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功率放大电路范文1
关键词:音频功放; 放大器; 模拟CMOS; 电路仿真
中图分类号:TN43文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)08-0016-03
CMOS Circuit Design of Audio Power Amplifier
WAN Wei
(Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)
Abstract: The simulation and design of a bridge connecting audio power amplifier is completed. The main sections of audio power amplifier are two audio op-amps connected with a bridge. Least possible external components are used to provide high-quality output power without any output coupling capacitance, bootstrap capacitance and buffer network. The Cadence Spectre simulation tools are applied for circuit simulation,the circuit indexes such as power supply to voltage rejection ratio, frequency response characteristics and total harmonic distortion are up to the requirement. The audio power amplifier has a good application prospect in the market.
Key words:audio power amplifier; amplifier; analog CMOS; circuit simulation
0 引 言
随着集成技术的迅猛发展,体积小巧的便携通信设备有了更加广阔的市场前景。但是对于应用于这些便携式设备中的音频功率放大器芯片则有更加严格的要求。便携式设备体积小,由电池供电,所以要求音频功率放大器芯片有尽可能少的设备,尽量低的功耗。此外,对于通信设备而言,在频率217 Hz时会产生CDMA噪声,所以音频功率放大器必须也有较强的电源抑制比(PSRR)。本文中的音频功率放大器就是为了使用尽可能少的外部组件提供高质量的输出功率而专门设计的,它不需要外接自举电容和耦合电容,所以非常适合于移动电话或其他低压设备。
1 电路结构设计
众所周知,AB类功放有比A类功放更高的效率,比B类放大器更低的交越失真。是现在音频功率放大器市场上的主力军。输出运放是整个电路的核心,它的性能直接影响着整个芯片的各性能参数。
1.1 运放结构的选择[1]
本文中运用两个AB类输出的运放组成桥式结构,如图1所示。第一个放大器的增益可由外部设置,而第二个放大器的增益是内部固定的单位增益。第一个放大器的闭环增益由Rf和RI的比值来确定,第二个放大器的增益由内部两个20 kΩ的电阻固定。图1中可以看出,第一个放大器的输出作为第二个放大器的输入,这样使得两个放大器的输出在幅值上是相等的,而相位上相差180°。因此,整个电路的差分增益为:
И
AVD=2(Rf/RI)
И
图1 桥式连接的功放结构
桥式结构的工作不同于经典的单端输出而负载另一端接地的放大器结构。和单端结构的放大器相比,桥式结构的设计有其独特的优点。它可以差动驱动负载,因此在工作电压一定的情况下输出电压的摆幅可以加倍。在相同条件下,输出功率是单端结构的4倍。桥式结构和单端结构相比还有另外一个优点[2]。由于是差分输出,VO1和VO2偏置在1/2VDD,因此在负载上没有直流电压。这样就不需要输出耦合电容,而在单电源供电单端输出的放大器中这个电容是必须的,没有输出耦合电容,负载上1/2VDD的偏置可以导致集成电路内部的功耗和可能的响度损失[3]。鉴于以上的种种优点,这里选择的电路结构为,由两个AB类输出运放组成的桥式连接放大器结构。
1.2 放大器电路结构
放大器电路图如图2所示。放大器第一级为折叠共源共栅结构,这种结构改善了两级运算放大器的共模输入范围以及电源噪声抑制特性[4]。它可以看做是一个差分跨导级与电流级级联再紧跟一个Cascode电流镜负载的结构。第二级为AB类推挽式输出,这种输出可以高效地利用电源电压和电源电流。和一般共源共栅放大器所不同的是,在输出端加入了M11,M12,M13,M14四个管子,使单端输出变成了双端输出。这四个管子与偏置电路、第二级的推挽式输出电路共同组成了两个跨导线性环[5]。
跨导线性环是一个通过非线性电路提供线性关系的电路。图2中M21,M13,M23,M24和M22,M12,M25,M26各组成了一个跨导线性环,容易得出:
И
VGS21+VGS13=VGS23+VGS24
又由于:
И
VGS21-VT=IDS21KW/L
于是有:
И
IDS21(W/L)21+IDS13(W/L)13=IDS23(W/L)23+IDS24(W/L)24
И
图2 放大器内部结构图
结果得到了一个与晶体管尺寸有关的电流表达式,由式中可以看出,输出功率管M21的静态电流由M13,M21,M23,M24的宽长比与电流决定,与输入信号无关[6]。因此,预先设定好四个管子的宽长比,给M13,M23,M24以固定的电流,输出功率管的静态电流就被确定下来了。但是运放中加入四个MOS管是否不会影响运放的其他性能。从信号通路的角度看,晶体管M11,M12,M13,M14中只流过直流电流,没有交流电流从中通过,它们屏蔽了交流行为,对来自第一级的电流表现为一个无穷大的交流阻抗[7]。这四个MOS管设置了输出功率管的静态电流,但是对于第一级的增益、带宽均不起作用。所以放大器的增益仍然为:
AV1=gM1{[(gM9+gMB9)rO9rO7(rO1||rO5)]∥
[(gM15+gMB15)rO15rO17rO19]}
AV2=(gM21+gM22)rO21rO22
使用跨导线性环的目的是当一个输出晶体管流过大电流时,防止另一个输出晶体管关断。实际上,当M21流过一个大的输出电流时,M22就有可能被关断。在流过大的输出电流的情况下,至少要保证M22上能流过一个最小的电流,这样就可以减少交越失真并且提高速度[8]。
对于这样的多极点两级运放来说,在输出端电阻和电容串联做米勒补偿[9],以增大相位裕度,提高稳定性。通过频率补偿,两个主极点分别为:
И
p1=-1RA[CA+(1+AV2)C]
p2=-gM/CL
И
式中:RA是从M9漏端到地的总阻抗;CA是M9漏端到地的总寄生电容;CL是输出端的总电容。p1是第一级放大器的输出端产生的极点,米勒补偿后离原点最近,成为主极点;p2是输出端产生的极点,米勒补偿后离原点较远。同时由于电阻和电容形成了通路,产生一个零点:
И
z=1/[C(1/gM-R)]
适当调节R,使z=p2,可使零点与第二主极点相互抵消,增加了系统的稳定性[10]。
2 仿真结果及分析
仿真性能参数如表1所示。用Cadence Spectre进行仿真,使用了华润尚华0.5 μm的N阱CMOS工艺模型,模拟环境是VDD=5 V,T=27 ℃典型条件。
表1 仿真性能参数
GainPhasePSRR(217 Hz)THDPO
62 dB0.1%1 W
在5 V单电源下驱动8 Ω负载,对于1 kHz,4 V峰-峰值的正弦波激励,仿真得到负载上的电压基波幅度为3.91 V。此时电源消耗的平均功率为3.15 W,功率放大器的效率为60.7%。总谐波失真为0.098%。总体上THD和效率随输入电压变大而增加。放大器频域响应如图3所示。
图3 频域响应仿真图
3 结 语
该设计的AB类输出功率放大器电路,采用折叠式共源共栅结构,功率管推挽式输出, 同时利用外部电流源供电,采用低压共源共栅电流镜结构的偏置电路。仿真结构表明该运放具有高增益,低输入失调电压,低THD等特点,同时具有良好的频率特性,较低的静态功耗, 满足一块高性能的AB类音频功放芯片的要求。
参考文献
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功率放大电路范文2
1.1变频器主回路的构成
变频器的主回路主要是由整流电路、滤波电路、限流电路、逆变电路、制动电路和检测电路的传感器部分组成的。
1.2变频调速原理
（1）变频器的功用。变频器的功用就是把频率固定的交流电变换成为频率连续可调的三相交流电。（2）变频调速的工作原理。根据公式：n0=60f/p（n0为同步转速，f为频率，p为极对数）可知当频率f连续可调时(p为定值)，电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电机的转子转速总是要比同步转速略低一些，因此，当同步转速连续可调时，转子的转速也连续可调。
2矿用防爆变频器主电路设计
本文针对煤矿的主皮带运输机的使用，设计了660V矿用防爆变频器主电路。采用交流变直流再变交流的工作形式，660V电源电压经过整流电路后，再进行直流滤波处理，然后进入三相逆变桥电路，最后输出三相交流电压，作为电机的主供电。控制系统接收到逆变桥与电机间的霍尔电流传感器反馈的变频器对电机的供电情况之后，控制系统将采集到的各种不同数据进行计算分析、对比，然后自动对死区宽度进行增大或者减小处理来控制功率的供应。
2.1整流电路的设计
所谓整流电路就是将交流转变为直流的电路。多数情况下，负载不能够直接利用电网系统中的三相交流电，必须将其转换成能够被负载利用的稳定的直流。按照电路的控制设计，整流电路可以分为以下三种：（1）全控整流电路；（2）半控制整流电路；（3）不可控制整流电路。
2.2滤波电路的设计
变频器接收到的整流过后的电压依然不可能是平直的直流电压，在这里直流滤波电路起到的作用就是将该部分电压中的交流部分滤掉，将平直的直流部分电压输出给负载，供负载工作。
2.3逆变电路的设计
在矿用防爆大功率变频器中，负载是三相电动机，因此需要通过三相逆变器为其提供正弦交流电。三相逆变器有以下两种构成方式：（1）通过三个单相逆变桥按照一定顺序组成一个平衡的三相交流电源。这中结构的特点是需要的原件多，空间大，不方便在矿井中使用。（2）采用德国公司的IGBT模块，将三个IGBT模块构建成一个三相逆变器。其输出的电压和电流波形基本上是平滑的正弦波，满足三相交流电动机的工作要求。
2.4限流电路的设计
在变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是非常大的。过大的冲击电流可能会使三相整流桥的二极管损坏；同时，也会使电源电压瞬间下降而受到“污染”。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间之内，电路内串入限流电阻，这样是为了将电容器的充电电流限制在可允许范围之内。
2.5制动电路的设计
由CPU根据直流回路电压检测信号，发送制动动作的指令，经过普通光耦或驱动光耦控制制动开关管的通断。制动指令可能为脉冲信号，也可能为直流电压信号。由直流回路电压检测电路，处理成直流开关量信号，直接控制光耦器件，进而控制制动开关管的开通和断开。
3变频器主电路的故障分析
变频器没有显示、高压指示灯不亮、PN之间没有直流电压，都属于主回路无输出直流电压。一方面是因为限流电阻损坏开路造成的，使滤波电路没有脉动直流电压输入。另一方面是因为整流模块损坏，整流电路没有脉动直流电压输出所致的。此时不能简单的更换整流模块，还要进一步查找整流模块损坏的原因。整流模块损坏可能是主回路出现短路现象或者自身老化自然损坏导致整流模块损坏。
3.1过电压类故障
过电压出现警报一般是在停机时，其主要是因为减速时间太短或者制动单元及制动电阻有问题。
3.2过电流故障
功率放大电路范文3
【关键词】磁悬浮；控制系统；混合功率放大器；闭环系统
一、引言
磁悬浮技术由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。功率放大器作为磁悬浮控制系统的重要组成部分，其作用是控制电磁铁中电流产生电磁力。其性能优劣对磁悬浮控制系统有着显著的影响。
用于磁悬浮控制系统的功率放大器主要有线性功率放大器和开关型功率放大器，前者是指功率器件工作在放大区的功率放大器，其优点是低噪音、结构简单、易于调试、对给定信号跟随特性好，但功率消耗大，效率不高，发热大；后者的功率器件只工作在饱和区和截止区，即只有开、断两种状态，通过控制器调节PWM信号的占空比进而调节流过线圈的电流大小。由于功率器件上只有开关损失以及传导损失，因此开关功放的效率很高，但由于绕组两端电压在若干电压等级之间切换，会导致电流波形失真。
本文介绍的新型混合功率放大器则集合了线性功放以及开关型功放的优点，效率高、速度快、电流脉动小、系统运行稳定。
二、新型混合功率大器的原理
本文介绍的新型混合功率放大器的原理如图1所示：
图1 新型混合功率放大器的原理
为了降低功率放大器的损耗，利用电压环使晶体管电压稳定。先检测出晶体管集电极电压，使之与给定电压做比较，得到的偏差信号经过控制器，通过某种控制策略，产生控制信号，之后经PWM环节得到一定占空比的脉冲信号，改变电源电压U，使其在动态时提高功率放大器的电源电压，提高动态响应；在稳态时降低功率放大器的电源电压，降低放大器自身损耗。电流环则起到控制线圈电流的作用。给定值来自位置传感器，与反馈电流比较后，产生的偏差信号被送入控制器，得到晶体管的控制信号，从而控制线圈电流，进而控制电磁铁的电磁力。
当系统处于稳态时，线圈中电流变化小，可忽略电感电压，此时电源电压为：
其中i为线圈电流，为线圈电阻，为功率管电压。
当系统处于动态时，位置传感器检测到位置的变化而引起的变化，通过与比较，从而使晶体管电压变化，从而使线圈中的电流跟随给定值变化。而的变化将通过电压环调节功率放大器电源电压，使其保持恒定。此时的电源电压为：
这种混合型功率放大器采用斩波器控制线性放大器电源电压，而放大器的主体采用线性功放，既保留了线性功放噪声低、稳定性好的优点，又克服了其损耗大的不足，将改善整个磁悬浮控制系统的性能。
三、控制电路拓扑
磁悬浮轴承上应用的绕组控制电路拓扑结构主要以桥式电路为主，而桥式电路又分为半桥式电路和全桥式电路[1]。半桥式电路原理如图2所示。
功率管VT1、VT2同时导通，电路处于充电状态，线圈两端电压为+U，电流增大；VT1、VT2一通一断，则电路处于续流状态；VT1、VT2同时关断，电流经过VD1、VD2回馈电源。
由电路的运行状态可知，半桥式控制电路中，经过线圈的电流是单向的，这显然是不适合应用于磁悬浮控制系统的。全桥式电路原理如图3所示。
T1、T2、T3、T4分别为四个功率管，其中T1、T3工作在开关状态，T2、T4工作在放大状态。T2、T3导通，T1、T4截止时，电流正向流过线圈，电流大小通过T2控制；当T1、T4导通，T2、T3截止时，电流逆向流过线圈，电流大小通过T4控制。
四个功率管截止时，电流通过二极管进行续流。由电路的运行状态可知，全桥式电路可以实现电流的双向流动，满足磁悬浮控制系统的要求。因此选择全桥式电路拓扑结构。
四、混合功率放大器的性能分析
系统的Multisim仿真电路如图4所示，L2、C1、D1、V2构成了BUCK变换器[2]，电压环控制采用了滞环控制。V2为电流传感器，XSC1为示波器，A5、A6、A8则构成了PID调节器[5]。功率管集电极反馈电压输入电压滞回模块，控制模拟开关开断，调节占空比，从而达到控制电源电压的目的[3]。直流电源VCC、二极管D4是为了解决BUCK电路占空比低所引起的电压波形变差的问题。当电源电压低于8V，由8V直流电源直接供电。
当给定信号为阶跃信号时，混合功率放大器的仿真如图5所示。其中图（a）、（b）分别为电源电压在300V与400V时的阶跃响应，由图可以清晰地看出，电流的跟踪速度与放大器的电源电压有着密切的关系，电压越高，响应速度越快。
由于复杂的电流波形可以通过不同频率的正弦波叠加而成，因此，将给定的电流信号设定为正弦信号，频率值为1500Hz，电源电压设为300V。系统的仿真波形如图6所示。A曲线为给定值曲线，B曲线为电流传感器测得的实际值曲线，由此可知，实际电流值很好地跟随了给定电流的变化。
五、结束语
对新型混合功率放大器的原理、拓扑进行了介绍，并通过Multisim仿真，对其特性进行了分析。结果表明，新型混合功率放大器效率高、响应速度快，能够满足磁悬浮控制系统的要求。
参考文献
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作者简介：
功率放大电路范文4
【关键词】Multisim;高频谐振功率放大器;特性;仿真
Multisim10是专门用于电子电路仿真和设计的电子自动化软件，设计与仿真实验可以同步进行，边设计边实验，修改调试方便，实验中不消耗实际的元器件。在计算机上做仿真实验， 具有直观、方便、高效的优点。并且可通过实际的电路， 对最后的设计结果进行验证。在电子技术教学中引入电路设计仿真软件设计电路， 是提高学生电子电路设计水平和设计能力的有效方法， 对于培养创新和实用人才、改革传统的实验教学模式， 提高实验教学质量有重要的意义。
高频谐振功率放大器是无线电通信系统中的重要组成部分，在无线电信号发射时，要使发射的高频信号覆盖足够的范围，待发射的高频信号必须经过一系列的放大，以获得足够的功率，然后馈送到天线上辐射出去，因此必须采用高频谐振功率放大器，为了提高效率，谐振功率放大器工作在丙类状态。利用Multisim软件构建高频谐振功率放大器的仿真电路，分析其负载特性、调制特性和放大特性。
1.高频谐振功率放大器仿真电路的构建与仿真
高频谐振功率放大器的仿真电路如图1所示，功率表1为输出功率，功率表2为直流电源提供的功率，示波器A通道波形为集电极电流波形，B通道为负载上的电压波形，函数信号发生器1产生的信号为输入的余弦波信号，频率为1.12MHz，振幅为0.8v，偏移量为-65mv。
图1 高频谐振功率放大器的仿真电路图
打开仿真开关，双击示波器图标，可以得到集电极电流及负载上的电压波形如图2所示。由图2可见，由于高频谐振功率放大器工作在丙类状态，在一个信号周期内，只有短时间内导通，集电极电流为尖顶余弦脉冲;由于谐振回路具有选频作用，输出为完整的余弦波。仿真结果与理论分析一致。
图2 高频谐振功率放大器集电极电流波形
和负载上的电压波形
2.特性分析
（1）负载特性分析
调整可变电阻R2的接入比例，记录功率表XWM1和XWM2的示数，其中XWM1为输出功率Po，XWM2为直流电源供给功率PDC，计算电路的效率η，如表1所示。
表1 功率、效率随负载变化表
可变电阻R2比例 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
供给功率PDC（uW） 97.169 141.299 186.071 206.261 205.312 205.312 205.312 205.312
输出功率Po（uW） 93.347 138.124 180.569 183.947 156.212 135.344 119.479 106.790
效率η（%） 96.07 97.75 97.04 89.05 76.09 65.92 58.19 52.01
由记录结果可知，因为LC并联谐振回路谐振电阻，随着R2的接入比例逐渐增大，谐振电阻逐渐减小，放大器由过压经临界到欠压工作状态，供给功率在过压状态逐渐增大，欠压工作状态基本不变，输出功率先增大到最大（临界）后逐渐减小，效率逐渐减小。分析结果与理论分析一致。
（2）调制特性分析
①集电极调制特性
调整直流电源V1的电压值，记录功率表XWM1和XWM2的示数，计算电路的效率η，如表2所示。
表2 功率、效率随集电极电源电压变化表
直流电源V1（V） 7 9 11 13 15 17 19
供给功率PDC（uW） 65.662 109.423 162.222 206.262 236.899 268.485 300.072
输出功率Po（uW） 64.868 106.785 158.102 183.947 183.947 183.947 183.947
效率η（%） 98.79 97.59 97.46 89.18 77.65 68.51 61.30
随着V1的逐渐增大，放大器由过压经临界再到欠压状态，Ucm，Ic1m，Ico过压状态逐渐增大后在欠压状态基本不变，则输出功率，先增大后基本不变，供给功率PDC=VCCICO逐渐增大，效率逐渐减小。因此工作在过压区的高频谐振功率放大器，VCC的变化可以有效的控制输出变量的变化。仿真结果与理论分析一致。
②基极调制特性
调整信号发生器的偏移值（即基极偏置电压VBB），观察功率表XWM1和XWM2的示数，计算电路的效率η。可知随着信号发生器的偏移值逐渐增大，放大器由欠压经临界再到过压状态，Ucm，Ic1m，Ico欠状态逐渐增大后在过压状态基本不变，则输出功率先增大后基本不变，供给功率PDC=VCCICO逐渐增大后基本不变，效率逐渐增大后基本不变。因此工作在欠压区的高频谐振功率放大器，VBB的变化可以有效的控制输出变量的变化。仿真结果与理论分析一致。
（3）放大特性分析
调整信号发生器的振幅（即输入电压幅值Uim），放大器的性能随Uim变化。放大特性与基极调制特性的情况基本相似。随着输入电压幅值Uim逐渐增大，放大器由欠压经临界再到过压状态，Ucm，Ic1m，Ico欠状态逐渐增大，后在过压状态基本不变。则输出功率先增大后基本不变，供给功率逐渐增大后基本不变，效率逐渐增大后基本不变。作为放大器时，必须使Uim变化时Ucm有较大的变化，因此必须工作在欠压区;而在过压区，电路具有振幅限幅作用。仿真结果与理论分析一致。
当输入信号幅度为820mV时，观察集电极电流波形和谐振网络电压波形如图3所示。说明高频谐振功率放大器工作在过压状态的特点。
图3 高频谐振功率放大器过压时集电极电流波形和负载上的电压波形
3.结语
由以上分析可知，Multisim中的仿真分析结果与理论分析结果一致。将仿真软件Multisim 应用于电子电路教学过程中，改变传统教学模式，同学们可以一边实验一边修改电路及参数，所以它具有直观而形象的特点，通过仿真实验，可以较好地将理论与实践结合起来，加深对理论知识的理解和认识，提高课堂教学效果。相比于传统的实验教学更加迅速、方便，对于对进一步培养学生的综合分析能力，电路设计开发、创新能力具有非常重要的意义。
参考文献
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功率放大电路范文5
1、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义;
2、研究的基本内容，拟解决的主要问题;
3、研究步骤、方法及措施;
4、研究工作进度;
5、主要参考文献。
二、开题报告的排版要求：
正文为小四号宋体，页边距为左3cm，右2.5cm，上下各2.5cm，行间距一般为固定值20磅，标准字符间距，页面统一采用A4纸。
三、开题报告的字数要求：
正文字数不得少于3000字。
开题报告模板(供参考)如下页所示
杭州电子科技大学信息工程学院
毕业设计(论文)开题报告
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
近年来随着无线通信的迅速发展,现代通讯系统对发射机的要求越来越高,射频功率放大器作为发射机的重要部件,对发射机系统的性能指标起着关键作用,功率放大器在整个无线通信系统中是非常重要的一环,因为它的输出功率决定了通信距离的长短,其效率决定了电池的消耗程度及使用时间,射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。与传统的波放大器相比，射频固态功率放大器具有体积小、动态范围大、功耗低、寿命长等一系列优点;由于射频功率放大器在军事和个人通信系统中的地位非常重要，使得功率放大器的研制变得十分重要.所以设计性能指标良好的射频功率放大器有着非常重要的意义。
随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。高频电磁波具有一些频率低端无法比拟或无法实现的特点和优点，如微波、毫米波能够穿透地球大气电离层，实现航天通信，所以开发射频微波通信具有现实意义。频率高端中的微波频段是目前研究与应用的热点，这导致了射频有源电路研制的繁荣。在几乎所有的射频微波系统中，都离不开对信号的放大，射频放大器在有源电路中占据了突出的位置。
射频功率放大器的应用领域比较广泛，比如在雷达、通信、导航、卫星地面站、电子对抗设备中都需要它。如在有源相控阵雷达中，射频功率放大器就扮演着重要的角色。有源相控阵雷达的重要组成部分是T/R组件，T/R组件是系统成本高低的决定性因素之一，其性能的好坏将影响相控阵雷达系统的发现能力、作用距离等战术指标。
在T/R组件的设计中一方面要求有高功率，同时还要求体积小、重量轻，可靠性高、成本低等。射频功率放大器作为T/R组件的重要组成部分，直接决定着上述技术参数：射频功率放大器还能制成固态发射机;在电子战中，射频功放可制成有源诱饵，避免飞机被导弹攻击：在通信中，射频功率放大器广泛用于小功率或低数据率终端，如射频功率放大器的效率就很大程度上决定着个人移动电话的通话和待机时间。总之，在需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。
射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。在发射系统中，射频功率放大器输出功率的范围可以小至MW，大至数KW，但是这是指末级功率放大器的输出功率。为了实现大功率输出，末前级就必须要有足够高的激励功率电平。
射频功率放大器电路设计需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题进行综合考虑。
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，是研究射频功率放大器的关键。而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。
效率是射频功率放大器极为重要的指标，特别是对于移动通信设备。定义功率放大器的效率，通常采用集电极效率和功率增加效率PAE两种方法。
三、研究步骤、方法及措施：
五、主要参考文献：
[1] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2019.
[2] 刘长军,黄卡玛,闫丽萍.射频通信电路设计[M].北京：科学出版社， 2019.
[3] 黄智伟.射频电路设计[M].北京：电子工业出版社，2019.
[4] Li zhen Guo, etc., Study of Low-noise SiGe Bipolar Amplifiers Using Technology, Supporting Technology.2019.
[5] Mohamed Helaoui, Slim Boumaiza, Member, IEEE, Adel Ghazel, Senior Member, IEEE, and Fadhel M. Ghannouchi, Senior Member, IEEE. On the RF/DSP Design for Efficiency of OFDM Transmitters.2019.
六、指导教师审核意见：
指导教师签字：
年月 日
七、教研室评议意见：
教研室主任签字：
年月日
八、开题小组评审意见：
开题小组负责人签字：
2019年2月 19 日
九、系领导审核意见：
1.通过; 2.完善后通过;3.未通过
功率放大电路范文6
关键词 发射机 中和 调整 功率放大器
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A
Radio Transmitter and Problem of High Frequency Power Amplifier
LU Huihui
（State General Administration of Press and Publication， Radio and Television 761 Station， Yongan， Fujian 366000）
Abstract With the core amplification device of high power vacuum tube high frequency power amplifier， the existence of its tube electrode capacitance will cause the bad influence of high frequency power amplification circuit direct and reaction， thus affecting the stability of the high frequency power amplifier. In this paper， by analyzing the interelectrode capacitance in the broadcast transmitter pass-through and reaction principle of some methods about how to eliminate the parasitic parameters of electrode capacitance is introduced， and summarizes the adjustment method using circuit eliminates the parasitic capacitance in the practical work.
Key words transmitter and adjust the power amplifier
0 前言
以真空电子管为核心放大器件的大功率高频功率放大器，理论上电子管栅极电压对阴极的控制作用，完全是通过栅极电压所产生的电场对阴极发射出的电子加速作用而实现的，但实际上由于电子管极间电容的存在，尤其是板极和栅极之间的极间电容，使电子管的栅极回路和板极回路互相耦合，引起高频功放电路直通和反作用的不良影响，从而引起高频功放工作不稳定。板栅极间电容对高频功放电路的影响程度与放大器使用频率有关。在长波发射机中，由于频率低，板栅极间电容的影响可以忽略不计；对中波发射机来说就要考虑其影响，对于短波发射机特别是超短波发射机来说，不但要考虑极间电容的影响，还要考虑引线电感的影响，这主要是随着工作频率的升高，极间电容容抗会随之变小，而引线电感的感抗会随之产生且逐渐变大。所以，在实际工作中，必须采取有效的措施，采用中和电路的方式，消除发射机电子管极间电容及线路引线等效电感对高频功放的危害，使高频功率放大器安全、稳定地运行。
1 极间电容所产生的不良影响
1.1 直通作用
如图1-（a）所示为电子管共阴电路，电路中除有用的激励电压Ug和板极谐振回路外，还有元件结构性引起的极间电容，板极和栅极之间的板栅极间电容Cag，板极和阴极之间的板阴极间电容Cak，栅极和阴极之间的栅阴极间电容Cgk等寄生参量。Cak、Cgk可分别合并为输入和输出回路，而Cag跨接在两个回路之间，这样激励信号产生的高频电流的一部分通过Cag直接送到了板极回路，在谐振回路两端产生压降，等效电路如图1-（b）所示，其工作频率越高，则影响越大，这个现象就叫直通。
（a）
（b）
图1 极间电容Cag引起的直通
直通作用所造成的不良影响是，当电子管的板极电流截止时，由于直通的存使激励信号产生的高频电流的一部分会通过Cag直接送到了板极回路，使板极回路的电流不能完全截止，当有调幅时，得不到100%的调幅，造成调幅信号的失真，同时也增加了激励信号的功率消耗。
1.2 反作用
在探讨电子管极间电容对高频功放电路的反作用之前，首先对电子管高频功率放大器典型的、被广泛使用的电路形式进行一下说明，电子管高频功率放大器以电子管的阴极作为高频公共点，信号被送到栅极和阴极之间，从板极和阴极之间输出，以谐振回路作为负载，工作在丙类（效率高）状态，具有较高功率增益，板极谐振回路形式多用并联谐振回路。高频功率放大器要实现最大功率值输出，就是主要完成板极回路电容、电感的调谐，满足其并联谐振的条件。在回路谐振时，电路中的电压、电流参量有如下特征：栅压和板压反相1800；板流直流分量和栅流直流分流量变化相反，板流直流分量最小与栅流直流分流量最大值应同时出现。
下面我们就探讨电子管极间电容对高频功放电路的反作用。反作用就是板极电流的一部分通过Cag反馈到本级栅极回路，引起输入回路阻抗变化而失谐的影响。如图1-（a）所示，反作用电流为 = / = ，反作用电流对激励电压的影响可用导纳来表示，即 = = 。由于在谐振时，栅极回路电压与板极回路的相角差为零，故有 = 。这说明反作用是输入导纳变成容性，输入电容的数值为，它使放大器的输入阻抗变化，且因起前级板极回路失谐，工作不稳定。对于本级板流来说，因栅极失谐，使谐振时板流的最小值和栅流的最大值不同时出现。这就是电子管极间电容对高频功放电路的反作用。
除了电子管极间电容，板极和栅极之间还会存在其他的杂散耦合，还有板极、栅极元件布局，各槽路间高电位和低电位之间，也都会产生类似极间电容那样的寄生耦合。
2 消除极间电容不良影响的方法
广播发射机中电子管的极间电容，放大器各级和板、栅极之间产生寄生耦合，都会因直通和反作用影响高频功率放大器的稳定工作。而消除此不良影响的方法有以下几种：（1）采取中和电路。就是在原电路中加入另外一个电路，其作用与Cag作用相反，以抵消其对电路所产生的影响。（2）选用隔离效果更好的四、五极是电子管。虽然Cag不大，但还是可能产生不稳定现象，所以也必须加中和电路。（3）采用倍频法。由于倍频器的栅极和板极回路的谐振频率相差很远，因此，直通和反作用将大为减弱。但此法应用有限，一般仅在激励器中使用。（4）采用栅极接地电路，即栅地电路。在这种电路中，板栅极间电容不再是板极电路和栅极电路的主要耦合元件，耦合元件是板极和阴极之间的极间电容。因为栅地电路的这个优点，故被广泛应用。但即使板阴极间电容很小，但在工作频率很高时，有时还是需要针对板阴极间电容而加中和电路。
3 中和电路的调整
为了高频功率放大器设备的安全，消除电子管极间电容及线路引线等效电感的危害，特别是大、中型的高功放发射机，在调试时，必须首先调整好中和电路后，然后才能加板压，使高频功率放大器工作。
在实际工作中，由于制造、安装和电子管参量误差等原因，实际的极间电容，中和电容，引线电感等数值，不可能是一个定值。因而中和元件一般都做成可以调整的，以便按照实际情况进行适当调整。一般的方法是，首先从消除直通开始，然后在消除反作用。下面介绍几种调整中和的方法。
3.1 栅流凹落中和法
调整时利用放大器本身的栅流表作为指示器，不加板压，开启灯丝，加适当的激励电压。观察栅流表，调谐板极回路，若电路中中和不完善，则栅流表的变化如图2。
图2 中和不完善栅流表变化
图3 中和良好板栅流曲线
原理：当板极回路调谐到栅极激励电压频率时，由直通效应送到板极回路的功率最大，结果使前级板极回路（本级的栅极回路）的电压最小，因而使激励电压减小。因为栅极电流与栅极激励电压成比例的，所以在调整板极回路时，有栅流凹陷，且在谐振点最小。
调整方法：调整中和电容，使栅流慢慢回升，同时必须保持前级回路处于谐振状态，如此反复调整，直到完全消除直通。即在谐振点附近调整板极回路，栅流不再变动。为什么要反复调整呢？因为中和电容的引入，其阻抗构成前级板极回路的一部分，因此在调整中和电容的同时，前级板极回路也就发生了失谐变化，所以在调整中和电容消除直通作用的同时，必须得同时调整前级板极回路的其它调谐元件，使前级始终处于谐振状态，即调整前级板级回路，使栅流始终处于最大点。
3.2 观测板极槽路电压法
原理：理论上讲在功率放大器电路中直通被抵消后，不加板压的中和级功率放大器，板极槽路中应该没有高频电压存在。所以实际中可以用多种方法对这个高频电压进行监测，调整中和电容，使高频电压监测指示最小，此时中和电容器值就是中和点，这样就认为中和被调好了。
方法：在功率放大器板极槽路两端接示波器或高频电压表作为监测仪器，加激励电压，灯丝电压可加可不加，不加板压。
先将中和电容减到最小，调谐板极槽路，使监测有明显的高频电压指示，再逐渐增加中和电容，观测高频电压指示，直到高频电压指示最小。和上一方法一样，当中和电容的调整影响前级板极回路谐振时，必须反复调整前级板极回路调谐元件使其始终处于谐振状态。
3.3 板栅流反向检查法
按照上述两种方法消除了直通现象以后，为更细致地检查中和是否完善，应进一步检查是否还存在反（下转第60页）（上接第27页）作用。
原理：理论上讲，在中和良好的高频功率放大器电路中，电子管板极回路处于谐振状态，回路电压达最大值，而电子管板压为最小值，栅极电压达最大值，故板流最小值和栅流最大值应该同时出现如图3。如果存在反作用，栅极的输入阻抗将随反作用电流而变化，使前级工作状态发生变化，因此调谐板极回路时，板流最小值和栅流最大值不同时出现。
方法：功率放大器电路加上正常的板压、栅压和激励电压，在调谐点附近转动板极回路电容，同时观察板流和栅流的情况，板流最小值和栅流最大值不同时出现，则应重新调整中和电容，直到其两者同时出现。
4 结束语
综上所述，广播发射机电子管由于其结构性极间电容的存在，在以其为核心放大元件的高频功率放大器中，必然产生着寄生耦合，引起放大器的不稳定工作。引入了中和电路，就能有效地消除极间电容造成的不良影响，从而使发射机高频功率放大器正常稳定地工作。
参考文献
[1] 张肃文，陆兆熊.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2000.9.
[2] 方建邦，宁帆，高立.通信电子电路基础.北京：人民邮电出版社，2000.5.
