毕业设计基于Multisim的高频电路的建模与计算机仿真分析.doc

毕 业 设 计

基于Multisim的高频电路的建模与计算机仿真分析

学院名称：新华学院
专业名称： 电子信息工程
年 级：2007级
学 生 学 号：
学 生 姓 名：邹静
指导教师： 汤全武
申请日期： 2011-5-4

32 / 39

摘 要

由于高频电路在生活实际应用中有很大的作用，因而也是通信系统必不可少的环节。所以对于课题基于multisim的高频电路的建模与计算机仿真分析的研究有很大的意义，并且由于对课题的研究，让我更深入了解了有关高频电路的概念。经过对高频概念基础概念的理解，将高频电路的几部分做一深入的分析和计算机仿真，分别有调谐放大器、正弦波振荡器、高频功率放大器、混频器和调幅与解调。通过介绍这几部分的基础应用和基本原理,利用电子设计工具软件Multisim对电路从方案选择、单元电路设计、元器件参数选取等方面进行具体设计分析，同时对电路进行仿真测试，通过仿真结果分析电路特性，得出结果使电路得到进一步完善。并且经过对基础概念的理解，深入分析调幅收音机的工作原理。

关键词：高频电路； 建模； 计算机仿真； 调幅收音机

Abstract

The high frequency circuit is the actual application has a large part, and is also essential to link communications systems. so based on the issue of high frequency circuit multisim modeling and simulation study of computer analysis is of great significance and the subject of research, let me better understanding about the concept of the high frequency circuit.By the concepts underlying concept of high frequency of the high frequency circuit several parts to make a thorough analysis and computer simulations, tuning of an amplifier, sinusoidal waves oscillator, high frequency of power amplifier, frequency and am and demodulates.By introducing the few parts of the application and principles,the use of electronic design tools Multisim power amplifier circuit of from the program selection, cell design, component selection and other aspects of the specific parameters of design analysis, simulation testing the circuit at the same time , the simulation results of circuit characteristics, the circuit has been further improved.And the basic concepts to understand, analyze am radio works.
Keywords: High frequency circuit； Modeling； Computer simulations； Am radio.

目 录

1绪 论5
1.1 选题背景、目的与意义5
1.2 国外研究综述5
1.3 预期容和目标6
1.4 研究方法6
2高频电路的有关基础概念7
2.1高频电路7
2.2建模7
2.2.1建模的概念7
2.2.2建模过程中的主要活动包括7
2.3计算机仿真7
2.3.1仿真的定义7
2.3.2 计算机仿真8
2.4 multisim 10 软件介绍8
3高频单元电路的建模与计算机仿真分析9
3.1 调谐放大器9
3.1.1 调谐放大器的工作原理9
3.1.2 计算机仿真11
3.1.3 结果分析16
3.2 正弦波振荡器16
3.2.1 正弦波振荡器的工作原理16
3.2.2 计算机仿真17
3.2.3 结果分析19
3.3 高频功率放大器19
3.3.1 高频功率放大器的工作原理19
3.3.2 计算机仿真21
3.3.3 结果分析24
3.4 混频器24
3.4.1 混频器的工作原理24
3.4.2 计算机仿真25
3.4.3 结果分析27
3.5 调幅与解调27
3.5.1 调幅与解调工作原理27
3.5.2计算机仿真28
3.5.3 结果分析31
4调幅收音机的计算机仿真分析32
4.1 调幅收音机的实验原理32
4.2 计算机仿真33
4.3 结果分析36
5结论37
参考文献38
致39

1绪 论
1.1 选题背景、目的与意义
高频电路是在高频段围实现特定电功能的电路,它被广泛地应用于通信系统、现代医疗设备、家用电器等各种电子设备中，在我们的生活中它是必不可少的，存在于我们生活的每一个角落。高频电路主要研究通信系统中共用的基本单元电路，而且主要是讨论非线性电子线路。
根据论文所要求设计的基于Multisim的高频电子线路的建模与计算机仿真,必须熟悉Multisim 软件的操作使用方法，熟练建立各种设计仿真电路,并能快速准确地对电路性能进行仿真分析。根据Multisim仿真理解高频电路的具体容，并且通过理解容，深一步理解调幅收音机的工作原理，并根据工作原理在计算机中进行仿真。并可以通过改变设计方案和电路参数来满足设计和分析的需要, 用示波器观察电压、电流、信号波形,能达到最佳的仿真效果。为电路的实现、调制和运行提供了基本依据。
电子类人才的培养很大程度上是建立在实验和实训基础上的，需要在实践中积累经验，提高能力。仿真软件的出现，极改变了传统的实验模式。Multisim是一款主要用于电路开发和仿真的软件，高频电路在电子信息专业中占取了很大一部分作用，通过Multisim软件对高频电路一些典型容的仿真分析，更确切掌握了它所包含的容，与传统的电路设计过程相比较省去了用实际元器件选择、安装、调试电路的过程既省钱又省工极提高了电路设计效率和设计质量。对我们来说是有非常重大的意义。
1.2 国外研究综述
历史已经跨入21世纪，电脑已经走进寻常百姓家，在新的世纪里，学习电子技术已经离不开计算机。首先随着电子技术器件的发展，尤其是近年来超大规模集成电路芯片的迅猛发展，为计算机技术的发展奠定了硬件基础，反过来，先进的计算机技术又为电子技术提供了广阔的发展空间，特别是近年来，世界上许多计算机软件公司纷纷推出专用于电子电路虚拟仿真的软件，给我们学习电子技术带来了极大的方便，当你学会和掌握了一款优秀的电子仿真软件，就相当于你拥有了一件具有世界先进水平的实验室，电子元器件种类丰富，虚拟仪器品种齐全，可以随意调用在虚拟仿真的电子平台上搭建电路进行虚拟仿真实验，这种先进的方法已经成为新世纪学习电子技术的一种重要辅助手段，更代表着新世纪学习电子技术的时代潮流。
高频电子线路是现代通信信息系统的基础,广泛渗透于社会生活的各个方面:广泛应用于各类通讯系统中,目前随着3G时代的到来,各大通讯公司都投入了大量的人力和财力研制和开发用于移动通讯、光通讯与计算机通讯中的高速和射频电路。另外,高频电子线路在计算机技术领域也有广泛应用,在当今高速数字信号系统中,为了传输、处理高速、大容量的数字信号,不但要求电路的工作频率越来越高,而且系统的通频带变得更宽。
因此,随着数字电路的高速发展,对高频电路的理论不但没有削弱,反而提出了更高的要求。并且在移动通讯和光通讯系统中,高频技术仍然是瓶颈。因此,随着现代通讯的发展,对高频电路的学习和研究提出了许多新的课题。随着电子技术的高速发展,新技术和新方法不断涌现这就要求我们要与时俱进地掌握新的学习方法和手段。随着计算机技术的飞速发展计算机辅助分析与仿真技术为高频电路功能的分析与验证开辟了一条快捷、高效的新途径。
1.3 预期容和目标
本设计主要依靠Multisim软件实现对常用高频电路的仿真，分别有调幅与解调、正弦波放大器、调谐放大器、高频功率放大器、混频器，以Multisim 为基本工具对常用高频电路的基本特性进行描述和分析，论证这些高频电路的合理特性。这些常用高频电路的特性得到了论证，便可以利用实例来证明仿真结果。
1.4 研究方法
依靠Multisim软件实现对常用高频电路的仿真，并对其结果进行分析，并利用结果研究调幅收音机的工作原理。

2高频电路的有关基础概念
2.1高频电路
高频电路是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)。
高频电路主要有高频小信号放大器，高频功率放大器，正弦波振荡器，调幅、检波与混频，角度调制与解调以与反馈控制电路。
2.2建模
2.2.1建模的概念
1、使用计算机描述一个系统的行为。例如，电子表格程序可以用来处理财务数据，代表公司的行为；开发商业计划；评估公司经营改变可能造成的影响。
2、使用计算机以数学方法描述物体和它们之间的空间关系。例如，计算机辅助设计 (CAD) 程序可在屏幕上生成物体，使用方程式产生直线和形状，依据它们相互之间与与所在的二维或三维空间的关系精确放置。
3、应用程序和数据建模是为应用程序确定、记录和实现数据和进程要求的过程。这包括查看现有的数据模型和进程，以确定它们是否可被重复使用，并创建新数据模型和进程，以满足应用程序的独特要求。
2.2.2建模过程中的主要活动包括
确定数据与其相关过程，定义数据，确保数据的完整性，定义操作过程，选择数据存储技术。
2.3计算机仿真
2.3.1仿真的定义
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。
仿真方法：传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。
计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点与满足仿真工作者的需求。
2.3.2 计算机仿真
计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以与参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。
计算机仿真是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。
2.4 multisim 10 软件介绍
对所设计的电路进行模拟和调试的电子电路软件。它具有以下特点，
1．该软件是交互式Spice仿真和电路分析软件的最新版本，专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。
2．工程师们可以使用multisim 10交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。
3．multisim 10为NI电子学教育平台提供了一个强大的基础，NI电子学教育平台也包括NI ELVIS（教学实验室虚拟仪器套件）原型工作站和NI LabVIEW，它给学生提供了贯穿电子产品设计流程的全面的动手操作经验。
4．multisim 10和Ultiboard 10退出了很多专业设计特性，主要是高级仿真工具、增强的元器件库和扩展的用户社区。
5．Ultiboard 10为用户在做PCB设计时的布板布线提供了一个易于使用的直观平台。
6．multisim 10可以作为一个完整的包括Ultiboard 10和NI LabVIEW SignalExpress的集成设计与测试的平台进行订购。
7．multisim 10有丰富的帮助功能，其帮助系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要是是包含元器件的解说，有利于使用EWB进行CAI教学。

3高频单元电路的建模与计算机仿真分析
3.1 调谐放大器
3.1.1 调谐放大器的工作原理
由LC调谐回路作为选频网络构成的谐振放大电路，被广泛的应用在通信设备的接收机中，用来选出有用频率信号而抑制无用信号。由于接收到的信号微弱，电路常工作在甲类状态。
图3-1-1所示为常用晶体管单调谐回路谐振放大电路。电路中晶体管的输出有线圈抽头以电感分压式接入回路，负载RL通过降压变压器与谐振回路相耦合，从而减少了晶体管输出阻抗和负载对谐回路的影响。

图3-1-1 晶体管单调谐回路谐振放大电路
图中Rb1、Rb2、Re、L11和VCC构成分压式电流负反馈直流偏置电路，以保证晶体管工作在甲类状态。Cb、Ce分别为基极、发射极旁路电容，用以短路高频交流信号。
图3-1-2所示为单调谐放大电路的交流等效电路。
将晶体管用小信号电路模型代入图3-1-2，则得如图3-1-3所示电路。
图中，Gi、Ci分别为晶体管的输入电导和输入电容，Gm为晶体管的跨导，Gm≈，G0、C0分别为晶体管的输出电导和输出电容。
设谐振回路初级电感线圈1-2之间的匝数为N12,1-3之间的匝数为N13，次级线圈的匝数为N45。由图3-1-3可知，自耦变压器的匝比n1=，初、次级间的匝比n1=。因此可将Gmi，G0、C0、RL折算到谐振回路1-3端，可得图3-1-4所示小信号放大电路模型。

图3-1-2 单调谐放大电路交流等效电路

图3-1-3 单调谐放大电路模型（一）

图3-1-4 单调谐放大电路模型（二）
图中GP=为谐振回路空载电导，GL=。由此可得并联谐振回路的有载电导等于：GT=GP++，当LC并联谐振回路调谐在输入信号频率上，回路产生谐振时，放大电路电压最大，故电压增益也最大，用Auo表示，称为谐振电压增益。由图3-1-4可得：
（3-1-1）
当输入信号频率不等于谐振回路谐振频率f0时，回路失谐，输出电压下降，电压增益也下降。由于谐振频率f0附近很窄的频率围，晶体管的放大特性频率变化不大，因此，单调谐放大电路的增益频率特性决定于LC并联谐振特性。因此，可得到放大器的增益频率特性为：
（3-1-2）
式中，QT为LC并联谐振回路考虑到负载与晶体管参数影响后的有载品质因数，为回路的绝对失调量。
根据公式（3-1-2）作出单调谐放大电路的增益特性曲线，如图3-1-5所示。

3-1-5 单调谐放大电路的增益特性曲线
3.1.2 计算机仿真
1．测调谐放大电路的动态围曲线Ui～Uo（在谐振点）
（1）单击元件工具条上的“Place Basic”按钮，从弹出的“Select a Component”对话框的“Family”栏中选取“VARIABLE–CAPACITOR”，再在“Component”栏中选取“30p”，如图3-1-6所示，最好单击对话框右上角的“OK”按钮，将可变电容调出。

图3-1-6 调出可变电容器
（2）双击可变电容图标，将弹出对话框“Value”选项页的“Capacitance”栏修改为“4.7p”；将“Increment”栏修改为“1%”，如图3-1-7所示；然后切换到“Label”选项页，将它设置为“C2”，最后单击对话框右下角的“OK”按钮退出。

图3-1-7 修改可变电容器参数
（3）单击元件工具条上的“Place Basic”按钮，从弹出的“Select a Component”对话框的“Family”栏中选取“INDUCTOR”，再在“Component”栏中分别选取“12µ”、“20µ”和“470µ”电感，如图3-1-8所示，将它们调出放置在电子平台上。

图3-1-8 调出三只电感
（4）调出其他对应元件，整理后，在电子平台上组建仿真电路，如图3-1-9所示。

图3-1-9 仿真电路（一）
（5）在发射极电阻上并联虚拟万用表，开启仿真开关，调整电位器，是虚拟万用表指示1V左右，如图3-1-10所示。

图3-1-10 仿真电路（二）
（6）将虚拟万用表改接到输出端，在输入端接上虚拟函数信号发生器，并将其设置成10.7MHz、20mVp的正弦波，如图3-1-11所示。开启仿真开关，调整可变电容器的百分比约为17%左右，此时LC回路处于谐振状态，虚拟万用表显示的交流电压数据最大为636.865mV，如图3-1-11所示，将虚拟万用表的数据填入表3-1-1中。

图3-1-11 仿真电路（三）
表3-1-1 调谐放大器输出电压测试（一）
Ui（mV）
20
30
40
50
80
100
200
500
800

Uo（V）
R3=1kΩ
7.34
7.21
7.10
7.02
6.84
6.52
5.42
4.35
4.18
R3=500Ω
1.88
1.82
1.66
1.46
1.32
1.08
0.98
0.64
0.36
R3=2kΩ
3.65
3.56
3.42
2.86
2.56
2.32
1.86
1.68
1.58
（7）逐渐加大函数信号发生器信号，如表3-1-1所示，将每次读得的虚拟万用表显示的交流电压数据填入表3-1-1中。
（8）关闭仿真开关，将发射极电阻分别换成500Ω和2kΩ，再开启仿真开关，重复步骤（6）、（7）的容，并将测量结果填入表3-1-1中。
（9）根据表3-1-1中的数据，在同一坐标纸上画出不同工作点（IcQ≈IEQ）时的Ui～Uo动态围曲线，并进行比较和分析。
2．测调谐放大器的回路谐振曲线
（1）恢复发射极电阻等于1kΩ，调出虚拟波特仪和虚拟函数信号发生器（虚拟函数信号发生器可以不做任何设置），如图3-1-12所示连好仿真测试电路。

图3-1-12 仿真测试电路
（2）打开仿真开关，双击虚拟波特仪图标，可以从波特仪的放大面板屏幕上观察到调谐放大器的幅频特性曲线，如图3-1-13所示，波特仪的放大面板右面各栏参数参照图设置，拉出屏幕上的读数指针到曲线所在位置，可以从屏幕下方读出调谐放大器的谐振频率约为10.633MHz左右，增益为-6.028dB左右。

图3-1-13 调谐放大器的幅频特性曲线
3．测绘调谐放大器的频率特性曲线
（1）恢复图3-1-11仿真电路（三）。输入信号取10.7MHz、80mV，按表3-1-2中R3=10kΩ时进行测试，并将结果填入表中。

3-1-2 调谐放大器输出电压测试（二）
ｆ(MHz)
5
7
8
9
10
10.7
12
13
14
15
17
Uo
( V)
R3=10kΩ
1.52
1.76
1.80
1.84
1.86
1.92
2.0
2.04
2.12
2.24
2.3
R3=2kΩ
0.48
0.52
0.66
0.71
0.74
0.82
0.9
0.97
1.03
1.12
1.2
R3=470Ω
10.7
10.8
11.1
11.7
11.8
12.4
12.8
13.1
13.7
14.2
15
（2）根据表3-1-2数据在坐标纸上画出调谐放大器的频率特性曲线，并计算出它的通频带。
（3）将电阻R3分别改成2kΩ和470Ω，重复上述实验，并将结果填入表3-1-2中，比较它们的通频带。
3.1.3 结果分析
单调谐放大器负载阻值变大，放大器增益变大、通频带宽带变窄；单调谐放大器负载阻值变小，放大器增益变小、通频带宽带变宽。由于负载电阻影响了单调谐回路的谐振阻抗，直接造成谐振阻抗高谐振峰值也高也即增益高、谐振曲线陡峭也即通频带宽带变窄；反之，谐振阻抗低谐振峰值也低也即增益低、谐振曲线平缓也即通频带宽带变宽。
3.2 正弦波振荡器
3.2.1 正弦波振荡器的工作原理
从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。若用R、C元件组成选频网络，就称为RC 振荡器，一般用来产生1Hz～1MHz的低频信号。
1. RC移相振荡器
电路型式如图3-2-1所示，选择R>>Ri

图3-2-1 RC移相振荡器原理图
振荡频率：
（3-2-1）
起振条件：放大器A的电压放大倍数｜A｜＞29
电路特点：简便，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。
频率围：几赫～数十千赫。
2. RC串并联网络（文氏桥）振荡器
电路型式如图3-2-2所示。
振荡频率：起振条件：|A|＞3
电路特点：可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。

图3-2-2 RC串并联网络振荡器原理图
3. 双T选频网络振荡器
电路型式如图3-2-3所示。

图3-2-3 双T选频网络原理图
振荡频率： （3-2-2）
起振条件：|AF|＞1 （3-2-3）
电路特点： 选频特性好，调频困难，适于产生单一频率的振荡。
3.2.2 计算机仿真
1．各元件选择
（1）振荡器电路选择
LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹围。振荡器线路主要根据工作的频率围与波段宽度来选择。
在短波围：电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。
若要求输出频率调节围较宽：选择电感反馈振荡器；
若要求频率较高：常采用克拉泼、西勒电路。
在中、短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。
（2）晶体管选择
从稳频的角度出发，应选择fT较高的晶体管，这样晶体管部相移较小。通常选择fT >(3～10)f1max。同时希望电流放大系数β大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。
（3）直流馈电线路的选择
为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应在截止区，而不应在饱和区（因为饱和区的输出阻抗较小），否则回路的有载品质因数QL将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。
（4）振荡回路元件选择
从稳频出发，振荡回路中电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作；电感L也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应合理地选择回路的C、L。在短波围，C一般取几十至几百皮法，L一般取0.1至几十微亨。
2.采用两级共射极分立元件放大器组成双T选频网络正弦波振荡器如图3-2-4所示。

图3-2-4 双T选频网络正弦波振荡器原理图
在调试电路时应适当调节RP1(RP1)和RP2(RP2)，否则振荡器不起振。
仿真结果如图3-2-5所示。

图3-2-5 双T选频网络正弦波振荡器振荡波形
3.2.3 结果分析
R2>2KΩ，输出不能起振，在能起振的前提下，随着R2的增大，波形严重失真，则说明反馈太强。R较小的时候，频率较大，根据公式可知，f0与R成反比。C较小的时候，频率从较大，根据公式可知，f0与C成反比。
3.3 高频功率放大器
3.3.1 高频功率放大器的工作原理
高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360°，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180°；丙类放大器电流的流通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100％，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的围变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。如图3-3-1为高频功率放大器电路原理。

图3-3-1 高频功率放大器电路原理
3.3.2 计算机仿真
1．对功率放大器的要求
功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出，以提高发射信号能量，便于接收机接收的电路，因而要求输出功率大、效率高，同时，输出中的谐波分量应该尽量小，以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同，功率放大器分为甲类、乙类、丙类等，电路由馈电电路、输入匹配、输出匹配与级间耦合4部分组成。对电路设计要求如下：工作频率为14.5 MHz,要求带宽为1.5MHz，输出功率为不小于20W。
2．电路结构设计
设计分析为了在较宽的通带使功率放大器增益相对稳定，电路由甲类、丙类两级功率放大器组成。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，丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图3-3-1所示。根据设计要求和晶体管实际参数，采用Philip s公司的NPN型高压晶体管2N5551作为放大管，三极管Q1、电感L1、电容C2组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。三极管Q2和由电感L3、 电容C7、 C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。R1、R2、R3、R4组成第1级静态偏置电阻，调节R2、R3可改变放大器的增益。L1、C2组成一级调谐回路，L2、R5、C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电压，R7为射级反馈电阻，调整R7可改变丙类功率放大器的增益。C6、C7、L3组成末级调谐回路，C6用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、C9和L4组成滤波回路，起到改善波形的作用。R9和C10、R11和C11以与R8和C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。当基极输入的正弦信号频率取值在L1、C2谐振频率附近时，集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容，有效地控制了可能由于射级电阻R3、R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压时，Q2才导通工作。当L3、C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时，丙类功率放大器工作于谐振状态，集电极将获得最大的电压增益，达到功率放大的目的。
3．元件参数选取
（1）功率放大器管：选用Philip s公司的NPN型高压晶体管(2N5551)作为放大管。
（2）直流电源:根据设计要求放大器的电源电压初始值均取 + 12V。
（3）甲类功率放大器的调谐回路由L1和C2组成：根据谐振频率公式：f = 12πLC与工作中心频率为14.5MHz,取参数为L1 = 1.0μH，C2 = 120pF，丙类功率放大器的调谐回路由L3、C6、C7组成，为使甲类功率放大器集电极的输出信号能在丙类功率放大器产生谐振，两功率放大器调谐回路的谐振频率应一致，因此，取L3 = 1.0μH，C7 = 120 pF。C6(最大值取30 pF)用来微调调谐回路的谐振频率，保证丙类功率放大器的输入信号产生谐振。
4．甲类放大器参数选取
甲类功率放大器的静态偏置由R1、R4、R2和R3组成。R1、R2一般在同一数量级，取R1 = 10kΩ，R2最大值为50kΩ，通过调节R2改变三极管基极Q点电压，即改变放大器增益，R2取值越大时Q点电压越大。取R4 = 51Ω，R3最大值为1 kΩ，通过调节R3改变输出信号增益，R3不宜过大，否则会影响增益。此外，C5为射极旁路电容，有效地控制了由于射极电阻R3、R4而引起电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路电容取值一般较小，这里取C5 = 10 nF。
5．丙类功率放大器参数选取丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压由L2、R5、C4组成的电路产生，L2起到传送直流、隔离交流的作用使得R5两端为直流电压。取L2 =100μH，R5 = 51Ω，C4 = 10 nF。Q2射极电阻由R6、R7组成，取R6 = 51Ω，R7 最大值为1kΩ，通过调节R7改变丙类功率放大器增益，R7取值不宜过大，否则会降低增益。L4、C8、C9组成滤波回路，减小集电极输出信号的失真。C8、C9一般取等值，这里取C8 = C9 = 10 nF，L4 = 470μH。
6．外接负载分别取51Ω，150Ω，680Ω。3个电阻的取值差异较大是为了后面仿真测试丙类功率放大器的特性做准备。
7．C1、C3以与C10、C11、C12均为隔直电容，其作用是传送交流，隔离直流。在高频电路中隔直电容取值一般较小，这里取C1 = 51 pF，C3 = 10 nF，C10 =C11。C12 =10nF。
8．仿真测试与结果分析
（1）甲类功率放大器的调谐测试
改变基极输入正弦信号的频率，当取f =1/(2π/RC)≈14.5MHz (L1、C2回路谐振频率)时，集电极获得最大的电压增益，这时再改变静态偏置电阻R3、R4的大小可获得更大的电压增益[2]。测试可得，R2取2.5kΩ、R3取50Ω时获得最大电压增益约为30倍。
（2）丙类功率放大器工作状态的测试分析
调整丙类功率放大器电源电压为12V，不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断开，从基极处输入2V(P2P)、14.5MHz的高频信号，用万用表测量三极管Q2be间的电压，测得该电压为负偏压，改变输入电压振幅，该偏压随之改变。此时，接在集电极处的示波器上可看到放大输出信号，如图3-3-2所示。下面的波形(信道B)为基极输入信号，上面的波形(信道A)为集电极输出信号，电压增益约为12倍。若使基极激励信号，Ub = 0。则测得负偏压也为0，看出丙类功率放大器工作状态的特点。

图3-3-2 丙类功率放大器的工作状态测试
（3）测试调谐特性
调整参数使电路正常工作，保持功率放大器管的输入信号为