用于電力載波輸出的功率放大器設(shè)計(jì)

摘 要:設(shè)計(jì)了一種用于電力載波系統(tǒng)輸出級(jí)的功率放大器。使用兩級(jí)放大電路，共射放大作為前級(jí)實(shí)現(xiàn)電壓放大，OTL電路作為后級(jí)實(shí)現(xiàn)電流放大。首先對(duì)環(huán)境溫度變化帶來的影響進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了電力載波的室外實(shí)用性。然后從偏置電路、反饋電路等方面對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn)，降低了電路輸出波形的失真率，并且使用PSpice進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)出了一種切實(shí)可用的功率放大電路。關(guān)鍵詞:功率放大器; 偏置電路; 反饋電路; 電力載波輸出

中圖分類號(hào):TN722-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)16-0208-03

Power Amplifier for the Output of Power Carrier System

QIN Duan-zhen， LI Xin

(Ocean University of China， Qingdao 266100， China)

Abstract: A power amplifier for power carrier was designed. It's a dual-stage amplifying circuit， the first stage is grounded-emitter amplifier to enlarge the voltage， and the second stage is OTL amplifier to enlarge the current. The influence of the temperature change is analyzed， and then the distortion degree of the output waveform is reduced by changing the bias circuit and the feedback circuit. A practical power amplifying circuit is proposed by simulating with Pspice.

Keywords: power amplifier; biasing circuit; feedback circuit; output of power carrier

收稿日期:2010-03-24

基金項(xiàng)目:“863”海洋技術(shù)領(lǐng)域海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)資助項(xiàng)目(2007AA091200)

電力載波通信(power line communication，PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。現(xiàn)在，PLC除了在遠(yuǎn)程抄表上有所應(yīng)用外，隨著家庭智能系統(tǒng)這個(gè)話題的興起，也給PLC帶來了一個(gè)新的舞臺(tái)[1]。在電力載波系統(tǒng)輸出級(jí)，需要對(duì)調(diào)制好的信號(hào)進(jìn)行放大，本文使用共射放大電路和OTL電路分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行放大，為了控制輸出信號(hào)的諧波失真率，對(duì)偏置電路和反饋電路進(jìn)行了改進(jìn)[2]，同時(shí)在設(shè)計(jì)中考慮溫度影響，使電路可以在室外環(huán)境中正常工作。

1 放大器的設(shè)計(jì)要求和基本電路

根據(jù)國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，載波信號(hào)的總諧波失真應(yīng)小于0.05%，由于需要在室外工作，所以電路需要能夠在-30 ℃的環(huán)境中正常工作，輸出功率應(yīng)達(dá)到1 W。在本設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到輸出功率的需求，供電部分采用12 V直流供電，電源內(nèi)阻為10 Ω。信號(hào)源為數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)，頻率為132 kHz，信號(hào)電壓峰值為2.5 V，芯片內(nèi)阻為2 kΩ。負(fù)載為電力線，在仿真中采用如圖1所示的人工電源網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 人工電源網(wǎng)絡(luò)模型

基本電路如圖2所示，Q9為前級(jí)放大，Q8，Q12為后級(jí)輸出。輸入與輸出之間引入負(fù)反饋，調(diào)節(jié)增益，使得輸出功率滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，同時(shí)起到降低諧波失真的作用。前后級(jí)直接耦合，以簡(jiǎn)化電路，降低成本[3]。

2 溫度影響

2.1 溫度降低的影響及解決辦法

當(dāng)溫度降低時(shí)，使得晶體管集電極電流降低，而基極電流增大，當(dāng)Q9基極電流增大時(shí)，R5電流增大，兩端壓降也隨之增大，而R5左端電壓為0.7 V基本不變，于是右端電壓上升，使得靜態(tài)工作點(diǎn)高于VCC/2，于是輸出波形的正半周頂端出現(xiàn)失真。

解決方法:

(1) 被動(dòng)溫度適應(yīng)法。加大負(fù)反饋降低增益，即R7的設(shè)定值降低，使得靜態(tài)工作點(diǎn)的上升不至于使輸出波形失真。缺點(diǎn)是降低了輸出。把R7調(diào)整為3 kΩ，電路可以在-30 ℃下正常工作，基波3 V，三次諧波為1 mV。

(2) 主動(dòng)溫度補(bǔ)償法:將R5設(shè)定為可變電阻，當(dāng)溫度降低時(shí)，降低R5阻值，使靜態(tài)工作點(diǎn)保持不變，也就避免了輸出波形的失真。

圖2 基本功率放大電路

2.2 溫度上升的影響及解決辦法

使用推挽式輸出級(jí)通常要通過偏置電路消除交越失真，最簡(jiǎn)單的方法是使用D7和D8兩個(gè)二極管來實(shí)現(xiàn)[4]。

當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，三極管溫度升高，be間電壓降低，而二極管電流并不大，其正向?qū)妷篤e變化不大，這樣，Vbe和Ve之間的電位差使得三極管中流過的電流加大，溫度進(jìn)一步上升，電位差更大，三極管電流也更大，最終使三極管發(fā)生熱損壞[5]。解決方法:

(1) 如圖3所示，在2個(gè)三極管射極輸出端串聯(lián)2個(gè)電阻，限制電流[6]。

(2) 使用如圖4所示的電路，將3個(gè)三極管靠近，使它們熱耦合，則隨著溫度變化，Q3兩端電壓也會(huì)變化，從而抑制了熱擊穿[7]。

當(dāng)三極管功率不是太大時(shí)，可以直接使用二極管偏置。

3 負(fù)反饋電路的改進(jìn)

將基本電路中的R8使用如圖5所示的LC諧振電路代替，可以將132 kHz頻率的信號(hào)正確反饋，而其他頻率信號(hào)則被衰減至很小，從而改善輸出波形。

電容和電感的取值由公式f=12πLC來獲得。諧振頻率相同時(shí)，電容容量越小，電感數(shù)值越大，品質(zhì)因數(shù)越大，選頻特性越好，為了得到合適的負(fù)反饋，加入了電阻來調(diào)整品質(zhì)因數(shù)。

從表1可以看出，使用LC諧振作為負(fù)反饋可以在一定程度上抑制諧波失真。

圖3 串聯(lián)電阻法

圖4 熱耦合方法

選頻負(fù)反饋的使用使得電路只使用于特定頻率的功率放大，若需要較大范圍的頻率響應(yīng)，則不適合采用選頻電路。

表1 兩種反饋電路的比較

電阻反饋選頻反饋

基波4.15 V4.1 V

二次諧波25 mV11 mV

三次諧波11 mV5 mV

4 偏置電路的改進(jìn)

使用圖6所示的恒流源代替基本電路中的電阻R1，使得偏置電路中的電流不會(huì)受到輸入端的影響，從而使輸出端更加穩(wěn)定，降低失真[8]。

圖5 選頻反饋電路

圖6 恒流源偏置電路

由表2兩者的對(duì)比可以看出，使用恒流源代替電阻可以使諧波失真大大降低，但是溫度特性會(huì)變差，使用中需要注意溫度補(bǔ)償。

表2 兩種偏置電路的比較

使用電阻使用恒流源

基波4.1 V4.2 V

二次諧波11 mV0.4 mV

三次諧波5 mV0.8 mV-30 ℃使用溫度適應(yīng)法時(shí)的不失真基波3.58 V3.22 V(2.2 K)

溫度特性變差，但相對(duì)其對(duì)諧波失真的改進(jìn)來看，此影響很小，所以在電路中恒流源的引入是非常有意義的。

5 提高輸入電阻

加入前面所述的選頻負(fù)反饋電路之后，輸入電阻變得很小，大概只有200~300 Ω，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出端波形變化很大，并可能出現(xiàn)嚴(yán)重失真。所以需要采取措施提高輸入電阻，以降低信號(hào)源變化所帶來的影響[9]。

方法1 通常可以采用射級(jí)跟隨電路作為前級(jí)輸入端的方法來提高輸入電阻，此方法效果好，成本高。

方法2 當(dāng)對(duì)輸入電阻阻值要求不是太大時(shí)，可以簡(jiǎn)單的在輸入端串聯(lián)一定數(shù)值的電阻，來達(dá)到提高輸入電阻的目的，此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低。

在本應(yīng)用中，信號(hào)由特定DA芯片提供，信號(hào)源內(nèi)阻變化不大，適合采用第2種方法。

6 晶體管的選擇

最大管壓降:電源采用了12 V供電，所以晶體管最大管壓降應(yīng)大于12 V;最大電流:經(jīng)PSpice仿真，測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大電流為150 mA，電流源和前級(jí)放大晶體管小于10 mA;最大功耗:經(jīng)PSpice仿真，測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大瞬時(shí)功耗550 mW，前級(jí)放大晶體管最大瞬時(shí)功耗小于60 mW;工作溫度:產(chǎn)品需要能在室外環(huán)境中正常工作;頻率特性:截止頻率大于300 kHz;綜合考慮，選擇2N3904和2N3906晶體管[10]。

7 改進(jìn)后的電路圖及性能

根據(jù)前面所述的方法對(duì)開始的基本電路進(jìn)行改進(jìn)，得到最后的實(shí)用電路，如圖7所示。電源:+12 V，內(nèi)阻10 Ω;輸出信號(hào)總諧波失真率約0.05%;輸入阻抗:1.2 kΩ。輸出阻抗:6 Ω;輸出電壓:8.3 V;最低工作溫度:-30 ℃。

8 結(jié) 語

本文從最基本功率放大電路著手，從多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，獲得了較高的諧波失真性能和較高的輸出功率，最終電路能夠滿足國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求和實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖7 改進(jìn)后的功率放大電路

參考文獻(xiàn)

[1]趙勝利.電力載波技術(shù)的發(fā)展[J].山西建筑，2009(16):188-189.

[2]陳創(chuàng)，張德磊，田應(yīng)偉，等.功率放大電路設(shè)計(jì)[J].今日科苑，2009，32(14):75-78.

[3]龔敏強(qiáng)，劉光祜.寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(11):104-106.

[4]丁朋.功率放大集成電路原理及應(yīng)用[J].家電檢修技術(shù)，2007(14):19-21.

[5] [日]鈴木雅臣.晶體管電路設(shè)計(jì)(上)[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

[6]李偉文.晶體管功率放大電路分類探討[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(1):20-22.

[7]毛興武.D類音頻功率放大電路PT2330/PT2336[J].電子世界，2006(9):49-51.

[8]蔡建交.OCL功率放大器偏置電阻參數(shù)的設(shè)計(jì)方法[J].電子制作，2009(7):13-15.

[9]王劍波.音頻功率放大器[J].電子制作，2009(1):35-38.

[10]高揚(yáng).AB類音頻功率放大器產(chǎn)品選型指南[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009(1):36-41.

作者簡(jiǎn)介: 秦端振 男，1984年出生，山東聊城人，碩士在讀。研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

李 欣 男，1959年出生，山東青島人，工學(xué)學(xué)士，教授。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、通信傳輸技術(shù)。