丁类功率电路设计.

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：教师职称:起止时间：2014.6.16-2014.6.27本科生课程设计（论文）II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：通信工程注：成绩：平时20%论文质量50%答辩30%以百分制计算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：年月日本科生课程设计（论文）III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.............................................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本科生课程设计（论文）1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，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本科生课程设计（论文）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。本科生课程设计（论文）3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。甲、乙、丙类放大器就是沿着不断减小电流通角c的途径，来不断提高放大器效率的。但是c的减小是有一定限度的。因为c太小时，效率虽然很高，但因1cmI下降太多，输出功率反而下降。要想维持1cmI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c为o90，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电流开关型本科生课程设计（论文）4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CCV通过大电感'L供给一个恒定电流CCI。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CCV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CCV；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c=90°，设谐振最佳负载电阻R=60kΩ。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：coscosbeBBbmceCCcmuUUtuUUt本科生课程设计（论文）5(b)晶体管的内部特性:'cmbeBBIguU(c)（半）导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得：'cos'cosBBBBbmBBBBbmUUUUUarcU（d）最大输出功率为WRVP3.34414422（e）集电极基波电流振幅I为ARPI3.02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CCV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CCV供给一个恒定的电流CCI。因此当两管轮流导电时，每管的电流波形是矩形脉冲。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)(satCEV。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MV。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CEV的波形如图2.3所示。本科生课程设计（论文）6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)()(22)()()(2)(]cos)[(1satCEsatCEMsatCEsatCEMCCVVVtdVtVVV由此得到)()()(2satCEsatCECCMVVVV集电极回路两端交流电压的峰值为)()(2cm)()(satCECCsatCEMVVVVV它的均方根值为)(22)(satCECCcmcVVVV假设负载LR反射到回路两端，使回路呈现的负载阻抗等于'PR。由于每管通过的电流是振幅等于CCI的矩形波，它的基频分量振幅等于CCI2，因此，在回路两端产生的基频电压振幅为本科生课程设计（论文）7')2(PCCcmRIV)(22)('2'satCECCPPcmCCVVRRVI输出功率为2)('2'2)(22satCECCPPcmOVVRRVP直流输入功率为CCsatCECCPCCCCVVVRIVP)(2)('2因而集电极耗散功率为)()('2)(2satCEsatCECCPOcVVVRPPP由此得集电极效率为CCsatCEcVVPPo)(1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ξ=1的话，那回路电压CCCMVV，那么就要求晶体管的CE结必须能承受CCV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ci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。本科生课程设计（论文）82.4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本科生课程设计（论文）9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仿真结果图本科生课程设计（论文）10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