基于Multisim的高频功率放大器仿真分析

郑 文

(滨州学院 物理与电子科学系，山东 滨州 256603)

基于Multisim的高频功率放大器仿真分析

郑 文

(滨州学院 物理与电子科学系，山东 滨州 256603)

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，为高频电子线路实践教学提供了保障。

Multisim软件；高频功率放大器；仿真；分析

射频放大电路是射频通信电路中的一种基本电路，能完成信号放大并提供一定的功率增益。高频功率放大器的主要任务就是放大高频信号，使其达到足够的功率，以满足天线辐射的需要或技术指标的要求[1]。本文通过Multisim软件构建了由甲类和丙类级联的高频功率放大器，并对放大器的相关性能进行仿真测试。

1 仿真电路

1.1 Multisim简介

Multisim软件是一款基于Windows的仿真软件，由美国国家仪器(NI)有限公司所推出，被誉为计算机里的电子实验室，其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，能够对电路图进行软件连接，具有较为强大的仿真能力，被广泛应用于电子电路的演示和实验课程[2]。《高频电子电路》作为电子信息工程专业的重要专业课，是理论性和技术性要求均很强的一门课程。高频电子线路实验是对理论学习的有力补充，但受实验设备及实验环境的影响[3]，很难达到理想的实验效果。利用Multisim搭建的实验平台进行仿真分析，符合实验教学的要求。

1.2 仿真电路搭建

高频功率放大器的两个主要技术指标分别是输出功率和转换效率。另外，还应使输出信号里的谐波分量尽可能的小，从而减小对其他频道产生不必要的干扰。

基于实现高频功率放大器的增益在较宽通带内处于稳定的状态，仿真电路由甲类、丙类两级功率放大器级联构成。信号由甲类功率放大器放大，甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号，经过丙类功率放大器放大后的信号具有较高的增益，此过程类似于通信系统中发射机末级的功放[4]。电路原理图如图1所示。

综合考虑，本仿真工作频率定为14.5 MHz，高频功率放大器集电极电压为12.0 V。功率放大器选取型号为2N5551的NPN型高压晶体管。左端的三极管Q1、电感L1及电容C3构成甲类功率放大器，对初始信号进行线性放大;右端的三极管Q2、电感L2、电容C7以及C6、负载回路构成丙类功率放大器。

图1 仿真电路图

2 Multisim仿真及结果分析

2.1 甲类功率放大器工作状态分析

2.1.1 电路组成

R1、R2、R3以及R4共同构成甲类功率放大器的静态偏置。在R1和R2阻值的选取上选择同一数量级，令R1=10 kΩ;R2的最大值选取50 kΩ，通过调节R2来改变放大器增益;令R4=51Ω，R3最大值为1 kΩ;C5为射极旁路电容。在高频电路中，射极旁路的电容值取值也不宜过大，可令C5=10 nF。

2.1.2 结果分析

经计算，取f≈14.5 MHz，即L1、C2谐振时，在晶体管的集电极处得到的电压增益最大。调节静态偏置电阻R3、R4，在集电极处得到更大的增益。由测试得，R2=50 kΩ，R3≈0Ω，测得最大电压增益A≈4。测试结果如图2所示。

图2 甲类功率放大器测试波形图

2.2 丙类功率放大器调谐特性分析

2.2.1 丙类功率放大器电路

调节丙类功率放大器的电源电压为12 V，不连接负载。把基极同甲类功放断开，由放大器基极输入3.0 V/14.5MHz的高频信号。L3、C6、C7构成丙类功率放大器的调谐回路，为确保两级功率放大器谐振于同一频率，令L3=1.0μH，C7=600 pF。当C6≤30 pF时，微调C6可使丙类功率放大器工作于谐振状态，从而确保集电极输出电压达到最大值。

2.2.2 结果分析

调节可变电容C6，分别测试电容值在0、50及100时集电极处的波形。仿真结果表明：当C6取0、50和100时，回路电压增益可达到14.738、7.280和10.132;当C6取时，功率放大器达到最佳工作状态，如图3所示。

图3 丙类功率放大器测试波形图

2.3 甲丙类功率放大器测试电路分析

2.3.1 负载特性测试

负载特性是指在Vcc等参量保持不变的条件下，功率放大器的工作状态与负载电阻的关系。调整电路的相关参数，让电路处于正常工作状态，并保持此时输入电压为3 V，选取外接负载阻值分别为R8=51Ω，R9=75Ω，R10=120Ω。仿真显示：当负载分别为R8、R9和R10时，高频功率放大器的输出电压分别可达到12.209 V、13.273 V和13.793 V。负载取R10的仿真结果如图4所示。

图4 甲丙类功率放大器负载特性

2.3.2 结果分析

当负载电阻增大时，高频功率放大器输出电压增大，电路的工作状态是由欠压区过渡到临界状态直至过压区，仿真结果与理论分析一致。

3 结束语

利用Multisim软件构建了由甲类和丙类功率放大器级联的高频功率放大器，并对功率放大器的相关性能进行了仿真测试。仿真结果表明：前级甲类功率放大器具有较好的放大性能;调谐后级丙类功率放大器使其处于谐振状态，可获得较高的电压增益;随负载阻抗的增大，高频功放的工作状态由欠压区过渡到临界状态直至过压区。

[1]曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析[M].4版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[2]任丹.基于Multisim的高频功率放大器特性分析[J].辽宁学院学报：自然科学版，2011，18(2)：114_117.

[3]马英.高频电子线路实验箱利弊的思考[J].实验科学与技术，2007，5(2)：93_94.

[4]Stephen L Herman.Electronics for Electricians[M].4th ed.北京：机械工业出版社，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

滨州学院实验技术研究项目（BZXYSYXM201102）。

郑 文（1982_），女，硕士，讲师，主要从事电子与通信的教学与研究工作。