的留在上面LC諧振網(wǎng)絡(luò)就是那個篩子把基波篩出來把諧波丟到地上。從實用角度講丙類諧振功放在Multisim里的仿真效果也比較直觀你能清楚看到脈沖電流如何變成正弦輸出電壓這對理解工作原理幫助很大。所以這個項目的核心結(jié)構(gòu)就是丙類放大晶體管 基極饋電網(wǎng)絡(luò) 集電極LC諧振網(wǎng)絡(luò) 輸出負(fù)載。2.2 Multisim版本選擇與仿真環(huán)境配置Multisim的版本很多從老掉牙的Multisim 10到現(xiàn)在的Multisim 14.3界面和元件庫都有差異。我個人實測下來做高頻功放仿真用NI Multisim 14.x系列最順手元件庫全仿真引擎對射頻電路的收斂性也更好。這里有個容易踩的坑Multisim訪問數(shù)據(jù)庫報錯的問題。很多同學(xué)打開軟件準(zhǔn)備找三極管結(jié)果直接彈窗告訴你無法訪問數(shù)據(jù)庫元器件庫里的東西全都變成了灰色。我在實際使用中最常碰到的是兩種情況。第一種是安裝路徑帶中文或特殊字符Windows系統(tǒng)解析不到數(shù)據(jù)庫路徑解決方法是去安裝目錄下的database文件夾把它復(fù)制到純英文路徑下然后在軟件的Global Preferences里手動指向這個新路徑。第二種是殺毒軟件自作主張動了數(shù)據(jù)庫文件這種情況下只能重裝數(shù)據(jù)庫組件或者把殺毒軟件先關(guān)了再重新加載數(shù)據(jù)庫。還有一個高頻問題Multisim元器件庫不見了。這個多數(shù)時候是視圖設(shè)置被改動在菜單欄的View里面找到Circuit Parameters或者設(shè)計工具箱面板的開關(guān)重新勾選顯示元器件庫面板就行。如果重啟軟件也不管用可以試試直接恢復(fù)默認(rèn)布局。2.3 整體功能拆解這個仿真項目可以從功能上拆成四塊信號源部分、放大電路部分、選頻網(wǎng)絡(luò)部分、測量輸出部分。信號源用Multisim里的信號發(fā)生器代替實際天線接收到的微弱高頻信號頻率設(shè)定在所需的中心頻率上。放大電路部分需要一個型號合適的NPN高頻三極管配合基極偏置電路提供合適的工作點。選頻網(wǎng)絡(luò)就是LC并聯(lián)諧振回路用來濾除諧波。測量輸出部分用示波器和功率表觀察輸出波形和功率數(shù)值。每一塊在Multisim里都有對應(yīng)的元件和儀器整體搭建思路很清晰。信號源用AC Power Source或者Function Generator都行我個人建議用Function Generator因為它可以直接設(shè)置頻率和幅度操作更直觀。放大電路用BJT晶體管Multisim元件庫里面的2N2222、BC547這種常用管子仿真表現(xiàn)尚可但要說高頻特性最好是選專門的射頻三極管Multisim的元件庫里有2N3866這類管子用在高頻功放仿真里效果更穩(wěn)。3. 核心理論與參數(shù)計算3.1 輸出電壓和功率的核心關(guān)系高頻功率放大器設(shè)計要先確定幾個關(guān)鍵參數(shù)工作頻率、輸出功率、電源電壓、負(fù)載阻抗。這些參數(shù)確定之后才能計算諧振網(wǎng)絡(luò)的LC取值和晶體管的偏置電路。在實際設(shè)計中集電極輸出電壓的幅值Ucm約等于電源電壓Vcc乘以電壓利用系數(shù)ξ這個系數(shù)通常取0.9左右。例如電源電壓12V時理論輸出電壓幅值在10.8V左右有效值大約7.6V。如果要在50歐負(fù)載上得到1W輸出功率需要的電壓有效值就是根號下(P×R)算出來約7.07V所以12V供電留出的余量是足夠的。輸出功率和電壓的關(guān)系很多人算不清楚其實就一個公式Pout Uout2 / (2RL)這里的Uout是輸出電壓的峰值。這個公式是整個功率設(shè)計的基礎(chǔ)不管后邊怎么調(diào)整參數(shù)最終都要回到這個關(guān)系上驗證對不對。3.2 丙類功放的導(dǎo)通角與效率丙類功放的核心就是讓晶體管只在輸入信號的很小一段區(qū)間內(nèi)導(dǎo)通。導(dǎo)通角越小效率越高但輸出功率會下降兩者存在一個平衡點。實際設(shè)計中導(dǎo)通角通常取60到90度之間對應(yīng)的效率為65%到78%上下輸出功率也還有保證。Multisim里怎樣控制導(dǎo)通角答案是調(diào)整基極偏置電壓。正常丙類功放要求基極電壓低于晶體管的開啟電壓讓管子處于截止?fàn)顟B(tài)只有當(dāng)輸入信號的正半周幅度超過截止偏壓和開啟電壓之和時管子才短暫導(dǎo)通。Multisim里就是把這個偏置電壓設(shè)為負(fù)值或者低于0.7V對硅管而言讓管子在信號的大部分周期內(nèi)截止。3.3 關(guān)鍵計算公式匯總設(shè)計一個中心頻率10MHz、輸出功率約1W的高頻丙類功放需要計算的參數(shù)主要有下面這些諧振頻率f 1 / (2π√(LC))這是LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率公式10MHz下LC的乘積要滿足這個關(guān)系。集電極電流的直流分量Ic0 iCmax × α0(θ)其中α0(θ)是余弦脈沖分解系數(shù)和導(dǎo)通角有關(guān)通常查表得到。輸出功率Pout 0.5 × Ucm × Ic1其中Ic1是集電極電流的基波分量幅值。效率η Pout / (Vcc × Ic0)這個比值直接反映了功放把直流能量轉(zhuǎn)換為交流輸出能量的能力。以Vcc12V、期望Pout≈1W、RL50Ω為例Ucm≈0.9×1210.8V輸出峰值電流Icm≈Ucm/RL≈0.216A基波分量需要從余弦脈沖中分解出來按導(dǎo)通角70度計算α1大約0.44所以集電極電流峰值iCmax≈Icm/α1≈0.49A。集電極直流分量Ic0≈iCmax×α0(θ)α0大約0.25算下來約0.123A所以直流輸入功率約1.48W理論效率約為67.5%。這個效率和理論分析吻合丙類功放做到65%~75%是正常水平。LC取值的計算諧振網(wǎng)絡(luò)在10MHz下諧振假設(shè)選C100pF那么L1/(4π2×f2×C)代入數(shù)值算出來約2.53μH。實際仿真中可以選一個接近的電感值然后用可變電容微調(diào)直到輸出波形幅度最大、失真最小。4. Multisim仿真詳細(xì)搭建步驟4.1 元件選擇與參數(shù)設(shè)置打開Multisim新建一個電路圖文件。元器件庫路徑和命名在不同版本里略有差別但工作流程差不多。強烈建議先確認(rèn)數(shù)據(jù)庫正常加載不然找半天找不到元件。需要放置的元件清單如下高頻NPN三極管可以從元件庫的Transistors類別里選BJT_NPN型號選2N2222A或者BF199都可以。我自己經(jīng)常用2N2222A做課程設(shè)計它在Multisim里的模型參數(shù)對10MHz以下的高頻功放來說夠用。電感L從Basic庫里選Inductor設(shè)置電感量2.5μH左右。電容C從Basic庫里選Capacitor設(shè)置100pF左右另外還需要一個隔直電容選0.1μF。 Multisim里電容單位注意別搞錯pF和μF差了十萬八千里。電阻基極偏置電阻和射極電阻按照計算值設(shè)置。直流電源VCC設(shè)為12V另外需要一個負(fù)壓電源VBB設(shè)為-1V左右用于給基極提供截止偏壓。信號源Function Generator頻率10MHz幅度設(shè)成幾百毫伏級比如200mV丙類功放輸入不需要太大的幅度。示波器Oscilloscope觀察輸入輸出波形。功率表Wattmeter測量輸出功率。元件放在電路圖上之后先別急著連線按照教科書上丙類功放的典型電路結(jié)構(gòu)理清連接關(guān)系信號源經(jīng)過隔直電容連接到三極管基極基極偏置由VBB通過電阻接入集電極經(jīng)過LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)連接到VCC輸出從諧振網(wǎng)絡(luò)兩端引出到負(fù)載。4.2 仿真參數(shù)設(shè)置與運行仿真參數(shù)設(shè)置是個容易出問題的地方。軟件默認(rèn)的仿真步長和分析類型有時候不適合高頻電路導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真甚至提示錯誤。實際操作中我一般會做下面這幾步設(shè)置。在Simulate菜單中選擇Analysis and Simulation然后選擇Transient Analysis。在Output選項卡里勾選需要觀察的節(jié)點電壓比如輸入節(jié)點、集電極節(jié)點和輸出節(jié)點。在Analysis Options里把仿真精度調(diào)高一點尤其是Maximum time step這個參數(shù)建議設(shè)置成信號周期的1/100以下也就是對于10MHz信號時步設(shè)成1ns級別。如果這里設(shè)置得太大波形會出現(xiàn)明顯的鋸齒狀失真看起來會誤以為是電路設(shè)計錯了。啟動仿真之前把示波器面板打開仿真結(jié)束后直接看波形。需要注意的是Multisim的瞬態(tài)分析默認(rèn)從t0開始電路起振需要一定時間所以觀察的時候可以把示波器的時基調(diào)大一點先等電路進入穩(wěn)態(tài)比如看波形的話啟動仿真后前幾百納秒的波形是不準(zhǔn)的要等它穩(wěn)定下來。4.3 調(diào)試點與觀察目標(biāo)整個系統(tǒng)搭好之后要觀察的關(guān)鍵信號是集電極輸出波形。如果輸出依舊是正弦波且幅度遠(yuǎn)大于輸入信號說明放大功能正常。如果輸出波形嚴(yán)重失真或者干脆沒有輸出就要倒回去檢查元件參數(shù)和連接。調(diào)試過程中重點看三個節(jié)點的波形輸入信號波形、基極電壓波形、輸出波形?；鶚O電壓波形能直接體現(xiàn)丙類工作的特征——大部分時間內(nèi)基極電壓低于開啟電壓只有信號正峰值附近才超過開啟電壓形成電流脈沖?？吹竭@一點你就確認(rèn)管子工作在丙類狀態(tài)了。輸出波形應(yīng)該是一個完整正弦波。如果輸出波形有削頂說明輸入的驅(qū)動幅度過大或者諧振網(wǎng)絡(luò)失諧需要降低信號源幅度或者微調(diào)LC參數(shù)。如果輸出波形有嚴(yán)重的諧波畸變說明LC諧振網(wǎng)絡(luò)的Q值太低選頻作用不夠。5. 調(diào)試過程中遇到的實際問題5.1 輸出波形削頂這是做這個仿真時最容易碰到的問題。原因通常是兩種輸入信號幅度太大導(dǎo)致管子過驅(qū)動或者基極偏置電壓設(shè)置不合理管子在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)進入飽和區(qū)。調(diào)整方法是把信號源幅度降下來或者把VBB往負(fù)方向調(diào)一點點讓管子導(dǎo)通得更淺一些。還有一種比較隱蔽的情況LC諧振網(wǎng)絡(luò)不諧振電路等效阻抗很低負(fù)載線斜率變化導(dǎo)致晶體管提前進入飽和。這個時候需要回頭驗證LC參數(shù)確認(rèn)諧振頻率和信號頻率一致。5.2 Multisim仿真速度特別慢高頻功放電路需要很小的仿真步長如果仿真時間范圍又設(shè)得很大計算量會暴增。這臺電腦差一點的話跑一次仿真喝杯咖啡都不夠。我在實際使用中摸索出來的經(jīng)驗是把瞬態(tài)分析的結(jié)束時間控制在讓電路剛進入穩(wěn)態(tài)即可不要無謂地拉長觀察窗口。比如10MHz信號瞬態(tài)分析設(shè)置成10到20個信號周期就足夠了也就是1到2微秒。把Maximum time step設(shè)置成信號周期的1/100這樣兼顧精度和速度。另外檢查一下是否同時運行了好幾個儀器特別是頻譜分析儀如果一直開著會大量消耗資源。不需要觀察的時候直接把對應(yīng)儀器的顯示面板關(guān)掉。5.3 元器件庫丟失問題這個話題在熱搜里頻繁出現(xiàn)不是沒道理的Multisim的數(shù)據(jù)庫確實偶爾抽風(fēng)。最典型的現(xiàn)象是打開放置元件窗口里面空空如也什么庫都不顯示。我遇到過一次后來發(fā)現(xiàn)是軟件在非正常退出后配置文件損壞了。解決方法是在安裝目錄下找到database文件夾看看里面還有沒有Master Database文件如果文件還在用軟件的Database Manager重新加載一次就行。如果數(shù)據(jù)庫文件真的丟了最簡單的辦法是重裝軟件。不過重裝之前先把之前的設(shè)計文件備份好免得元件庫恢復(fù)之后原來的電路圖打不開。5.4 仿真報錯不收斂Multisim在高頻電路仿真中經(jīng)常報convergence error或者直接提示仿真數(shù)據(jù)異常。這個問題的根源在于電路里有器件的參數(shù)導(dǎo)致數(shù)值計算無法收斂。常見的解決辦法有三個把仿真精度從默認(rèn)改成高級設(shè)置增加迭代次數(shù)上限檢查有沒有元件參數(shù)設(shè)置得特別極端比如電阻值設(shè)成幾兆歐或者幾皮法這種極端值容易讓數(shù)值計算出問題還有一個就是給電路加一個很小的阻尼電阻比如和理想電感串聯(lián)一個0.01歐的電阻這在實際器件里必然存在但仿真里的理想元件反而會因為這個看似無用的電阻而讓計算收斂。這塊我特別想吐槽的是Multisim對理想電壓源直接并聯(lián)電感的處理。如果VCC直接接一個純電感沒有串聯(lián)電阻起振瞬間電感電流會突變仿真極容易爆掉。在實際設(shè)計中電感本身有內(nèi)阻電源有內(nèi)阻但仿真里的理想元件把這些都省了反而造成問題。所以最好在VCC和電感之間串一個小阻值的電阻既符合實際又讓仿真穩(wěn)定。6. 測量輸出功率與波形失真檢查6.1 功率表的使用技巧Multisim的Wattmeter可以直接測電路的功率。使用功率表時要注意連接方式電流測量端要串聯(lián)在輸出回路里電壓測量端要并聯(lián)在負(fù)載兩端。很多人第一次用功率表都接錯了結(jié)果讀數(shù)完全不對。正確接法是從負(fù)載電阻上方的節(jié)點把功率表的電流輸入端口串進去電壓輸入端口并接在負(fù)載兩端。如果負(fù)載一端接地功率表電壓端子的另一端接地就行。6.2 失真度與諧波分析高頻功放的諧波抑制性能很關(guān)鍵。Multisim自帶的Distortion Analyzer可以測量總諧波失真在Simulate菜單下的Instruments里可以找到。測量步驟是把失真度分析儀的輸入端并接在負(fù)載兩端打開開關(guān)設(shè)置基波頻率為信號源頻率然后讀數(shù)。如果THD太大超過10%優(yōu)先檢查LC諧振網(wǎng)絡(luò)的Q值Q值等于特性阻抗除以等效串聯(lián)電阻Q值越高選頻能力越強諧波抑制效果越好。適當(dāng)增大L和C的比值能提高Q值但L太大又會導(dǎo)致分布電容影響變大在Multisim仿真中雖然沒有分布電容的困擾但過大的L值會讓諧振網(wǎng)絡(luò)對元件參數(shù)極其敏感稍微偏一點頻率輸出就掉下來。6.3 效率的計算與驗證用功率表測出輸出功率之后再測一下直流電源提供的功率。直流功率等于VCC乘以電源輸出的電流平均值這個電流值可以用萬用表串聯(lián)到電源支路測出來。兩個功率相除就是功放的效率。我實測這個電路在Multisim里的效率大約在60%到75%之間這取決于具體的導(dǎo)通角和LC參數(shù)設(shè)置。如果你調(diào)出來的效率遠(yuǎn)低于這個范圍比如只有30%說明工作狀態(tài)可能偏到甲類或者乙類去了需要檢查基極偏置電壓和輸入信號幅度。順便說一下Multisim里指針式萬用表的用法從右邊的儀器工具欄里找到Multimeter它的內(nèi)阻默認(rèn)值很大在測量電流時要改成小內(nèi)阻模式不然會干擾電路。具體操作是雙擊萬用表圖標(biāo)在面板上點擊Set把電流檔內(nèi)阻改成1mΩ級別。這個細(xì)節(jié)很少人注意很多人直流電流測不準(zhǔn)就是這個原因。7. 常見問題速查表問題現(xiàn)象可能導(dǎo)致的原因排查與解決方法輸出波形削頂嚴(yán)重輸入信號幅度過大或偏置不當(dāng)降低信號源幅度調(diào)整VBB負(fù)偏壓無輸出波形電路連接錯誤或元件參數(shù)為0檢查線路確認(rèn)LC取值非零波形諧波畸變大LC諧振網(wǎng)絡(luò)失諧或Q值過低微調(diào)諧振頻率增大L/C比值仿真速度極慢時步設(shè)得太小或仿真時間過長用信號周期的1/100作為最大時步縮短觀察窗口報錯不收斂理想元件導(dǎo)致數(shù)值計算崩潰串入小阻尼電阻提高迭代次數(shù)限制數(shù)據(jù)庫加載失敗安裝路徑含中文或數(shù)據(jù)庫文件損壞移動數(shù)據(jù)庫到英文路徑或重新加載數(shù)據(jù)庫文件元器件庫面板空白配置文件異?；蛞晥D被隱藏在菜單欄重新打開元器件庫視圖必要時重裝組件這張表基本覆蓋了Multisim做高頻功放仿真時最常見的坑。有過一次經(jīng)驗之后再碰到類似問題基本幾分鐘就能定位。8. Multisim仿真心得與若干注意事項整套仿真做下來最深的體會是Multisim這種仿真工具雖然方便但它不能替你做設(shè)計。原理清楚了元器件參數(shù)知道為什么這么選仿真只是驗證手段如果原理一團漿糊指望通過調(diào)整Multisim里的某個參數(shù)把電路調(diào)好基本是在碰運氣。有一個常見誤區(qū)想提醒各位Multisim里的三極管模型是簡化模型和實際器件的寄生參數(shù)有差別。仿真結(jié)果正確只能說明設(shè)計思路和電路結(jié)構(gòu)沒問題真要做實物的同學(xué)一定要留出調(diào)試余量比如把電源電壓選高一點或者把輸出功率目標(biāo)定低20%否則實物做出來大概率和仿真差距不小。還有一個小技巧做高頻電路仿真時盡量讓電路布局與原理圖結(jié)構(gòu)一致把信號源、偏置網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載分層畫清楚。這不是為了好看而是方便自己后續(xù)排查。信號鏈路一旦清晰出問題時定位也就快。Multisim的仿真速度和版本關(guān)系很大同一份電路在Multisim 14.3上跑比在Multisim 10上跑穩(wěn)定很多。如果你的電腦配置一般建議關(guān)掉軟件界面的3D效果在Options菜單里把繪制質(zhì)量和渲染等級調(diào)低能明顯緩解卡頓對仿真結(jié)果沒有任何影響。另外關(guān)于示波器顯示波形的細(xì)節(jié)Multisim自帶的示波器默認(rèn)通道是A和B兩個輸入端通道A接輸入信號通道B接輸出信號觸發(fā)電平設(shè)為0時基設(shè)為50ns/div左右這樣在10MHz信號下能清楚看到約兩個周期的波形。如果波形跳動不穩(wěn)定點擊示波器面板上的Reverse按鈕把顯示背景調(diào)成白色的看起來更舒服。最后再提醒一句仿真完成后保存文件時文件名盡量用英文不要帶空格和特殊符號。這不僅是為了你自己方便更是為了避免跨設(shè)備打開時出幺蛾子。我就見過不少同學(xué)文件名叫“高頻功放-最終版(2).ms14”結(jié)果換臺電腦就提示數(shù)據(jù)庫加載異常折騰許久才發(fā)現(xiàn)其實是文件名編碼問題。本文還有配套的精品資源點擊獲取