毕业设计定稿-功率放大器

PageIPageIPageIXXX大学毕业设计论文作者：学号：系：信息工程系专业：电子科学与技术题目：功率放大器的设计与版图绘制指导者：教授评阅者：副教授2011年6河北工业大学城市学院2011届本科毕业论文毕业设计中文摘要功率放大器的设计与版图绘制摘要：功率放大器,是在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器,它分为甲类、乙类、丙类等。本课题首先分析各类功率放大器的放大原理，利用PSpiceAD分别绘制甲类、乙类、丙类放大器的电路图，其次分析电路，对电路中各个器件的参数进行设定，优化电路，然后对电路进行仿真，进行瞬态分析、直流扫描分析、交流扫描分析，对各类功率放大器的性能进行比较。最后利用Tanner操作系统中的L-Edit绘制放大器的版图。功率放大器在现实中有广泛的应用，对功率放大器的性能进行分析具有重要的现实意义。关键词：功率放大器；仿真；版图毕业设计外文摘要TitleThedesignandlayoutdrawingofpoweramplifiersAbstractPoweramplifiers,distortioninthegivenconditions,canproducemaximumpoweroutputtodrivealoadoftheamplifiers.TheyarenamedasA,B,Candsoon.First,thesubjectofvariouspoweramplifieramplificationprinciple,theuseofPSpiceADisdrawnA,B,Camplifiercircuits,followedbyanalysisofthecircuit,thecircuitparametersofeachdeviceissettooptimizethecircuit,thenthecircuitsimulation,thetransientanalysis,DCsweepanalysis,exchangeofscananalysis,comparingtheperformanceofvarioustypesofpoweramplifiers.Finally,theoperatingsystemintheTannerL-Editlayoutdrawingamplifier.Poweramplifiersarewidelyusedinreality.Analyzetheperformanceofthepoweramplifierhasimportantpracticalsignificance.Keywords：poweramplifier;simulation;layout目次1引言11.1课题研究的目的意义11.2国内外研究现状11.3研究的主要内容32绘制甲类放大器的电路图并进行参数设定..32.1绘制甲类放大器的电路图.32.2指定分析和仿真类型..63绘制乙类放大器的电路图并进行参数设定123.1绘制乙类放大器的电路图.123.2指定分析和仿真类型134绘制丙类放大器的电路图并进行参数设定184.1绘制丙类放大器的电路图184.2指定分析和仿真类型...195各类功率放大器的版图26结论28参考文献29致谢3131-1引言1.1课题研究的目的意义目前，功率放大器经常使用在微波发射电路和低频输出电路中，射频功率放大器作为无线通信系统的重要模块，为发射级末端的天线或输出提供足够的功率，并抑制天线或其他模块干扰等。功率放大电路的功耗性能影响了整个电路系统的效率，设计高效率功率放大器并优化器件参数具有一定的使用价值。作为功率放大器，应该有较大的输出功率和较高的效率，同时也要满足带宽、增益和稳定性的要求。由于功率放大器处在大信号状态，放大过程中难免产生非线性失真，在设计中必须着重考虑。因此，设计功率放大器的关键是合理的选择功放管、正确确定工作状态、精心设计匹配网络和选择合适的电路及器件等等。本课题的工作就是进行功率放大器的优化和设计，并进行集成电路版图绘制。1.2课题历史背景1.2.1功率放大器简介功率放大器分为甲类放大器,乙类放大器，丙类放大器等，不同类型的功率放大器，性能不同，放大倍数不同。甲类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有50％，且有较大的非线性失真。它不仅应用于低频场合，尤其是高保真音频输出，而且也应用于高频（又称射频）场合，做电平推动，更是在微波频段上被广泛应用。乙类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。其特点是效率较高(78%)，实际应用中效率为50﹪左右。但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。即当信号在-0.6V~0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。丙类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点，通常能够达到85%以上，体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间，无裂噪声接通，低失真，频率响应曲线好，外围元器件少，便于设计调试。1.2.2国内外研究现状2010年张吕彦在论文《基于镜像电流源与电压源偏置的功率放大器》中讲述了为了进一步提高音响功放的工作稳定性和性能,可采用镜像电流源代替输入级、推动级的集电极负载电阻,能提高功放电路的电压转换速率,采用电压源代替输出级的偏置电阻,使输出级工作于甲乙类状态,有利于提高工作的稳定性,降低非线性失真,功放的性能得到显著提高。而采用镜像电流源与电压源组成动态偏置电路,使输出级在小信号输入时工作在甲乙类状态,大信号输入时工作在甲类状态,既具备甲乙类功放的高效率、低失真,同时又能扩展放大器的动态范围,进一步降低大动态失真,取得明显的效果。2010年牛旭等在论文《一款新型基于推挽式结构的射频功率放大器》中讲述了基于推挽式结构设计了一款新型射频功率放大器,分析了推挽式结构的工作原理,构建了输入输出无损耗匹配网络。采用微波仿真软件AWR对电路结构进行了优化和仿真,结果表明:该功率放大器在700MHz～1100MHz的频率范围内,其增益为25dB,在1dB增益压缩点处,输出功率大于2W,功率附加效率为50%,OIP3大于44dBc。2010年董元等在论文《一种记忆功率放大器自适应线性化仿真》中对两种常用的描述功率放大器的记忆效应和非线性特征的模型———W-H模型和记忆多项式模型进行了自适应线性化仿真,采用AM/AM和AM/PM失真特性对由于功放特性不理想而引起的放大信号的振幅畸变及相位偏移进行描述,运用自适应预失真处理方法,进行记忆预失真的模拟,并用误差矢量值(EVM)衡量这种自适应预失真方法的效果。仿真结果表明,自适应预失真方法对上述两种记忆功放模型具有较好的线性化效果。2010年陈波等在论文《一种自偏置预失真线性功率放大器》中提出了一种用中芯国际0.18μm工艺设计的自偏置预失真AB类功率放大电路电路结构。电路采用两级共源共栅结构,在共栅MOS管上采用自偏置电路,在第二级电路中采用预失真电路。该设计采用Agilent的ADS软件对电路进行模拟,在2.4GHz频率下,1dB压缩点的输出功率为22.5dBm,此时的PAE是25.1%。2010年姜峰在论文《数字功率均衡放大器的设计》中讲述了以FPGA为处理核心,采用6阶IIR滤波器逼近技术,实现对带阻网络较大频带范围进行幅度补偿。功率放大部分采用D类功放,将FPGA处理后的数据通过DA芯片转化为模拟波形再与FPGA产生的高频三角波进行比较产生PWN波,再经过驱动芯片控制MOS管,使其工作在开关状态。1.3研究的主要内容研究功率放大器的结构原理用PSpiceAD绘制放大器的电路图，设计放大器各个器件的参量仿真放大器的工作特性，研究器件参量对功率放大器的影响根据设计电路结果利用Tanner操作系统绘制集成电路版图。2绘制甲类放大器的电路图并进行参数设定2.1绘制甲类放大器的电路图2.1.1在Capture具体步骤如下：打开OrCADCaptureCISLiteEdition。创建一个新项目：File>New>Project。输入项目的名字，甲类。项目文件的扩展名为.opj，双击项目文件可以打开项目。选择AnalogorMixed-AD模拟或混合-AD。在Location框中输入项目路径。点击OK。在CreatePSpiceProject对话框打开时，选择“CreateBlankProject”。一个新的页将在ProjectDesignManager中打开。2.1.2.元件的放置与连接具体步骤如下：在Capture中点击原理图窗口。用Place>Part命令放置元件或点击PlacePart图标选择包含所需元件的库。在Part文本框中输入元件名字的开始部分，如图中的R，元件列表将卷动到其名字包含输入字母的元件处。第一次使用Capture时如果没有库可用，你必须点击AddLibrary添加库按钮，打开AddLibrary窗口将，选择需要的库。Spice库在路径Capture\Library\Pspice下。从库中选择电阻、电容和直流电压以及电流源。你可以用鼠标左键放置元件，用鼠标右键点击旋转元件。如果要放置相同元件的另一个实例，可以再次点击鼠标左键。对某个元件完成特定的操作后按ESC键,或右击并选择EndMode。可以给电容器添加初始化条件；双击该元件将打开看起来像电子表格的Property属性窗口，在IC列的下面输入初始化条件的值在放置好所有的元件后，你需要点击GND图标放置Ground地端子（在右边的工具栏中）。当放置地窗口打开时，选择GND/CAPSYM并且给它命名为0。现在用从菜单用Place>Wire命令或点击PlaceWire图标连接元件。2.1.3.指定元件数值和名称具体步骤如下：双击电阻旁边的数字改变电阻值。你也可以改变电阻的名字。对于电容、电压和电流源的操作是一样的。保存项目。绘制好的电路图如图2.1所示。图2.1甲类功率放大器电路图2.1.4.生成网表网表用简单的格式给出所有元件的列表：R_namenode1node2valueC_namenodexnodeyvalue,etc.具体步骤如下：用PSpice>CreateNetlist菜单命令产生网表。在项目ProjectManager管理窗口（在文件窗口的左边）中双击Outputs/文件查看网表，如图2.2所示。图2.2甲类功率放大器的网表2.2指定分析和仿真类型2.2.1打开原理图，在PSpice菜单上选择NewSimulationProfile。在文本框Name中输入一个描述性的名字，例如Bias。从InheritFrom列表中选择none并点击Create。当SimulationSetting仿真设置窗口打开时，对于AnalyisType分析类型，选择BiasPoint偏置点并点击OK。现在已经准备好运行仿真了：PSpice>Run。一个状态窗口将打开，可知道是否仿真成功，如果有错，可查看仿真输出文件，或SessionLog窗口（该窗口不能关闭）。为了看到直流偏置点的仿真结果，可以打开仿真输出文件或返回原理图并点击V图标（偏置电压显示）和I图标（偏置电流显示）以及W图标（消耗功率显示）显示电压和电流和功率。仿真结果如图2.3，2.4，2.5所示。图2.3甲类放大器偏置电流显示图2.4甲类放大器偏置电压显示图2.5甲类放大器消耗功率显示2.2.2设置瞬态分析：从菜单选择PSpice>NewSimulationProfile命令。命名为Transient。当仿真设置窗口打开时，选择TimeDomain(Transient)时域瞬态分析。输入运行时间，我们设它为200ms。对于MaximumStep最大步长的大小，你可以让它空着或输入10us，如果空着波形不光滑，越小波形越光滑。添加所要显示波形的数据名称运行Pspice。一个探针窗口将打开。具体分析结果如图2.6~2.13所示。图2.6通过负载RL的电流：I(RL)从图中可以看出，电流值在正负100mA之间。图2.7通过电容C2的电流：I(C2)图2.8负载RL两端的电压：V(RL)图2.9负载RL的功率：W(RL)图2.10三极管Q1集电极电流：I(Q1:c)图2.11三极管Q1基级电流：I(Q1:b)图2.12三极管Q1的放大倍数：I(Q1:c)/I(Q1:b)我们可以清楚的看出，三极管Q1的放大。图2.13输出电流与输入电流的关系：I(RL)/I(Vi）2.2.3直流使用相同的电路进行0和15V之间的电压源扫描的误差估计。从Pspice菜单创建一个新的NewSimulationProfile仿真配置文件；我们将称它为DCSweep。为了分析DCSweep；输入将被扫描的电压源的名字：Vi，分别指定开始值、结束值和步距：0，15和0.1V。图2.14设置DCSweep仿真运行仿真Pspice>Run。PSpice将产生一个包含电路中所有电压和电流值的输出文件。仿真结果如图2.15,2.16所示。图2.15通过直流电压源Vcc的电流：I(Vcc)图2.16直流电压源Vcc的电压：V(Vcc)3绘制乙类放大器的电路图并进行参数设定3.1绘制乙类放大器的电路图首先在Capture中创建电路，放置元件并连接，然后指定元件的数值和名称。具体步骤同甲类放大器。所绘电路图如图3.1所示。图3.1乙类功率放大器电路图在项目ProjectManager管理窗口（在文件窗口的左边）中双击Outputs/文件查看网表，如图3.2所示。图3.2乙类功率放大器的网表3.2指定分析和仿真类型对电路进行偏置或直流分析。打开原理图，在PSpice菜单上选择NewSimulationProfile。在文本框Name中输入Bias。从InheritFrom列表中选择none并点击Create。当SimulationSetting仿真设置窗口打开时，对于AnalyisType分析类型，选择BiasPoint偏置点并点击OK。运行仿真：PSpice>Run。具体分析结果如图3.3,3.4,3.5所示。图3.3乙类放大器偏置电流显示图3.4乙类放大器偏置电压显示图3.5乙类放大器消耗功率显示对电路进行瞬态分析。设置瞬态分析：从菜单选择PSpice>NewSimulationProfile命令，命名为Transient，当仿真设置窗口打开时，选择TimeDomain(Transient)时域瞬态分析，输入运行时间，设为200ms。对于MaximumStep最大步长的大小，输入10us。添加所要显示波形的数据名称运行Pspice。一个探针窗口将打开。具体步骤同甲类放大器。分析结果如图3.6~3.14所示。图3.6通过负载RL的电流：I(RL)从图中可以看出，电流值在正负30mA之间。图3.7负载RL两端的电压：V(RL)从图中可以看出，电压值在正负1.8V之间。图3.8负载RL的功率：W(RL)从图中我们可以看出，功率稳定值约为55。与计算结果相符合：图3.9通过电容C1的电流：I(C1)图3.10三极管Q1集电极电流：I(Q1:c)从图中我们可以看出，集电极电流约为32。图3.11三极管Q1基极电流：I(Q1:b)从图中我们可以看出，基极电流约为320。图3.12三极管Q1的放大倍数β：(Q1:c)/I(Q1:b)从图中我们可以看出，放大倍数β，β=I(Q1:c)/I(Q1:b)=100。即为32÷320=100，与计算结果相符合。图3.13三极管Q2的放大倍数：I(Q2:c)/I(Q2:b)图3.14输出电流与输入电流的关系：I(RL)/I(Vi）从图中我们可以看出，在输入信号的整个周期内，两个三极管轮流导通。4绘制丙类放大器的电路图并进行参数设定4.1绘制丙类放大器的电路图首先在Capture中创建电路，放置元件并连接，然后指定元件的数值和名称。具体步骤同甲类放大器。所绘电路图如图4.1所示：图4.1丙类功率放大器的电路图在项目ProjectManager管理窗口（在文件窗口的左边）中双击Outputs/文件查看网表，如图4.2所示。图4.2丙类功率放大器的网表4.2指定分析和仿真的类型首先进行偏置或直流分析。打开原理图，在PSpice菜单上选择NewSimulationProfile。在文本框Name中输入Bias。从InheritFrom列表中选择none并点击Create。当SimulationSetting仿真设置窗口打开时，对于AnalyisType分析类型，选择BiasPoint偏置点并点击OK。运行仿真：PSpice>Run。具体分析结果如图4.3~4.5所示。图4.3丙类放大器偏置电流显示图4.4丙类放大器偏置电压显示图4.5丙类放大器消耗功率显示然后对电路进行瞬态分析。设置瞬态分析：从菜单选择PSpice>NewSimulationProfile命令，命名为Transient，当仿真设置窗口打开时，选择TimeDomain(Transient)时域瞬态分析，输入运行时间，设为200ms。对于MaximumStep最大步长的大小，输入10us。添加所要显示波形的数据名称运行Pspice。一个探针窗口将打开。具体步骤同甲类放大器。仿真结果如图4.6~4.12所示。图4.6通过负载RL的电流：I(RL)我们可以看出，电流稳定值为240mA。图4.7负载RL两端的电压：V(RL)我们可以看出，电压稳定值为-12V。图4.8负载RL的功率：W(RL)我们可以看出，功率值约2.9。与计算结果相符：。图4.9通过电容C1的电流：I(C1)图4.10三极管Q1的集电极电流：I(Q1:c)图4.11三极管Q1的基极电流：I(Q1：b)图4.12三极管Q1的放大倍数：I(Q1:c)/I(Q1:b)再进行直流分析。从Pspice菜单创建一个新的NewSimulationProfile仿真配置文件；称它为DCSweep。为了分析DCSweep；输入将被扫描的电压源的名字：Vcc，分别指定开始值、结束值和步距：0，15和0.1V。运行仿真Pspice>Run。PSpice将产生一个包含电路中所有电压和电流值的输出文件。具体步骤同甲类放大器。仿真结果如图4.13~4.15所示。图4.13设置DCSweep仿真图4.14通过直流电压源Vcc的电流：I(Vcc)图4.15通过直流电压源Vcc的电压：V(Vcc)最后进行交流分析（频域分析）。从Sources库选择VAC作为电压源。创建仿真配置文件，命名为ACSweep。在SimulationSettings仿真设置窗口中，选择ACSweep/Noise。输入开始和结束频率和十进制刻度的点数。对于我们的例子，它们分别设置为0.1Hz，10kHz和11。运行仿真。仿真结果如图4.16~4.19所示。图4.16设置ACSweep分析图4.17通过电阻RL的电压随频率的变化图4.18输出幅度与输入幅度之比即为增益Av随信号频率变化的关系：V[Q1:c]/V[Vb:+]我们可以看出，增益随频率指数增大，达到2000。图4.19激励源输出电压与电流之比即为放大器系统输入阻抗Ri：V[Vi:+]/I[Vb]我们可以看出，阻抗为420。5各类功率放大器的版图甲类功率放大器的版图首先查看版图设计规则，在遵守规则的前提下，再绘制版图。先画Nsellet图层，接着在其上下分别画Metal-1图层，上边作为Vcc，下边作为Gnd。在N-sellet图层上用SesistorID图层画电阻，用CapacitorID图层画电容，然后画三极管PNP和NPN，并且添加端口。在图形的左右两边分别用PadComment图层画一个较大的焊盘，并且画电源接口，用于和外电路连接。最后用Metal-2图层布线，把各个器件之间需要连接的端口连接起来。所绘版图如图5.1所示。图5.1甲类功率放大器的版图乙类功率放大器的版图图5.2乙类功率放大器的版图丙类功率放大器的版图图5.3丙类功率放大器的版图结论随着电子技术的飞速发展，各类功能电路集成化模块化，功能放大电路作为系统的一个必不可少的单元也不例外。通过对功率放大器的结构、性能进行分析，对功率放大器的效率进行研究，具有重要的意义。本课题研究成果：1.利用P-SpiceAD绘图工具分别绘制了双极型甲类、乙类，丙类功率放大器的电路图。

2.对三类功率放大电路的各个器件进行参数设定，通过对比器件的不同参数值对电路性能的影响，最终确定器件最适参数值，使电路性能得到优化。

3.详细分析了甲类、乙类、丙类功率放大电路各个节点的偏置电流，偏置电压，消耗功率。4.对电路进行了直流分析、瞬态分析、交流分析，研究了电路的输入输出特性，对负载的电流，电压，功率进行了瞬态仿真。可计算电路中各个器件在各个时间点的功率。

5.利用Tanner操作系统中的L-Edit绘制了三类功率放大电路的版图，可以用于留片生产。数字化产品的广泛普及和数字化的发展方向对功放电路提出了更高的要求。人们为了提高功率电路的效率，不断地对电路进行改进。怎样更好地实现功率放大器高效率、高线性且低失真的工作，更值得深入研究。参考文献[1]周益.各类功率放大器的共性与差异.实用影音技术，2002,24（3）：21~26.[2]曹多礼，钟鹰，王志华.多通道功率放大器中幅度和相位一致性影响分析.空间电子技术,2010，30（4）：41~45.[3]Liaohuhsien.AhighefficiencyWCDMApoweramplifierwithPulsedLoadModulation(PLM).IEEERadioandWirelessSymposium,2010,4(18):49~52.[4]谢佳奎.电子线路[M]．北京：高等教育出版社，2004.[5]阿地力·依米提，刘吉超.关于提高功率放大器效率问题的探讨.新疆师范大学学报(自然科学版),2005，24（2）：47~51.[6]李志群，王志功.射频集成电路与系统[M]．北京：科学出版社，2008.[7]Maran,Jean-Noel.Progressinhigh-powersinglefrequencymasteroscillatorpoweramplifier.ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2008，7099(21):34~39.[8]丁朋.功率放大集成电路原理及应用.家电检修技术,2007,15（7）：19~21.[9]CraigAndrews.功率放大器的可靠性新标准.世界电子元器件，2005,31（7）：46~51.[10]郝国欣,金燕波,郭华民.大功率宽带射频脉冲功率放大器设计.电子技术应用,2006,12（3）：134~136.[11]EI-Gamal，LeeKH，TsangTK．Verylow-voltage(0.8V)CMOSreceiverfrontendfor5GHzRFapplications．ProceedingsCircuitsDevivesandSystems，2002，56(149)：355~362.[12]张吕彦.基于镜像电流源与电压源偏置的功率放大器.电声技术，2010，34（12）：37~44.[13]牛旭，滑育楠，胡善文，张晓东，高怀，孙晓红.一款新型基于推挽式结构的射频功率放大器.电子器件，2010,33（6）：696~699.[14]董元，王勇，易克初.一种记忆功率放大器自适应线性化仿真.计算机技术与发展，2010，3（6）：7~9.[15]陈波，张海鹏，许生根，HYPERLINK"/kns55/pop