丁类功率电路设计解读

1、辽宁工业大学咼频电子线路 课程设计（论文）题目：丁类功率电路设计院（系）：电子与信息工程学院专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：教师职称：起止时间：2014616-2014627课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院教研室： 通信工程号 学励目 程题5设 真WE 用 要个形 波 出 输 入 输 察 观 够 匕匕 厶冃2O3课程设计论文任务、 、 = 匕匕，主件 - 性gfflM帥誹 舟和册考” 归结路并 一 1Z题制电，匸 OHW绘以较 - 00F， 比 4 1 射案瓦合 小 養 细小比综 5 .wfi体Tt作 / H %m#7o ， 指切冷步 右 能木对內 宀 性。M *

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3、概况 11.2本文研究内容 1第2章丁类功率电路设计 32.1 丁类功率电路设计思想 32.2放大器工作状态 42.3参数计算 52.4总体电路图及仿真 8第3章课程设计总结 10参考文献 11元器件清单 12第1章绪论1.1 丁类功率放大器概况在60年代就有人提出丁类功率放大器的概念。早期的丁类功率放大器主 要应用于电机驱动等场合，尽管丁类功率放大器具有效率高的优点，但是受 当时电子器件开光特性的限制，丁类功率放大器的波形畸变严重，因此并未 得到很大的发展。自进入80年代以来，随着电子技术日新月异的发展，出现 了许多新型全控型器件，如IGBT和MOSFET等，电子器件的开关频率也大 大提高，

4、丁类放大器又受到人们的重视。丁类放大器的基本概念就是将欲放 大的信号转化为脉宽调制信号，用来驱动开关管。然后将开关管的输出经过 一个低通滤波器，滤除开关次及其倍数次频率周围的高次谐波，获得放大的 输出信号。因为脉宽调制信号只有两个或三个电压等级，因此可用简单的开 关电路输出较高的电压。在开关模式中，开关元件工作于截止区和饱和区， 元件的损耗很小，只要是在开关状态发生变化时，要经过线性放大区，有一 定的开关损耗（这与开关频率、元件的开关时间等因素有关），因此丁类放大 器具有很咼的频率。丁类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时 放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让

5、晶体管进入饱和状态， 晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没 有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。 这种耗电只与管于的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于 超大功率的场合。在理想情况下，丁类功放的效率为100%，乙类功放的效率为78. 5%,甲类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。1.2本文研究内容设计参数：要求：1用EWB仿真，设计一个丁类功率放大器2 .能够观察输入输出波形。3 .分析其工作原理。参数：载波频率5MHZ左右，调制信号频率1000HZ设计要求:1 分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求

6、、性能、指标及应 用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁 简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行 万案3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐 个设计。4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左 进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。第2章丁类功率电路设计2.1丁类功率电路设计思想高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率。 只要将效率稍许提高一点，就能在同样的器件耗散功率条件下，大大提高输 出功率

7、。甲、乙、丙类放大器就是沿着不断减小电流通角的途径，来不断提高放大器效率的。但是比的减小是有一定限度的。因为忑太小时，效率虽然很高，但因Icml 下降太多，输出功率反而下降。要想维持1血不变，就必须加大激励电压，这又可能因激励电压过大，而引起管子的击穿。因此必须另辟蹊径。丁类、 戊类等放大器就是采用固定 礼为90，但尽量降低管子的耗散功率的办法， 来提高功率放大器的效率的。具体来说，丁类放大器的晶体管工作于开关状 态：导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器 件内阻接近于无穷大。这样，就使集电极功耗大为减小，效率大大提高。在 理想情况下，丁类放大器的效率可达100%。晶体

8、管丁类放大器都是由两个晶体管组成的，它们轮流导电，来完成功 率放大任务。控制晶体管工作于开关状态的激励电压波形可以是正弦波，也 可以是方波。晶体管丁类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另 一种是电压开关型。它们的典型电路分别如图 2.1、图2.2所示。图2.1电流开关型图2.2电压开关型在电流开关型电路中，两管推挽工作，电源 Vcc通过大电感L供给一个 恒定电流Icc。两管轮流导电（饱和），因而回路电流方向也随之轮流改变。在电压开关型电路中，两管是与电源电压 VCC串联的。当上面的晶体管 导通（饱和）时，下面的晶体管截止，两晶体管之间的电压接近于Vcc ；当上面的晶体管截止时，下面的晶

9、体管饱和导通，两晶体管之间的电压接近于 零。因而两晶体管之间的电压波形即为矩形波。2.2放大器工作状态丁类功率电路特点：（1）效率高，产生的热量少。（2）节能、数字化、体积小、重量轻。（3）D类功放与AB类功放的效率比较，失真较大。为获得较高的效率以及最大输出功率，放大器的工作状态选为临界状态，取 电流导通角乙=90,设谐振最佳负载电阻R=60kQ。晶体管的作用是将供电电 源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。线路特点：（1）LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。（2）电路工作在临界工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压（或零偏压） 关系式：（a）外部电路关系

10、式：理=Ubb Ubm cos t Uce =Ucc Ucm COS t(b)晶体管的内部特性：lc = gm Ube-UBB(c) (半)导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得:U B E.co-s-1U bm(d) 最大输出功率为= 33NV2144P =2R 44(e) 集电极基波电流振幅2P =0.3A;R2.3参数计算电流开关型电路与推挽电路非常相似，但是有两点不同之处：一个是集 电极回路中点不是地电位(推挽电路此点则在交流地电位)；另一个是在Vcc 电路中串接了大电感L。加入L的目的是利用通过电感的电流不能突变的原 理，使Vcc供给一个恒定的电流Icc。因此当两管轮流导电时，每管的电

11、流波 形是矩形脉冲。当LC回路谐振时，在它两端所产生的正弦波电压与集电极 方波电流中的基波电流分量同相。在开关转换的瞬间，回路电压等于零。因 而此时中心抽头点的电压等于晶体管的饱和压降VcE(sat)。当晶体管导通，集电极电流的基波分量为最大时，回路中心点电压等于最大值Vm。因而回路中 心点电压波形和两个晶体管的集电极-发射极瞬时电压Vce的波形如图2.3所 示。图2.3谐振回路中心点电压波形在这中心点处的电压平均值等于电源电压Vcc，因此1 2 Vcc = J 盘(Vm -Xsat) 8声t +VcE(sat)d t) = (VM _VCE( sat) ) * Vce( sat)由此得到JI

12、VM 2(VcVcE(sat) VcE(sat)集电极回路两端交流电压的峰值为Vcm = 2(Vm -VcE(sat)二 Wcc -VcE(sat)它的均方根值为V =VcmVc2ji72(vcc - - VCE(sat)假设负载尺反射到回路两端，使回路呈现的负载阻抗等于Rp。由于每管2通过的电流是振幅等于Icc的矩形波，它的基频分量振幅等于 -Icc，因此，在n回路两端产生的基频电压振幅为输出功率为Vc(-Icc)Rp1CC心Vcm2 RP2 JI2RP-(VCC -VcE(sa)FOMl2RP2RP2-(VCC _VCE(s a)1)直流输入功率为CC=Vcc _VCE(sat)V：C2R

13、P因而集电极耗散功率为2 JIFO =- (VcC 一 VcE(sat) )VCE(s a)t2F由此得集电极效率为P。cVCE(sat)P_Vcc缺点：开关转换时需要时间，不适用于频率很高的时候。同时由于电压开关 型电路内的电感电流不能突变和电流开关型内电容电压不能突变，使得管子的承 受压力大。如在电压开关型里，若电压利用系数E =1的话，那回路电压Vcm二Vcc , 那么就要求晶体管的CE结必须能承受Vcc的反向压降否则会击穿。即集电极的导 通角是由输入回路决定的。必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。为使并联回路达到谐振，假设

14、C=1OOpF时，电感L=10uH。2.4总体电路图及仿真（一）电路图丁类功率电路总体电路图如如 2.4所示WV1斛HJJLW 100 plCSCr图2.4总体电路图晶体管丁类功率放大器在应用时有两个问题需要注意，一是晶体管的饱 和压降会随频率的升高而增大。另一个问题是晶体管的开关时间。当输入电压发生跳变使晶体管导通时， 晶体管的输出电流iC存在一个延迟时间td和上升时间tr ;而当输入电压 跳变使晶体管截止时，输出电流iC存在一个存储时间ts和下降时间tf。当 晶体管的这些开关延迟时间与信号的周期相比变得不可忽略，两只晶体管的 轮流导通、截止变得不理想，而且在开关转换瞬间，可能会出现同时导通

15、或 同时截止的现象。这样，一方面会增加损耗降低效率，另一方面也会增大管子损坏机率。晶体管的开关时间限制了丁类电流型开关功率放大器工作频率和效率的提高（二）仿真图0 . 0060 -49.4913 V16 .2268 VT2IB . 5576 jjsT2J1IB.5570 hsVA187.1403 V呃侧37.6490 VVB224 . EE VVB2-l7 9457 VChannel BX pasHoniffi盼/VB1Tma也昶Ctunnel AY posilon g 目Trigger10 VDkV pitKnSEI骨jc|o|nnRefers&SiviR&duce3 Oscilloscop

16、ey仿真结果如图2.5所示参数设计C=100P F,L =10uH图2.5仿真结果图第3章课程设计总结这次课程设计主要是对高频电路中放大器这部分知识的应用，经过两个星期的课程设计，我获得了各方面能力的锻炼，包括调查和研究、查阅文献和检索资 料的能力，数据处理、综合分析、理论联系实际的能力及计算机绘图和文字处理 的能力。从一开始的无从下手到学会查阅资料、查阅文献，到独立分析和解决问 题，到最后的整体设计和论文整理，每一个环节我都受益颇多。本次课程设计，是设计一个丁类功率放大器。通过分析最大输出功率与输出 阻抗的关系从而确定匹配网络，进而确定电路中的个参数，从而设计出丁类功率 放大器的电路图。在设

17、计完电路之后，再用 EWB去仿真设计完的电路，通过观 察输出的电压的波形与幅值进一步求出输出功率，验证是否与理论值相一致。通 过观察不同输出电阻时的输出功率，来了解输出电阻对输出功率的影响，并验证 理论当中输出负载对输出功率的影响。课程设计不仅是对我所学的高频电子线路 知识理论的检验与总结，而且也是对自己能力的一种提高。通过本次设计，我深 刻的体会到理论联系实际的重要性，并且意识到在工作中要不断地用理论来指导 实践，用实践来深化理论，做好这些的前提就是要深入掌握理论知识，并且综合 运用所学的基础知识理论和基础技能来分析解决实际问题，此过程不仅巩固了所 学的知识，而且还扩大了专业知识面，为以后的工作打下基础。参考文献1张肃文等高频电子线路M（第五版）.北京：高等教育出版社，2008.92杨欣，王玉凤.电子设计从零开始M.北京：清华大学出版社，2009.