用于電力載波輸出的功率放大器設計

摘 要:設計了一種用于電力載波系統輸出級的功率放大器。使用兩級放大電路，共射放大作為前級實現電壓放大，OTL電路作為后級實現電流放大。首先對環境溫度變化帶來的影響進行了分析，實現了電力載波的室外實用性。然后從偏置電路、反饋電路等方面對電路進行了改進，降低了電路輸出波形的失真率，并且使用PSpice進行仿真，設計出了一種切實可用的功率放大電路。關鍵詞:功率放大器; 偏置電路; 反饋電路; 電力載波輸出

中圖分類號:TN722-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0208-03

Power Amplifier for the Output of Power Carrier System

QIN Duan-zhen， LI Xin

(Ocean University of China， Qingdao 266100， China)

Abstract: A power amplifier for power carrier was designed. It's a dual-stage amplifying circuit， the first stage is grounded-emitter amplifier to enlarge the voltage， and the second stage is OTL amplifier to enlarge the current. The influence of the temperature change is analyzed， and then the distortion degree of the output waveform is reduced by changing the bias circuit and the feedback circuit. A practical power amplifying circuit is proposed by simulating with Pspice.

Keywords: power amplifier; biasing circuit; feedback circuit; output of power carrier

收稿日期:2010-03-24

基金項目:“863”海洋技術領域海底長期觀測網絡試驗節點關鍵技術資助項目(2007AA091200)

電力載波通信(power line communication，PLC)是電力系統特有的通信方式，電力載波通信是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。現在，PLC除了在遠程抄表上有所應用外，隨著家庭智能系統這個話題的興起，也給PLC帶來了一個新的舞臺[1]。在電力載波系統輸出級，需要對調制好的信號進行放大，本文使用共射放大電路和OTL電路分別對電壓和電流進行放大，為了控制輸出信號的諧波失真率，對偏置電路和反饋電路進行了改進[2]，同時在設計中考慮溫度影響，使電路可以在室外環境中正常工作。

1 放大器的設計要求和基本電路

根據國家電網標準的要求，載波信號的總諧波失真應小于0.05%，由于需要在室外工作，所以電路需要能夠在-30 ℃的環境中正常工作，輸出功率應達到1 W。在本設計中，為了達到輸出功率的需求，供電部分采用12 V直流供電，電源內阻為10 Ω。信號源為數/模轉換芯片的輸出信號，頻率為132 kHz，信號電壓峰值為2.5 V，芯片內阻為2 kΩ。負載為電力線，在仿真中采用如圖1所示的人工電源網絡模型。

圖1 人工電源網絡模型

基本電路如圖2所示，Q9為前級放大，Q8，Q12為后級輸出。輸入與輸出之間引入負反饋，調節增益，使得輸出功率滿足實際應用的需要，同時起到降低諧波失真的作用。前后級直接耦合，以簡化電路，降低成本[3]。

2 溫度影響

2.1 溫度降低的影響及解決辦法

當溫度降低時，使得晶體管集電極電流降低，而基極電流增大，當Q9基極電流增大時，R5電流增大，兩端壓降也隨之增大，而R5左端電壓為0.7 V基本不變，于是右端電壓上升，使得靜態工作點高于VCC/2，于是輸出波形的正半周頂端出現失真。

解決方法:

(1) 被動溫度適應法。加大負反饋降低增益，即R7的設定值降低，使得靜態工作點的上升不至于使輸出波形失真。缺點是降低了輸出。把R7調整為3 kΩ，電路可以在-30 ℃下正常工作，基波3 V，三次諧波為1 mV。

(2) 主動溫度補償法:將R5設定為可變電阻，當溫度降低時，降低R5阻值，使靜態工作點保持不變，也就避免了輸出波形的失真。

圖2 基本功率放大電路

2.2 溫度上升的影響及解決辦法

使用推挽式輸出級通常要通過偏置電路消除交越失真，最簡單的方法是使用D7和D8兩個二極管來實現[4]。

當負載電流較大時，三極管溫度升高，be間電壓降低，而二極管電流并不大，其正向導通電壓Ve變化不大，這樣，Vbe和Ve之間的電位差使得三極管中流過的電流加大，溫度進一步上升，電位差更大，三極管電流也更大，最終使三極管發生熱損壞[5]。解決方法:

(1) 如圖3所示，在2個三極管射極輸出端串聯2個電阻，限制電流[6]。

(2) 使用如圖4所示的電路，將3個三極管靠近，使它們熱耦合，則隨著溫度變化，Q3兩端電壓也會變化，從而抑制了熱擊穿[7]。

當三極管功率不是太大時，可以直接使用二極管偏置。

3 負反饋電路的改進

將基本電路中的R8使用如圖5所示的LC諧振電路代替，可以將132 kHz頻率的信號正確反饋，而其他頻率信號則被衰減至很小，從而改善輸出波形。

電容和電感的取值由公式f=12πLC來獲得。諧振頻率相同時，電容容量越小，電感數值越大，品質因數越大，選頻特性越好，為了得到合適的負反饋，加入了電阻來調整品質因數。

從表1可以看出，使用LC諧振作為負反饋可以在一定程度上抑制諧波失真。

圖3 串聯電阻法

圖4 熱耦合方法

選頻負反饋的使用使得電路只使用于特定頻率的功率放大，若需要較大范圍的頻率響應，則不適合采用選頻電路。

表1 兩種反饋電路的比較

電阻反饋選頻反饋

基波4.15 V4.1 V

二次諧波25 mV11 mV

三次諧波11 mV5 mV

4 偏置電路的改進

使用圖6所示的恒流源代替基本電路中的電阻R1，使得偏置電路中的電流不會受到輸入端的影響，從而使輸出端更加穩定，降低失真[8]。

圖5 選頻反饋電路

圖6 恒流源偏置電路

由表2兩者的對比可以看出，使用恒流源代替電阻可以使諧波失真大大降低，但是溫度特性會變差，使用中需要注意溫度補償。

表2 兩種偏置電路的比較

使用電阻使用恒流源

基波4.1 V4.2 V

二次諧波11 mV0.4 mV

三次諧波5 mV0.8 mV-30 ℃使用溫度適應法時的不失真基波3.58 V3.22 V(2.2 K)

溫度特性變差，但相對其對諧波失真的改進來看，此影響很小，所以在電路中恒流源的引入是非常有意義的。

5 提高輸入電阻

加入前面所述的選頻負反饋電路之后，輸入電阻變得很小，大概只有200~300 Ω，當信號源內阻變化時，會導致輸出端波形變化很大，并可能出現嚴重失真。所以需要采取措施提高輸入電阻，以降低信號源變化所帶來的影響[9]。

方法1 通?？梢圆捎蒙浼壐S電路作為前級輸入端的方法來提高輸入電阻，此方法效果好，成本高。

方法2 當對輸入電阻阻值要求不是太大時，可以簡單的在輸入端串聯一定數值的電阻，來達到提高輸入電阻的目的，此方法實現簡單，成本低。

在本應用中，信號由特定DA芯片提供，信號源內阻變化不大，適合采用第2種方法。

6 晶體管的選擇

最大管壓降:電源采用了12 V供電，所以晶體管最大管壓降應大于12 V;最大電流:經PSpice仿真，測得輸出級的2個三極管最大電流為150 mA，電流源和前級放大晶體管小于10 mA;最大功耗:經PSpice仿真，測得輸出級的2個三極管最大瞬時功耗550 mW，前級放大晶體管最大瞬時功耗小于60 mW;工作溫度:產品需要能在室外環境中正常工作;頻率特性:截止頻率大于300 kHz;綜合考慮，選擇2N3904和2N3906晶體管[10]。

7 改進后的電路圖及性能

根據前面所述的方法對開始的基本電路進行改進，得到最后的實用電路，如圖7所示。電源:+12 V，內阻10 Ω;輸出信號總諧波失真率約0.05%;輸入阻抗:1.2 kΩ。輸出阻抗:6 Ω;輸出電壓:8.3 V;最低工作溫度:-30 ℃。

8 結 語

本文從最基本功率放大電路著手，從多個方面對其進行改進，獲得了較高的諧波失真性能和較高的輸出功率，最終電路能夠滿足國家電網標準的要求和實際應用的需求。

圖7 改進后的功率放大電路

參考文獻

[1]趙勝利.電力載波技術的發展[J].山西建筑，2009(16):188-189.

[2]陳創，張德磊，田應偉，等.功率放大電路設計[J].今日科苑，2009，32(14):75-78.

[3]龔敏強，劉光祜.寬帶功率放大器的設計[J].現代電子技術，2009(11):104-106.

[4]丁朋.功率放大集成電路原理及應用[J].家電檢修技術，2007(14):19-21.

[5] [日]鈴木雅臣.晶體管電路設計(上)[M].北京:科學出版社，2004.

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[9]王劍波.音頻功率放大器[J].電子制作，2009(1):35-38.

[10]高揚.AB類音頻功率放大器產品選型指南[J].電子設計應用，2009(1):36-41.

作者簡介: 秦端振 男，1984年出生，山東聊城人，碩士在讀。研究方向為通信與信息系統。

李 欣 男，1959年出生，山東青島人，工學學士，教授。研究方向為嵌入式系統、通信傳輸技術。