丁类功率电路设计

1、 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 高频电子线路 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： 起止时间： 2014.6.16-2014.6.27 高频电子线路课程设计（论文）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： 通信工程学 号学生姓名 专业班级 课程设计题目 丁类功率电路设计课程设计（论文）任务设计内容：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

2、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、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，敲定可行方案。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。指导教师评语及成绩 平时成绩(20%)： 论文成绩(50%）： 答辩成绩(30%）： 总成绩： 学生签字： 指导教师： 年 月 日

3、注：成绩：平时20% 论文质量50% 答辩30% 以百分制计算II目 录第1章 绪论11.1 丁类功率放大器概况11.2 本文研究内容2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

4、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，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高的频率。丁类功放是放大元件处于开关工作状态

5、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785，甲类功放的效率才50或25(按负载方式而定)。1.2 设计要求及参数设计参数：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

6、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、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，敲定可行方案。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

7、点，就能在同样的器件耗散功率条件下，大大提高输出功率。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。但是的减小是有一定限度的。因为太小时，效率虽然很高，但因下降太多，输出功率反而下降。要想维持不变，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为，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

8、达。晶体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，电源通过大电感供给一个恒定电流。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；当上面的晶体管截止时，下面的晶体管饱和导通，两晶体管之间的

9、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=90°，设谐振最佳负载电阻R=60k。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)外部电路关系式： (b)晶体管

10、的内部特性: (c)（半）导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得： （d）最大输出功率为 （e）集电极基波电流振幅I为2.3 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）；另一个是在电路中串接了大电感。加入的目的是利用通过电感的电流不能突变的原理，使供给一个恒定的电流。因此当两管轮流导电时，每管的电流波形是矩形脉冲。当回路谐振时，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。当晶体管导通，集电极电流的基波分量为最大时，回路

11、中心点电压等于最大值。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，因此由此得到集电极回路两端交流电压的峰值为 它的均方根值为 假设负载反射到回路两端，使回路呈现的负载阻抗等于。由于每管通过的电流是振幅等于的矩形波，它的基频分量振幅等于，因此，在回路两端产生的基频电压振幅为 输出功率为 直流输入功率为 因而集电极耗散功率为 由此得集电极效率为 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

12、大。如在电压开关型里，若电压利用系数=1的话，那回路电压，那么就要求晶体管的CE结必须能承受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C=100pF时,电感L=10uH。2.4 总体电路图及仿真（1） 电路图丁类功率电路总体电路图如如2.4所示图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

13、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）仿真图仿真结果如图2.5所示 参数设计 C=100PF,L=10uH图2.5 仿真结果图第3章 课程设计总结本次课程设计，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

14、数，从而设计出丁类功率放大器的电路图。在设计完电路之后，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 张肃文高频电子线路(第五版) 高等教育出版社，2008.92 杨欣电子设计从零开始 清华大学出版