基于protel的功率放大电路

学年论文1本科学年论文（2008级本科）题目：protel对功率放大电路的制作和分析学生姓名：孙巍学生学号：08029082学院名称：物理科学与技术专业名称：电子信息工程指导教师：程立英2010年06月26日学年论文2protel对功率放大电路的制作和分析电子信息工程专业孙巍指导老师程立英（沈阳师范大学物理科学与技术学院电子信息工程）摘要：理论分析互补对称功率放大电路中自举电容的作用,给出用EDA软件protel99se仿真分析该电路的方法,仿真分析与理论分析结果一致,为获得该类电路的分析设计提供了EDA手段和实验依据。关键词：电子设计自动化软件；Protel；功率放大电路；仿真分析；自举电容。0．引言Protel是国内最流行、使用最广泛的一套电子设计自动化软件，简称EDA软件（ElectronicDesignAutomatic）。公司2001年正式推出具有产品数据管理（PDM）功能强大EDA综合设计环境protel99se,该软件采用客户机/服务器模式结构，采用统一的数据库管理，能够进行电路的电气规则检查，可以电路图仿真，软件包括了大多数常用元件以及这些元件的封装形式，使用十分方便，它具有原理图设计、层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等特点，是电子设计的最常用的电子设计软件之一。在模似电子线路中，功率放大电路是重要的必不可少的电路形式，是信号处理和多级放大后的必然要求，其最主要的表现形式之一就是互补对称功率放大电路（简称OTL功放电路）。由于互补对称功率放大电路仅由阻容元件和晶体管组成，易于集成和实现，又不需要变压器，从而改善了电路的性能，提高了电路的实用性。因而在家用电器，机电产品中和仪器仪表等中，互补对称功率放大电路都得到了普遍的使用。这样互补对称功率放大电路也就成为了我制作和分析的对象。本论文主要是介绍protel99se对互补对称功率放大电路的制作与仿真分析。在仿真原理图之前必须遵守一些规则：1．所有的元件须引用适当的仿真元件模型。2．设计者必须放置和连接可靠的信号源，以便仿真过程中驱动整个电路。3．设计者在需要绘制仿真数据的节点处必须添加网络标号。4．如果必要的话，设计者必须定义电路的仿真初始条件。1.对放大电路的仿真分析1.1、概述仿真分析是使用计算机进行模似和数值分析的实用方法，通过仿真分析，不必构造具体的物理电路，也不必使用实际的测试仪器，就基本上可以确定电路的工作性能。这里我用protel99se软件对单电源互补对称功率放大电路进行仿真分析。功率放大是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，把电源的能量转换成随输入信号变化的输出功率送给负载。放大电路的实质上就是能量转换电路。从能量观点来看，学年论文3功率放大电路与电压放大电路没有本质区别。但是，功率放大电路与电压放大电路所要完成的任务不同了。对电压放大电路的主要要求是使负载的到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、和输出阻抗等，输出的功率不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因此，功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题，这些问题是：1.1.1输出功率要大，要增加放大器的输出功率，必须在晶体管运行的极限的工作区域附近。1.1.2效率η要高，放大器的效率η=交流输出功率/直流输入功率。1.1.3非线性失真要小，功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要的矛盾。1.1.4BJT的散热问题，在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。1.2仿真分析我们这里主要分析单电源互补对称电路(OTL电路)如图1所示,我们这里输入信号Vin=0.1V,频率为1kHz.经过仿真得到的图2所示,我们可以很清楚的看到输入输出的电压波形以及各点的电压波形,这有利于我更直接有效的分析电路图.(这里我们V14是作为输出电压)对各点的静态点进行分析.图1单电源互补对称电路(OTL电路)学年论文4图2各点的仿真电压波形图1.3参数扫描分析参数扫描分析是将电路参数值设置为一定的变化范围,以分析参数变化对电路性能的影响,这种作用相当于对电路进行多次不同参数下的仿真分析,可以快速检验电路性能,对将要投产的产品设计很有意义.参数扫描可以有3种分析:DC工作点分析、瞬态分析和AC频率分析.(1)对该放大电路中的R1进行DC工作点分析,这里只分析R1变化对电路中M点电位的影响,以便确定使M点电位为VCC/2时的R1阻值.分析结果R1应为93340Ω.(2)该放大电路中的RL进行瞬态参数扫描分析,对负载RL进行瞬态参数扫描分析,分析结果RL=1K时如图3所示,电路中其他参数不变的情况下,负载不同时,输出亦不同.RL=1K时这时输出的电压约为2V.图3电阻RL的参数扫描分析结果这里用protel软件工具对该功率放大电路不同的输入信号，测量其输出电压值，结果如表2所示.当输入信号为0.156V时,输出电压的底部已经开始出现失真.最大不失真输出电压接近为4.5V。随着信号源的不断增加，输出电压随之增大，当超过最大不失真输入电压时，输入波形出现不同程度的失真。如图4所示学年论文5图4当输入0.2V电压时，V14出现失真。我们从图形4中很容易看出。这是因为当输入电压vi为负半周时,T1导电,因而iB1增加,由于R6和R8上的压降以及vBE1的存在,当M点电位向+VCC接近时,T1的基流将受限制而不能增加很多,因而也就限制了T1输向负载的电流,使RL两端得不到足够的电压变化量,致使Vom明显小于VCC/2.通常的办法是在电路中A,B间引入电容C4组成的所谓自举电路,当时间常数R6C4足够大时,电容C4两端电压将基本为常数,不随vi而改变.这样,当vi为负时,T1导电,vM将由VCC/2向更正方向变化,随着M点电位升高,B点电位vB也自动升高.因而,即使输出电压幅度升得很高,也有足够大的电流iB1,使T1充分导电.2.自举电容C2的作用与分析2.1提高电压增益2.1.1不接C2的电压增益若图5中不接C2,其输入ui为正极性电压时Q1和Q2导通,Q3截止,Q1为共射放大电路,其电压增益为ÛA,Q2为共集放大电路,其电压增益为ÛA小于或等于1,则电路总的电压增益为|ÛA|=|ÛA·ÛA|≈|ÛA|⋯⋯①较小(ui为负极性时,结论相同)。2.1.2接C2的电压增益若图5中接C2,其输入为正极性电压时Q1和Q2导通,Q3截止,Q1为共射放大电路,其电压增益为ÛA,Q2也是共射放大电路,其电压增益为ÛA,则电路总的电压增益为|ÛA|=|ÛA·ÛA|⋯⋯②较大(ui为负极性时,结论相同)。2.1.3结论式①和②相比得,接上自举电容C2后电路的总的电压增益大大提高了。2.2增大动态范围在图1中,C2是自举电容,静态电压Ve=Ec/2,Vf=Ec-Ib2Rc≈Ec(Rc很小),Vc3=VD-VA=Ec-Ec2=Ec2,而C2容量较大(一般是100μF以上),所以当加上输入信号ui,Ve变化时,C2两端电压VC2基本不变。这必然造成在Q2导通过程中,随着Ve增高,Vf也相应增高(Vf=VC2+Ve),不会出现Vf=Ve的情况。Q2的基极电流是由Vf提供的,Ib2=Vf-VBE2-VeR3≈12·ECR3,显然,Ib2与Ve无关,即Ve增高时,不会影响Ib2的大小,只要适当地选取R3,就能给Q2提供导通的基极电流,使Q2达到饱和状态,使Ve由Ec2变到EC成为可能,Ve的变化量为Ec2,e点输出电压正半周的幅值为Ec2,接入自举电容C2后对输出电压的负半周没有影响,因此动态范围变为-Ec2-+Ec2,即比无自举电容时增大了动态范围。学年论文6图5简单的对称电路2.3利用protel99se仿真分析互补对称电路中自举电容的作用通过图1与图5的分析，我对互补对称电路进行了修正，也就是带自举电容。如图6所示，通过对修正后的电路进行仿真分析，其中D1、D2、R4、R5、C3是使电路充分导通和限流而加入,电路参数见图7所示，通过图我们可以清楚的看到输出的电压增大和各点的电流。在测试的相同情况下（Vim=0.1V/1kHz）时，输出电压明显增，图1仿真得到输出电压约为3V，而修正后的电压达到了3。6V。这都是自举电容C2的作用。2.4参数扫描分析参数扫描分析是将电路参数值设置为一定的范围,以分析参数变化对电路性能的影响,这种作用相当于对电路进行多次不同参数下仿真分析,以快速检验电路性能,对将要投产的产品设计很有意义。参数扫描有三种分析:DC工作点分析、瞬态分析和AC频率分析。①对该功放电路中的R1进行DC工作点分析,分析结果R1应为201.85kΩ,②对该电路中RL进行瞬态参数扫描分析.学年论文7图6修正后带自举电容互补对称电路图7，修正后带自举电容互补对称电路仿真4、结束语综上分析知,在互补对称功放电路中,接入自举电容,输出级变共集电路为共射电路,提高了电压增益,增大动态范围;参数扫描分析快速校验和优化电路性能。实践表明protel99se软件是电路与系统设计的有利工具,加速电子系统设计的步伐,对电子技术课程的教学也是一种有益的补充.但是,在不同场合下,对非线性失真的要求不同.例如,在测量系统和电声设备中,这个问题显得重要,而在工业控制系学年论文8统等场合中,则以输出功率为主要目的,对非线性失真的要求就降为次要问题了.如何减小非线性失真,而又得到大的交流功率,提高效率是功率放大电路研究的主要课题.，通过以上用protel对互补对称功率放大电路仿真分析可以看出,用该软件可以提高对功率放大电路分析的速度和准确度,使功率放大电路的设计更好地满足实际负载的需要。学年论文9参考文献:1.模拟电子技术基础（第三版）。主编：童诗百华成英(高等教育出版社)。2.Protel99se电路设计与仿真教程胡烨姚鹏翼江思敏编著，(机械工业出版)。3.一种基于multisim2001互补对称功率放大电路仿真分析马秋明刘姝延迟永江田丽杰孙文福(烟台师范学院物理与电子工程学院,山东烟台264025)4.Protel99se在电路设计中的应用技巧任全会马蕾5.实验用互补对称功率放大电路的设计与测试陈涛(阜阳市产品质量监督检验所,阜阳236013)6.双差分输入全对称全互补直流功率放大电路的分析与设计石新峰,宋守云7．互补对称功率放大电路中自举电容作用仿真分析Protel-basedPowerAmplifierCircuitFortheProductionandAnalysisWeiSunLiyingCheng（ShenyangNormalUniversity；CollegeofPhysicalScienceandTechnology；ElectronicandInformationEngineering）Abstract:TheoreticalAnalysisofcomplementarysymmetrypoweramplifiercircuitintheroleofbootstrapcapacitorisgivenbyEDAsimulationsoftwaretoanalyzethecircuitprotel99semethod,simulationanalysisresultsareconsistentwiththetheoreticalanalysis,inordertoobtainsuchananalysisofthecircuitdesignbasedonEDAtoolsandexperiments。Keywords:ElectronicDesignAutomation(EDA);Protel;PowerAmplifierCircuit;SimulationAnalysis;BootstrapCapacitor.