2.2 射频放大器电路设计
利用Multisim14的RF设计模块,可以对设计的RF电路进行仿真和分析,提高设计的效率。
1.射频放大器的选择
在电路设计过程中,应当根据具体的应用来选择射频放大器的类型。例如,设计低功率的应用和设计低噪声的应用应该选择不同的放大器;同样,宽带放大器和高增益放大器的设计也是不相同的。在RF电路设计中,放大器的应用常见情况如下。
①最大功率传输:这一类型的放大器工作在一个非常窄的频段内。
②制定增益放大器:为了改善带宽,设计者可能会人为地使输入或输出端口不匹配,甚至使放大器不输出最大传输功率。
③低噪声放大器:在接收机的设计中,接收机尽可能需要一个低噪声的前置放大器,因为对整个系统而言,接收机在第一阶段对噪声性能起主要的影响作用。同时获得最小的噪声系数和最大的增益,对放大器来说是不可能的。
④振荡器电路:为了产生一个稳定的正弦射频信号,设计者可以使用有源器件并且在电路中引入负反馈。
2.最大功率传输放大器设计
为应对众多的应用设计,Multisim14 提供了不同类型的晶体管。例如,在设计低噪声电路时,用户有多个晶体管可以选择。在本电路的设计过程中,选择的晶体管型号为MRF927T1,在相对较高的工作频率下,该器件通常用作低功率、低噪声的放大器。本例的设计步骤包含5个部分,分别是RF晶体管的放置、直流工作点的选择、偏置网络的选择、选择工作频率点以及RF网络分析。
3.操作方法
⑴ RF晶体管的放置
①单击工具栏上射频元器件组按钮,弹出选择元器件对话框。
②在对话框的元器件类“Family" 列表栏中,选择“RFBJT_ NPN"类。
③在元器件列表中选择RF晶体管“MRF927T1”,放置到电路原理图中,如图2.2所示。
⑵直流工作点的选择
直流工作点的设置主要是指Vce和Ic的设置。选择指定的直流工作点存在许多原因,如设计者需要考虑输出的最大摆幅、小的电源功率以及带宽增益。在一些器件的手册中,可以查询它们的直流工作点,另一些器件的直流工作点则需要根据应用类型来选择。对于本设计,直流工作点的选择方法如下。
①Vce的设置: Vce通常要小于Vcc,一般设置为集电极-发射极最大摆幅的Vcc/2左右。在设计中,选择Vce=3V、Vcc=9V。
②Ic的设置:通常选择Ic的标称值为5mA,在晶体管上,任何时刻的耗散功率为Ic*Vce在设计中,为了降低耗散功率,选择Ic为3mA,这个值和Ic标称值5mA是接近的。这样可以获得较好的电流增益带宽和适当的电压增益(在Ic=1mA时,电压增益最大,在Ic=5mA时,电流增益带宽最大)。
⑶偏置网络的选择
为了选择合适的直流偏置网络,可以设计不同的电路结构(注意晶体管和放大器在选择的直流工作点的性能)。本设计中选择的偏置网络如图2.2所示。该偏置网络是最简单的偏置结构,不过它的热稳定性较差。为了确定该结构的电阻值,设计者需要确定Vce、Ic、 Vcc、 Vbe及β的值。β为晶体管的直流增益,通常在器件手册中给出,β=Ic/Ib。Vbe是基极和发射极间的电压,典型值为0.7V。 β和Vbe的值取决于Ic和Ib的值。在如图2.2所示的电路中,初始的电阻值选择R1 =2kΩ、R2 =277kΩ,是根据以下取值计算得到的:
已知:Vce =3V; Ic= 3mA; Vcc =9V ; Vbe =0.7V; β=100
R1和R2的初始值计算方法如下:
R1=Rc=(Vcc-Vce)/Ic=(9V -3V)/3mA =2kΩ
Ib=Ic/β=3mA/100 = 30μA
R2=Rb=(Vcc-Vbe)/Ib=(9V -0.7V)/30μA=277kΩ
根据分析结果,运行电路仿真,以求得较为精确的偏置电阻值,方法如下。
①按图2.2所示连接电路。
②执行菜单Simulate →Analysis →DC operatingpoint命令,弹出DC Operating Point Analysis对话框。
③选择分析的节点为基极电压“V(1)”和集电极电压“V(3)”,如图2.2所示。
图2.2 直流偏置网络设置
④单击DC Operating Point Analysis对话框中的运行(Run)按钮, 执行仿真。仿真结束,弹出GrapherView对话框,如图2.3所示。根据GrapherView对话框所示,可以得到: Vce=V(3) =3.32790V, Vbe =V(1) = 800.48909mV,与设计的直流工作点有一定的偏差。
图2.3 Grapher View对话框
⑤修改电路中R1和R2的值,直到满足所需要的直流工作点。当R1=Rc=2kΩ、R2=Rb =258kΩ时,Multisim14的仿真结果为:Vce=V(3) =3.00430V,Vbe =V(1) = 802.92011mV,与所需的直流工作点相吻合。
⑥此时,β=Ic/Ib=Rb(Vcc-Vce)/Rc(Vcc-Vbe)≈94.36。
这与β的初始值是接近的。
⑷选择工作频率点
工作频率点的选择取决于应用类型,通常在电路的设计中需要给出工作频率点。在设计中,选择工作频率为3.02GHz。
⑸ RF网络分析
①按图2.4所示,放置电容和网络分析仪,注意电路中R1和R2的阻值。
图2.4 RF网络分析
②单击Multisim14的仿真按钮,开始电路分析。打开网络分析仪的操作面板,单击Match net. designer 按钮,弹出 Match Net.Designer对话框,选择Stability circles选项卡,设置工作频率为3.02GHz, 如图2.5所示。
图2.5 Stabilitycircles选项卡
③因为该电路对于这一频率点是无条件稳定的,打开Impedance matching选项卡,勾选自动匹配(Auto. Match)选项,如图2.6所示。
图2.6 Impedance matching选项卡设置
④在图2.6所示的 Impedance matching选项卡中,提供了结构和共轭匹配所需的值,从而可以得到在3. 02GHz的工作频率点上的最大传输功率电路图,如图2.7所示。图中C1=C2=0.62μF,电容的作用是隔离有源网络和匹配网络,以保证晶体管的偏置状态。
图2.7 3.02GHz时的最大传输功率电路图
【例2.1】1.5MHz 放大器设计。设计电路如图2.8所示。
图2.8
【例2.2】205MHz放大器设计