Multisim12在通信电子线路中的应用

1第5章Multisim12在通信电子线路中的应用5.1高频小信号谐振放大电路所谓谐振放大器，就是采用谐振回路(串并联及耦合回路)做负载的放大器。高频小信号谐振放大电路主要用于接收机的高频放大器和中频放大器中，目的是对高频小信号进行线性放大。5.1.1单调谐回路谐振放大电路单调谐回路放大电路是以单调谐回路作为交流负载的放大器。图5.1.1给出的共发射极单调谐放大器是接收机中典型的一种高频小信号调谐放大器，可以对高频小信号进行反相放大。图中C2是高频旁路电容；R1和R4组成基极分压式偏置电路，以稳定静态工作点；L1、R2和C3组成并联谐振回路，与晶体管一起起选频放大作用，其中改变R3可以改变放大器输出调谐回路的品质因数，调整放大器的通频带。图5.1.2给出了仿真电路输入输出波形，图5.1.3和5.1.4分别给出了通过波特仪显示的单调谐回路放大器幅频特性和相频特性。图5.1.1单调谐回路谐振放大电路图5.1.2单调谐回路谐振放大电路输入输出波形图5.1.3单调谐回路谐振放大电路幅频特性图5.1.4单调谐回路谐振放大电路相频特性将输入信号由单一频率改为多个频率，如图5.1.5所示，信号频率分别为10MHz以及其2、4次谐波(即20MHz和40MHz)，此时电路的输入输出波形如图5.1.6所示。2图5.1.5高频小信号谐振放大电路选频特性图5.1.6高频小信号谐振放大器选频特性输入输出波形由图5.1.6可知，电路的输入信号是多频率信号的叠加信号，而输出信号则是单一频率信号，且幅度比输入信号幅度大得多。这是因为根据谐振回路的特性，谐振放大电路对于靠近谐振频率的信号有较大的增益；对于远离谐振频率的信号增益迅速下降。因此，谐振放大器不仅有放大作用，同时也起着滤波或选频的作用。5.1.2双调谐回路谐振放大电路单调谐回路放大器的选择性较差(其矩形系数离理想矩形系数1较远)，增益和通频带的矛盾比较突出。改善这一不足的方法之一是采用双调谐回路谐振放大电路。创建如图5.1.7所示的双调谐回路放大电路，得到如图5.1.8所示的电路输入输出波形。图5.1.9和5.1.10分别给出了双调谐回路放大电路的幅频特性和相频特性。图5.1.7双调谐回路谐振放大电路图5.1.8双调谐回路谐振放大电路输入输出波形双调谐放大电路工作在临界耦合状态时选择性比单调谐放大电路要好；工作在弱耦合状态时，其谐振曲线与单调谐放大电路相似；工作在强耦合状态时，通频带显著加宽，矩形系数变好，但是谐振曲线顶部出现凹陷，这就使回路通频带、增益的兼顾较难。3图5.1.9双调谐回路谐振放大电路幅频特性图5.1.10双调谐回路谐振放大电路相频特性5.2谐振功率放大电路高频功率放大电路主要应用在无线电发射机中，用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大。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。5.2.1谐振功率放大电路图5.2.1构建了一个谐振功率放大电路，晶体管工作在丙类，负载为并联谐振回路，调谐在输入信号的频率上，起滤波和阻抗匹配的作用。晶体管工作在丙类是为了提高功率放大器的效率，此时晶体管的导通时间小于输入信号的半个周期，其集电极电流是周期的余弦脉冲序列。当输入信号的振幅为0.707V时，选择软件中Simulate\Analysis\TransientAnalysis选项，设置仿真开始时间0.03s，仿真结束时间0.030005s，输出变量选择ic，得到如图5.2.2所示集电极电流脉冲波形，此时集电极电流是一串尖脉冲。将输入信号振幅更改为1.414V，得到如图5.2.3所示的集电极电流脉冲波形，此时集电极电流是一串顶部有凹陷的脉冲。图5.2.2小信号输入时集电极电流图5.2.3大信号输入时集电极电流图5.2.1谐振功率放大电路4虽然晶体管的非线性工作使得集电极电流与输入信号之间为非线性关系，但是由于并联谐振回路的选频特性，集电极电流的基波分量会在回路两端产生较大的输出电压，而谐波分量产生的输出幅度很小，基本可以忽略。因此输出信号与输入信号近似成线性关系。将电路参数更改为如图5.2.4所示，得到电路输入输出信号波形，如图5.2.5所示。增大输入信号幅度为2.5V，可以看到此时输出信号出现失真，如图5.2.6所示。图5.2.5谐振功率放大电路输入输出波形图5.2.6过压时谐振功率放大器输入输出波形5.2.2谐振功率放大电路的外部特性谐振功率放大电路的外部特性主要包括调谐特性、负载特性、放大特性和调制特性，这些特性有助于了解谐振功率放大电路性能变化的特点，并在调试谐振功率放大电路时起着指导作用。1、调谐特性调谐特性是指在VCC、VBB、vbm和R1不变的条件下，谐振功率放大电路的Ic0、Ie0、Uc等变量随C1变化的关系。调谐特性指示了负载回路是否调谐在输入信号频率上。如图5.2.7所示搭建仿真电路，调节可变电容，当百分比为50%，即电容值为220pF时，电路处于谐振状态，输出正弦波，如图5.2.5所示；改变可变电容百分比，电路处于失谐状态，此时输出信号出现失真，如图5.2.8所示为电容百图5.2.4谐振功率放大电路图5.2.7谐振功率放大电路的调谐特性5分比40%时电路输入输出波形。当处于电路谐振状态时，电路表读数最小，改变电容百分比，电流表读数增大，特性曲线如图5.2.9所示。图5.2.8失谐状态下谐振功率放大器输入输出波形图5.2.9谐振功率放大电路调谐特性2、负载特性如果VCC、VBB、vbm不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R1决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随R1而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。谐振功率放大电路的负载特性曲线如图5.2.10所示。构建如图5.2.11所示仿真电路，改变电位器R1的取值，观察负载R1变化时输出信号电压的变化。图5.2.10谐振功率放大电路的负载特性曲线图5.2.11谐振功率放大电路的负载特性3、放大特性放大特性指的是在VCC、VBB和负载R1不变，只改变vbm时，功率放大电路中电流Icm、Ic0和电压Vcm以及功率、效率变化的情况。谐振功率放大电路的放大特性曲线如图5.2.12所示。构建如图5.2.13所示仿真电路，当输入信号幅度为1V时，电流表显示集电极电流Ic0为0.603mA；将输入信号幅度更改为0.5V，此时电流表显示Ic0为1.332μA。由此可知，集电极电流Ic0随输入信号幅度减小而减小，处于欠压工作时，减小幅度较大。6图5.2.12谐振功率放大电路放大特性曲线图5.2.13谐振功率放大电路放大特性4、调制特性谐振功率放大电路的调制特性包括了集电极调制特性和基极调制特性。集电极调制特性是指VBB、vbm和R1不变，放大器性能随VCC变化的特性，如图5.2.14所示。构建如图5.2.15所示仿真电路观察谐振功率放大电路的集电极调制特性。图5.2.14谐振功率放大电路集电极调制特性曲线图5.2.15谐振功率放大电路集电极调制特性单击仿真软件中的Simulate\Analysis\ParameterSweep选项，在弹出的对话框中对VCC进行设置，如图5.2.16所示。图5.2.16ParameterSweep对话框图5.2.17瞬态分析参数设置7单击ParameterSweep对话框中的EditAnalysis按钮，在弹出的对话框中对所需要的瞬态分析进行参数设置，如图5.2.17所示。输出变量选择节点4，即V4，单击Simulate进行仿真，结果如图5.2.18所示。图中三条曲线分别是VCC为5V、12V和20V时电路的输出信号波形。从图中可以看出随着VCC的增大，输出信号幅度也在增大。谐振功率放大电路的基极调制特性指的是VCC、vbm和R1不变，放大器性能随VBB变化的特性，如图5.2.19所示。图5.2.19谐振功率放大电路基极调制特性曲线图5.2.20谐振功率放大电路基极调制仿真结果依旧用图5.2.15所示电路观察谐振功率放大电路的基极调制特性。具体步骤与前面相似，区别在于在ParameterSweep对话框中对VBB进行设置，仿真取样点分别为0.8V、1V和1.2V，仿真结果如图5.2.20所示。从图中可以看出，随着的增大，输出信号幅度也在增大，但明显在过压区，输出信号幅度增大不明显。5.3LC正弦波振荡器正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。LC正弦波振荡器是采用LC谐振回路作为移相网络的正弦波振荡器，目前采用最广的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。5.3.1电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路如图5.3.1所示。图中R1、R2和R3是分压式偏置电阻；C1和C3是旁路和隔直流电容；L1、C2和C4组成并联谐振回路。根据工程估算，该振荡电路的振荡频率近似为：图5.2.18谐振功率放大电路集电极调制仿真结果842421021CCCCLf(5.3.1)通过改变电容值C2和C4可以改变电路的振荡频率。图5.3.1电路参数计算出振荡频率近似为3.18MHz，输出信号波形和信号频率如图5.3.2所示。图5.3.1电容三点式振荡电路图5.3.2电容三点式振荡电路输出信号波形和频率调解C2、C4改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，即克拉泼电路和西勒电路。5.3.2电感三点式振荡电路如图5.3.3是电感三点式振荡电路，电路中各元件作用与电容三点式振荡电路相同。根据工程估算，该振荡电路的振荡频率近似为：4210)2(21CMLLf(5.3.2)电路输出信号波形和频率如图5.3.4所示。电感三点式振荡电路的优点是：由于L1和L2之间的互感存在，所以容易起振；其次在改变回路电容来调整振荡信号频率时，基本不会影响电路的反馈系数，频率调整方便。但是由于反馈支路是感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。同时在频率较高时，由于L1和L2上的分布电容与晶体管的极间电容均并联与L1和L2两端，反馈系数随频率变化而改变，工作频率越高，分布参数的影响也愈大，甚至可能使反馈系数减小到满足不了起振条件，因此在甚高频波段应当优先选用电容反馈振荡电路。9图5.3.3电感三点式振荡电路图5.3.4电感三点式振荡电路输出信号波形和频率5.3.3克拉泼振荡电路克拉泼电路是电容三点式振荡电路的改进型电路，如图5.3.5所示。谐振回路中电容C3通常取值较小，满足C3C1，C3C2，回路总电容取决与C3；晶体管极间电容与C1，C2并联，不影响C3的值，故改变C3改变电路振荡频率时不会影响电路的反馈系数，频率稳定度高。克拉泼电路输出信号波形和信号频率如图5.3.6所示。图5.3.5克拉泼振荡电路图5.3.6克拉泼振荡电路输出信号波形和频率5.3.4西勒振荡电路克拉泼振荡电路中，C3取值减小会导致环路增益减小，严重时会使振荡器不满足振幅起振而停振。西勒振荡电路可以有效地改变振荡频率而不影响环路增益。西勒振荡电路如图5.3.7所示。振荡回路总电容近似为C3+C5，调节C5改变电路振荡频率时不会影响电路的环路增益。西勒振荡电路输出信号波形和频率如图5.2.8所示。10图5.3.7西勒振荡电路图5.3.8西勒振荡电路输出信号波形和频率5.4振幅调制与解调电路振幅调制电路是无线电发射机的重要组成部分。按其功率高低，分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者置于发射机前端，要求产生功率足够大的已调信号；后者置于发射机的前端，产生小功率的已调信号，而后通过多级线性功率放大器放大到所需的发射功率。不管是哪种振幅调制信号，都可以采用同步检波电路进行解调。但是对于普通调幅信号来说，其载波分量还没有被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，得到所需的解调电压，这就是包络检波。5.4.1高电平调幅