丁類功率電路設(shè)計

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學 高頻電子線路 課程設(shè)計（論文）題目：丁類功率電路設(shè)計院（系）： 電子與信息工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時間： 2014.6.16-2014.6.27 高頻電子線路課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電子與信息工程學院 教研室： 通信工程學 號學生姓名 專業(yè)班級 課程設(shè)計題目 丁類功率電路設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計內(nèi)容：要求：1用EWB仿真，設(shè)計一個丁類功率放大器 2能夠觀察輸入輸出波形。 3分析其工作原理。參數(shù)：載波頻率5MHZ左右，調(diào)制信號頻率1000HZ

2、設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4. 組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。指導(dǎo)教師評語及成績 平時成績(20%)： 論文成績(50%）： 答辯成績(30%）： 總成績： 學生簽字： 指導(dǎo)教師： 年 月 日

3、注：成績：平時20% 論文質(zhì)量50% 答辯30% 以百分制計算II目 錄第1章 緒論11.1 丁類功率放大器概況11.2 本文研究內(nèi)容2第2章 丁類功率電路設(shè)計32.1 丁類功率電路設(shè)計思想32.2 放大器工作狀態(tài)42.3 參數(shù)計算52.4 總體電路圖及仿真8第3章 課程設(shè)計總結(jié)10參考文獻11元器件清單12第1章 緒論1.1 丁類功率放大器概況在60年代就有人提出丁類功率放大器的概念。早期的丁類功率放大器主要應(yīng)用于電機驅(qū)動等場合，盡管丁類功率放大器具有效率高的優(yōu)點，但是受當時電子器件開光特性的限制，丁類功率放大器的波形畸變嚴重，因此并未得到很大的發(fā)展。自進入80年代以來，隨著電子技術(shù)日新月異

4、的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型全控型器件，如IGBT和MOSFET等，電子器件的開關(guān)頻率也大大提高，丁類放大器又受到人們的重視。丁類放大器的基本概念就是將欲放大的信號轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制信號，用來驅(qū)動開關(guān)管。然后將開關(guān)管的輸出經(jīng)過一個低通濾波器，濾除開關(guān)次及其倍數(shù)次頻率周圍的高次諧波，獲得放大的輸出信號。因為脈寬調(diào)制信號只有兩個或三個電壓等級，因此可用簡單的開關(guān)電路輸出較高的電壓。在開關(guān)模式中，開關(guān)元件工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，元件的損耗很小，只要是在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，要經(jīng)過線性放大區(qū)，有一定的開關(guān)損耗（這與開關(guān)頻率、元件的開關(guān)時間等因素有關(guān)），因此丁類放大器具有很高的頻率。丁類功放是放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)

5、的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止狀態(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態(tài)，晶體管相當于一個接通的開關(guān)，把電源與負載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管于的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，丁類功放的效率為100，乙類功放的效率為785，甲類功放的效率才50或25(按負載方式而定)。1.2 設(shè)計要求及參數(shù)設(shè)計參數(shù)：要求：1用EWB仿真，設(shè)計一個丁類功率放大器 2能夠觀察輸入輸出波形。 3分析其工作原理。 參數(shù)：載波頻率5MHZ左右，調(diào)制信號頻率1000HZ設(shè)計

6、要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4 .組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。第2章 丁類功率電路設(shè)計2.1 丁類功率電路設(shè)計思想高頻功率放大器的主要問題是如何盡可能地提高它的輸出功率與效率。只要將效率稍許提高一

7、點，就能在同樣的器件耗散功率條件下，大大提高輸出功率。甲、乙、丙類放大器就是沿著不斷減小電流通角的途徑，來不斷提高放大器效率的。但是的減小是有一定限度的。因為太小時，效率雖然很高，但因下降太多，輸出功率反而下降。要想維持不變，就必須加大激勵電壓，這又可能因激勵電壓過大，而引起管子的擊穿。因此必須另辟蹊徑。丁類、戊類等放大器就是采用固定為，但盡量降低管子的耗散功率的辦法，來提高功率放大器的效率的。具體來說，丁類放大器的晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)：導(dǎo)通時，管子進入飽和區(qū)，器件內(nèi)阻接近于零；截止時，電流為零，器件內(nèi)阻接近于無窮大。這樣，就使集電極功耗大為減小，效率大大提高。在理想情況下，丁類放大器的效率可

8、達。晶體管丁類放大器都是由兩個晶體管組成的，它們輪流導(dǎo)電，來完成功率放大任務(wù)?？刂凭w管工作于開關(guān)狀態(tài)的激勵電壓波形可以是正弦波，也可以是方波。晶體管丁類放大器有兩種類型的電路：一種是電流開關(guān)型，另一種是電壓開關(guān)型。它們的典型電路分別如圖2.1、圖2.2所示。 圖2.1 電流開關(guān)型 圖2.2 電壓開關(guān)型在電流開關(guān)型電路中，兩管推挽工作，電源通過大電感供給一個恒定電流。兩管輪流導(dǎo)電（飽和），因而回路電流方向也隨之輪流改變。在電壓開關(guān)型電路中，兩管是與電源電壓串聯(lián)的。當上面的晶體管導(dǎo)通（飽和）時，下面的晶體管截止，兩晶體管之間的電壓接近于；當上面的晶體管截止時，下面的晶體管飽和導(dǎo)通，兩晶體管之間的

9、電壓接近于零。因而兩晶體管之間的電壓波形即為矩形波。2.2 放大器工作狀態(tài)丁類功率電路特點：（1） 效率高，產(chǎn)生的熱量少。（2） 節(jié)能、數(shù)字化、體積小、重量輕。（3） D類功放與AB類功放的效率比較，失真較大。為獲得較高的效率以及最大輸出功率，放大器的工作狀態(tài)選為臨界狀態(tài)，取電流導(dǎo)通角=90°，設(shè)諧振最佳負載電阻R=60k。晶體管的作用是將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用。線路特點：(1) LC諧振回路作為晶體管的負載起到選頻濾波以及阻抗匹配的作用。(2)電路工作在臨界工作狀態(tài)以保證電路效率較高；基極負偏壓（或零偏壓）關(guān)系式：(a)外部電路關(guān)系式： (b)晶體管

10、的內(nèi)部特性: (c)（半）導(dǎo)通角：根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得： （d）最大輸出功率為 （e）集電極基波電流振幅I為2.3 參數(shù)計算電流開關(guān)型電路與推挽電路非常相似，但是有兩點不同之處：一個是集電極回路中點不是地電位（推挽電路此點則在交流地電位）；另一個是在電路中串接了大電感。加入的目的是利用通過電感的電流不能突變的原理，使供給一個恒定的電流。因此當兩管輪流導(dǎo)電時，每管的電流波形是矩形脈沖。當回路諧振時，在它兩端所產(chǎn)生的正弦波電壓與集電極方波電流中的基波電流分量同相。在開關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬間，回路電壓等于零。因而此時中心抽頭點的電壓等于晶體管的飽和壓降。當晶體管導(dǎo)通，集電極電流的基波分量為最大時，回路

11、中心點電壓等于最大值。因而回路中心點電壓波形和兩個晶體管的集電極-發(fā)射極瞬時電壓的波形如圖2.3所示。 圖2.3 諧振回路中心點電壓波形在這中心點處的電壓平均值等于電源電壓VCC，因此由此得到集電極回路兩端交流電壓的峰值為 它的均方根值為 假設(shè)負載反射到回路兩端，使回路呈現(xiàn)的負載阻抗等于。由于每管通過的電流是振幅等于的矩形波，它的基頻分量振幅等于，因此，在回路兩端產(chǎn)生的基頻電壓振幅為 輸出功率為 直流輸入功率為 因而集電極耗散功率為 由此得集電極效率為 缺點：開關(guān)轉(zhuǎn)換時需要時間，不適用于頻率很高的時候。同時由于電壓開關(guān)型電路內(nèi)的電感電流不能突變和電流開關(guān)型內(nèi)電容電壓不能突變，使得管子的承受壓力

12、大。如在電壓開關(guān)型里，若電壓利用系數(shù)=1的話，那回路電壓，那么就要求晶體管的CE結(jié)必須能承受的反向壓降否則會擊穿。即集電極的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的。必須強調(diào)指出：集電極電流雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。為使并聯(lián)回路達到諧振，假設(shè)C=100pF時,電感L=10uH。2.4 總體電路圖及仿真（1） 電路圖丁類功率電路總體電路圖如如2.4所示圖2.4 總體電路圖晶體管丁類功率放大器在應(yīng)用時有兩個問題需要注意，一是晶體管的飽和壓降會隨頻率的升高而增大。另一個問題是晶體管的開關(guān)時間。當輸入電壓發(fā)生跳變使晶體管導(dǎo)通時，晶體管的輸出電流iC存在一個延遲時間td和上升

13、時間tr ；而當輸入電壓跳變使晶體管截止時，輸出電流iC存在一個存儲時間ts和下降時間tf。當晶體管的這些開關(guān)延遲時間與信號的周期相比變得不可忽略，兩只晶體管的輪流導(dǎo)通、截止變得不理想，而且在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，可能會出現(xiàn)同時導(dǎo)通或同時截止的現(xiàn)象。這樣，一方面會增加損耗降低效率，另一方面也會增大管子損壞機率。晶體管的開關(guān)時間限制了丁類電流型開關(guān)功率放大器工作頻率和效率的提高。（二）仿真圖仿真結(jié)果如圖2.5所示 參數(shù)設(shè)計 C=100PF,L=10uH圖2.5 仿真結(jié)果圖第3章 課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計，是設(shè)計一個丁類功率放大器。通過分析最大輸出功率與輸出阻抗的關(guān)系從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)，進而確定電路中的個參

14、數(shù)，從而設(shè)計出丁類功率放大器的電路圖。在設(shè)計完電路之后，再用EWB去仿真設(shè)計完的電路，通過觀察輸出的電壓的波形與幅值進一步求出輸出功率，驗證是否與理論值相一致。通過觀察不同輸出電阻時的輸出功率，來了解輸出電阻對輸出功率的影響，并驗證理論當中輸出負載對輸出功率的影響。課程設(shè)計不僅是對我所學的高頻電子線路知識理論的檢驗與總結(jié)，而且也是對自己能力的一種提高。通過本次設(shè)計，我深刻的體會到理論聯(lián)系實際的重要性，并且意識到在工作中要不斷地用理論來指導(dǎo)實踐，用實踐來深化理論，做好這些的前提就是要深入掌握理論知識，并且綜合運用所學的基礎(chǔ)知識理論和基礎(chǔ)技能來分析解決實際問題，此過程不僅鞏固了所學的知識，而且還擴大了專業(yè)知識面，為以后的工作打下基礎(chǔ)。參考文獻1 張肅文高頻電子線路(第五版) 高等教育出版社，2008.92 楊欣電子設(shè)計從零開始 清華大學出版