基于Multisim的高頻功率放大器教學研究

呂龍 齊華

摘 要：針對高頻功率放大器在傳統講授過程中理論性強、缺乏直觀性，教學效果不理想的問題，本文將采用電路仿真軟件Multisim對高頻功率放大器的電路結構、負載特性、調制特性和放大特性進行分析，從而理解各元器件參數變化對電路帶來的影響和作用。實踐證明，此方法不但加深了學生對電路的認識和理解，提高電路的分析和設計能力，而且解決了理論教學缺乏直觀性，效果不理想的問題。

關鍵詞：高頻功率放大器；Multisim；仿真分析

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0031-03

The Teaching Research of High Frequency Power Amplifier Based on Multisim

LV Long1，QI Hua2

（1.College of Cryptography Engineering，Engineering University of CAPF，Xian 710086，China；

2.Xian Technological University Electronic Information Engineer College，Xian 710021，China）

Abstract：Aiming at the problem of high frequency power amplifier in the traditional teaching process，which is theoretical strong，lacking intuition，and the inefficient teaching，we will use the circuit simulation software Multisim to analyze the circuit structure，amplification characteristics，modulation characteristics and load characteristics of high frequency power amplifier in order to understand the influence and effect of each component parameter change on the circuit. In actual teaching cases，the use of Multisim has deepen students understanding of circuit and has improved students ability of analysis and design of circuit，solving the problem of lack of intuition and unsatisfactory results in theoretical teaching.

Keywords：high frequency power amplifier；Multisim；simulated analysis

0 引 言

高頻功率放大器是“高頻電子線路”課程教學中的重要部分[1-3]，關于高頻功率放大器的教學重點在于理解放大器的分析方法，掌握放大器的放大特性、調制特性和負載特性。由于高頻功率放大器的理論性強，導致學生很難理解輸入的余弦信號如何變化成尖頂余弦脈沖，又是如何轉換成完整的余弦信號，并提高其輸出功率。

文獻[4]對幾個重要的高頻電路實例進行仿真分析，使學生可以通過電路參數的改變和相應仿真波形的變化加深對課程內容的理解；文獻[5]對電路的結構、參數設置、頻率特性、負載特性等性能參數進行分析研究，使學生加深對理論知識的理解；文獻[6]給出甲類功率放大器的工作狀態，分析丙類放大器的調諧特性及負載特性分析，為實踐教學提供保障。

筆者認為，在高頻功率放大器的教學中不能脫離以下三點：首先要明確高頻功率放大器的作用，其次掌握丙類工作狀態的特點，最后理解諧振回路的功能，以此為基礎就很容易理解放大器的電路組成、工作原理、功率與效率計算、調制特性和負載特性等。本文將Multisim12電路仿真軟件引入到高頻功率放大器的理論教學中，幫助學生理解信號的變化過程，加深學生對放大器的放大特性、負載特性和調制特性的理解，解決傳統講授過程中理論性強、缺乏直觀性，教學效果不理想的問題。

1 高頻功率放大器工作原理

本文以丙類功率放大器為例介紹原理電路和波形變化。當基極輸入高頻余弦信號時，通過圖解法可得集電極的電流iC：

iC=iCmax（cosωt-cosθc）/（1-cosθc）

對其進行傅里葉展開后可得：

iC=IC0+ICm1cosωt+ICm2cos2ωt+…+ICmncosnωt+…

當并聯諧振回路的諧振頻率ω0=ω時，直流分量以及二次諧波分量的阻抗特性都為0，直流分量通過電感視為短路，二次及以上的被電容視為短路，只有在ω0時呈現純阻性。

高頻功率放大器的輸出功率和效率與放大器的工作狀態有直接的關系，因此需要分析各種工作狀態的特點，以及VBB，Vbm，Vcc，Rp的變化對工作狀態的影響。

1.1 負載特性

負載特性是指VBB，Vbm和Vcc保持不變時，放大器的性能隨Rp變化的特性。放大器的工作狀態將由欠壓狀態到臨界狀態在到過壓狀態。

1.2 調制特性

調制特性是指放大器在Vbm，Rp不變，隨VBB，Vcc變化時，放大器的工作狀態在欠壓狀態、臨界狀態和過壓狀態之間變化。

1.3 放大特性

放大特性是指放大器在VBB，Vcc，Rp不變，隨Vbm從小變大時，放大器將由欠壓狀態到臨界狀態再到過壓狀態。

2 原理圖繪制與仿真分析

2.1 原理圖繪制

在Multisim工作區創建高頻功率放大器電路圖，并添加虛擬示波器和信號源，仿真電路圖如圖1所示。

其中輸入信號是幅度為1V、頻率為1MHz的余弦信號，R1和C1大小分別為400mΩ和100nF，用來觀察集電極電流波形，判斷電路的工作狀態，通過微調VBB，VCC，Vb，R2，使電路工作在臨界狀態，提高能量的利用率。

2.2 高頻功率放大器負載特性仿真

改變回路電阻阻值，用萬用表電壓檔和安培計觀察回路電壓和電流隨Rp變化的情況，如表1所示。

從表1中可以發現，隨著Rp的增加，輸出電壓由小到大變化，最后趨于穩定，電流開始小幅度減小，到最后大幅度減小，表明電路從欠壓狀態到臨界狀態再到過壓狀態的一個變化，實驗數據與理論結果一致。

2.3 高頻功率放大器基極調制特性仿真

設置基極偏置電壓VBB為0.1V，觀察示波器所測量的輸入輸出波形的變化情況，如圖2所示，從中可以發現，輸出電流信號為凹陷余弦脈沖，說明隨著VBB的減小，放大器的工作狀態由欠壓狀態到臨界狀態再到過壓狀態。

2.4 高頻功率放大器集電極調制特性仿真

設置集電極偏置電壓VCC為12V，觀察測量的輸入輸出波形，如圖3所示。從圖中可以發現，輸出電流信號變成凹陷余弦脈沖，說明隨著VCC的增加，放大器的工作狀態由欠壓狀態到臨界狀態再到過壓狀態。

2.5 高頻功率放大器放大特性仿真

輸入激勵電壓Vbm=1V，觀察示波器所測量的輸入輸出波形的變化情況，如圖4所示。從中可以發現，輸出電壓信號在11V左右，放大了11倍左右。

3 結 論

本文分析了Multisim軟件在高頻功率放大器教學中的應用。與傳統的理論授課對比，應用Multisim軟件可使學生自主進行電路連接和元件參數的選擇，并通過虛擬儀器的輸出波形分析各元器件參數變化對電路影響和作用，理解電路的負載特性、調制特性和放大特性，加深對電路理論知識的理解和掌握。因此在傳統的高頻功率放大器教學中引入Multisim軟件，可以更好地幫助學生分析理解電路的結構和特性，提高其分析問題的能力和解決問題的能力。

參考文獻：

[1] 張肅文.高頻電子線路（第五版） [M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 曾興雯.高頻電子線路 [M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 楊霓清.高頻電子線路 [M].北京：機械工業出版社，2007.

[4] 胡昭華，吳佑林.基于Multisim的“高頻電子線路”教學研究 [J].電氣電子教學學報，2010，32（6）：116-117+120.

[5] 王海梅.基于Multisim的高頻小信號諧振放大器仿真研究 [J].新技術新工藝，2015，30（2）：68-71.

[6] 鄭文.基于Multisim的高頻功率放大器仿真分析 [J].實驗科學與技術，2014，12（1）：22-23+51.

作者簡介：呂龍（1989-），男，助教，碩士。從事工作為電工基礎理論教學、電子技術應用和軍事物聯網的研究。