（电路与系统专业论文）软磁材料交流磁特性自动测量系统设计.pdf

摘要 摘要 近年柬，利用软磁性材料的各种磁特性所制成的磁性元件应用越来越广泛、 工作频率也越来越高。为了掌握磁性元件在不同工作频率下的磁特性，更有效地 进行软磁材料、软磁器件的研制生产，研制一种宽工作频率软磁材料测量仪器非 常必要。 本文介绍了软磁材料交流磁特性自动测量系统的构成、测量原理；设计了一 种用于软磁材料交流磁特性测量的高压、高频、宽带功率放大器，它具有 5 0 h z - i m h z 的信号频带，能够在电源电压为+ 7 5 伏、负载电感和采样电阻条件下 有最大_ + 5 0 v 输出；采用了交流负反馈的线路结构，保证了大功率输出时的频带 宽度和电路的稳定；通过分级供电减小了功率信号源受直流电源脉动电压的干 扰；对采集到的数据在积分前进行了去除直流分量算法处理，减小功率信号源输 出直流分量对测量精度的影响。基于h s 3 综合测试仪，设计了一个软磁特性自动 测量系统，其软件部分采用v i s u a lc + + 编写，软件和硬件间的通信是通过调用 虚拟仪器自带的库函数实现。经测试，系统能够工作在5 0 h z i m h z 的频率范围， 测量结果与试样标定数据符合良好。 关键字：磁性测量。磁滞回线、功率放大器、宽频带、v c + + a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m a g n e t i ce l e m e n t sm a n u f a c t u r e db a s e do nm a g n e t i cp r o p e r t i e s o fv a r i o u ss o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sw i t hh i g h e ro p e r a t i n gf r e q u e n c yh a v eb e e na p p l i e d t oe v e nw i d e rf i e l d s t h u si ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa m e a s u r i n g i n s t r u m e n tw i t hw i d e o p e r a t i n gf r e q u e n c yt ot e s tm a g n e t i cp r o p e r t i e sr e f l e c t e db ym a g n e t i ce l e m e n t su n d e r d i f f e r e n to p e r a t i n gf r e q u e n c i e sa n df a c i l i t a t ed e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r i n go fs o f t m a g n e t i cm a t e r i a l sa n dc o m p o n e n t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fa u t u m a f i em e a s u r e m e n t d e v i c ef o ra l t e r n a t i n gc l l r r e u te l e c t l o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s i t p r e s e n t sad e s i g no fw i d e - b a n dp o w e ra m p l i f i e rw i t hh i g hv o l t a g ea n df r e q u e n c yf o r m e a s u r e m e n to fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ，w h i c hh a sas i g n a lf r e q u e n c yr a n g eo f 5 0 h z i m h za n dm a x i m u mo u t p u tv o l t a g eo f 5 0 vu n d e rt h ec o n d i t i o no fp o w e r v o l t a g eo f + 7 5 v , i n d u c t i v el o a da n ds a m p l i n gr e s i s t a n c e i ta d o p t sc i r c u i ts t r u c t u r e o fa l t e r n a t i n gn e g a t i v ef e e d b a c kt oe n s u r et h es t a b i l i t yo ff r e q u e n c yr a n g ea n dc i r c u i t a tl a r g ep o w e ro u t p u t i n t e r f e r e n c ec a u s e db yd i r e c tc u r r e n tr i p p l ev o l t a g et op o w e r s i g n a ls o u r c ei sr e d u c e dt h r o “i 曲g r a d i n gp o w e rs u p p l y c o l l e c t e dd a t aa r et r e a t e db y e l i m i n a t i n gd i r e c tc o m p o n e n tc a l c u l a t i o nb e f o r ei n t e g r a lc a l c u l u si no r d e rt or e d u c e t h ei n f l u e n c eo fm e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a u s e db yd i r e c tc o m p o n e n to fp o w e rs i g n a l s o u r c eo u t p u t i nt h ed e s i g no ft h ea u t o m e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h es o f t w a r ei sc o m p i l e d w i t hv i s u a lc + + ，a n da sf o rt h eh a r d w a r e ，d e s p i t eo ft h eu s i n go ft h es e l f - m a d es t a t i o n a m p l i f i e r a n dt h ed cs t a b i u z e d v o l t a g e s o m c e h s 王- a c o m p r e h e n s i v e t e s t i n s t n a n e n ti sa l s oa p p l i e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ei s r e a l i z e db yt h el i b r a r yf u n c t i o n ，w h i c hi sa t t a c h e dt ot h el a b v l e w ，i tw a sp r o v e dt h a t t h es y s t e mc a nw o r ks t a b l yb e t w e e n5 0 1 l za n d1 m h z ，a n dt h i si sw e l la c c o r d a n c e w i t ht h em o d c in o m i n a ld a t a k e y w o r d s ：m a g n e t i cm e a s u r e m e n t ，m a g n e t i ch y s t e r e s i sl o o p ，p o w e ra m p l i f i e r , b r o a d b a n d v c + 十 【i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 泖，f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布c 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 软磁材料是指矫顽力小、容易磁化和退磁的强磁性的铁磁或亚铁磁性物质。其总体特点 是：对外加磁场有高灵敏性反应，磁导率很高。性能优异的软磁材料，矫顽力一般都低于 1 2 0 a m 。由于其具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以常被j “泛埘 来作为磁力线的通路即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩，特殊磁路 的轭铁等；它不仅在电气设备中得到广泛应用，在电子技术领域软磁材料的应用更是随处可 见。特别是2 0 年来，由于电子信息科学的迅猛发展，软磁材料在电气、电子工业中的麻用 变得越来越为广泛。为了更女，地开发和使用软磁材料，必须获得其磁特性参数。设计者只有 知道软磁材料在实际使用条件下的磁特性参数，才能进行合理化设计磁性器件；软磁材料的 研制者才能摸索各种丁艺因素对材料性能的影响，以便向用户提供动态磁性能优异的软磁材 料或铁心。此外，在磁性器件的生产中，进行产品的质量检测，也必须知道其磁特性参数， 这些都使得人们对软磁材料及其性能的测量越发重视。研究和发展精度高、灵敏度强、稳定 性好、使用快捷简便的磁性测量仪器成为必然要求。 1 2 交流磁特性测量研究发展现状 软磁材料磁特性可分为静态磁特性和动态磁特性。静态磁特性是指材料在恒定绒非常低 频的交变场作【 jf 的磁特性；动态磁特性是指材料在上频以上交变场作用卜的磁特性。相应 的，软磁材料磁特性测量包括动态磁特性测量和静态磁特性测量。静态磁特性测姑的历史相 对较长，方法也比较成熟。随着电力、电子、通信技术的发展及软磁材料的广泛应用，人们 不仅需要了解软磁材料的静态磁特性，更需要掌握其动态( 交流) 磁特性。 交流( 动态) 磁特性的传统测量方法有两种：爱波斯坦方圈法和环形样件测量法。在这 两种测量方法中，对磁感应强度的测量是利用电磁感应定律得到的，对磁场强度的测量是根 据安培环路定律而得到的。 后来，随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，虚拟仪器技术在动态磁测量中 得到应用，这给磁测量带来无限的生命力。它是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的 软州：来完成各种测试、测带和白动化的麻用，从而大大提高了磁测鼍仪器的性能。 东南人学碗i j 学位论文 国际上，软磁测量专用仪器设备的开发生产主要集中在美、英、德、日本少数儿个先 进一i ：业化国家，例日本a g i l e n t 公司推出t a g i l e a t f a 9 9 1 a r f 阻抗材料分析仪，测试频率从 1 m h z 至3 g h z ：英国马可尼公司生产的t f l 2 4 5 型表，测试频率为4 0 k h z 3 0 0 m h z ，h p 4 3 4 2 a 型表测试频率为2 2 k h z 一7 0 m h z ，h p 4 2 8 5 a 和h p 4 2 8 5 l a 型q 值适配器，测量值的频率为 7 5 k h z - 3 0 m h z 。另外还有c h 2 3 3 0 取样数字v n w 表( 美国) ，c h 2 3 3 5 取样数字v - a w 表( 美 国) ，c - 7 5 0 b h 测试仪( 德国) ，s y - 8 2 3 2 b - h 分析仪( 日本) 等，这些仪器代表了当今t h ：界 上软磁测试仪器的技术水平。但这些仪器价格十分昂贵，例如日本岩崎通讯公司推山s y - 8 2 1 6 型和s y - 8 2 3 2 型b h 分析仪。价格为1 0 0 多万元。 国内，由于研制生产磁测仪器的厂家多，规模小，技术力昔分散、单干，生产的测试仪 器在使f h j 频率范围、可靠性、多功能、自动化程度以及外观质量方面，与国外测试仪器相比 相差甚远。在国内比较领先的一些软磁测鬣仪器生产厂家，比如湖南联众科技有限公司、上 海亨通磁电科技有限公司、天宇电子有限责任公司、天津无线电六厂等，虽然生产了多种型 号软磁测量分析仪器，但频率宽度多在5 0 0 k h z 以内，1 m h z 咀上的仪器很少。国内外一些生 产软磁测量仪器代表性厂家的主要产品性能如表1 1 ，在软磁材料动态磁特性测量技术方面， 表1 1 国内外部分软磁测量仪器j 家及主要产品的件能指标 日奉 晦 湖南鞋矗t 梅亨蕊电科 王宇电子 1 s y 4 2 6 , i p 3 4 科技技 t l n l h 0 0 0 蛳1 l n s )羽1 i f 试频率l o h l 姗l l k h ，k l h轴h t l k h 5 咖慨h 1 0 h z - 1 0 t 】o k h p l k h ；l 咖【h z2 k h i1 1 m 羹车精度 b h ( 2 b 1 k 5 b 。 k 0 3 b i k 3 p c 二：， l 上述方程可近似写成： 耻m ( f ) r = 札4 警 ( 2 - 4 ) 所以电容器两端的电压为： 哪，= 吉胁出= 等挚= 筹耶， 陋s ， 从上式得到： 阶着删 ( 2 - 6 ) 式中，n 2 为次级绕组的匝数；a e 为试样的有效截面积。 为了从磁滞同线上获得确定的磁性参数，应对示波器x 轴雨l y 轴定标，从式( 2 一1 ) 和式 ( 2 - 6 ) 可以看山磁场强度h ( f ) 和磁感应强度b ( f ) 止比丁( f ) 和以( f ) 的峰值，当川峰值 电压表准确地测出【么和【，c 历，并知道了示波器x 轴和y 轴的最人分数x o 和y 0 之_ i 亓，从式( 2 - 1 ) 和式( 2 6 ) 可以得到常数“和。 “2 i h = 业l e r t x o ( 2 - 7 ) 芷一= i b ；丽i c u c ( 2 - 8 ) y o l a e y o 则式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 6 ) 可以写成： 口= “x ( 2 - 9 ) b = x 8y(2-10) x 和y 分别为磁滞回线各点的坐标。通过示波器上x 和y 的读数即可求出磁参数b r ih c 。 b s 。 示波器法缺点是准确度低，常常不能得到无失真的磁滞亓1 线。原冈之一是b 通道和h 通道的放大器平积分器没有足够的频带宽度，对基波和高次谐波电压不能同时进行线性放 大。引起合成波发生畸变；原因之二是b 道电路中有电感和电容元件，当b 信号通过此电 路之后，就不能维持样品内部b 和h 之问原彳丁的相位关系，而发生丰h 角误等。 第一二章交流磁特性自动测量系统下作原理 2 3 交流磁特性自动测量系统工作原理 现代测试技术促使了虚拟仪器概念的出现和发展。所谓虚拟仪器就是利_ l j 现有的计算 机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，x 有一般仪器 所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。概括米讲，它是由计算机、仪器硬什手相廊的 应用软件组成。是计算机技术与仪器技术相结台的产物。 前面介绍的示波器法测茸软磁材料性能参数，其方法和原理都报简单，但是所测的参 数单一且精度一般不高。本节将在示波器法测量原理的基础上，引入计算机、h s 3 多功能测 试模块及相应的应用软件，介绍一种采_ j 虚拟仪器测量软磁材料环形样什的白动测量系统， 它完全可以在同一个系统中把所有常规性能参数测量出来，而且测试述度快，精度高。 1 系统的组成 软磁材料动态碰特性自动测量系统硬件主要由计算机、可控信号发生器、数据采集器、 宽频带人功率放大器和测试平台构成，实际系统的构成框幽如幽2 - 3 所示。可控信号发生器 和数据采集器都是集成在h s 3 多功能测试模块中的，对此在以后章t 仃详细介削。而功率放 大器、测试台和控制程序均为自制的部分。 本系统用计算机控制程序m a g n e t i c e x e 通过u s b 接口控制h s 3 中的可控信号发生器， 然后通过功率放大器将信号加到测试台上的试样上，当数据满足一定条什，通过数据采集 器，将数据输入计算机，进行处理后得到磁性材料特性参数。 啼 圈2 - 3 软磁材料交流磁特性自动测量系统框图 2 系统工作原理 如图2 4 是软磁材料环形样件交流磁特性自动测量系统的一j ：作原理幽。功率放人器的作 用主要是实现将信号发生器输出的信号进行放大，在规定的频带范嗣内有稳定的电压电流 输山；h s 3 功能模块与计算机实现止弦信号的产生及测试数捌的采集羁l 处理；测试台主要 7 图l 园围圈 一 一 一 m制序赆盹啦 一 一 嗍m：董严 东南人学坝l j 学位论史 片j 来使测试人员测试磁性材料更加方便；计算机则通过软f l 系统米控制整个测量的进行及 数据的处理雨i 显示。 h s 3 多功能测试模块 - 1 计算机软件 控制系统 l j 图2 - 4 软磁材料环形样件自动测量系统的t 作原理幽 图2 _ 4 中，计算机软件控制系统发山测鼙的指令后，h s 3 模块中可控信号发生器产生 的正弦信号通过h s 3 的输山模拟通道z 传至宽带功率放人器。经过放人后送至样品的初级 线圈初级线圈的电流经检测电阻r 暑后，地上屯乐信号经h s 3 的输入模拟通道x 送酗 缓冲放犬器后得电压v l ，次级线圈中的感麻电压经h s 3 的输入模拟通道y 送k u 缓冲放人 器后得也压v 2 。将v 1 和v 2 送数据采集器，开通过计算机对采集到的数据进行处理即可得 到样品中的b 和h 的关系，从而可以得剑样品在特定条什( 频率磁感戍强度) f 的磁滞 回线，并可得出一系列重要的磁特性参数。 假设当初级线罔中通过的电流为i 时，样品中的磁感廊强度为b ，其表达式为： b = b m - c o s ( 2 ；, r 厂f ) 。则根据安培电流环路定律手脚= ，有： h l e = n 1 从而有： k ( f ) = l ( t ) r 根据电磁感麻定律nsd b ( t ) ，有： a t 哪) = 2 恤警= 2 1 r _ 2 a e b m f - c o s ( 2 吖，) k ( f ) 和k ( t ) 即为送入数据采集器的两路信号。其中a e 为试样的有效截面积，l e 为 试样的有效磁路k 。 当数据采集器以一定的时间间隔f 对信号采样时，则得到的采样数据为： 8 第二章交流磁特悱白动测量系统t 作原理 从而有： = i e l + r $ 日( 后) 吃( 忌) ：2 月p ( ! 望掣l ；。：一2 石2 一p 曰。，s i n ( 2 万f 后) a t 日( j ) = 击吲七) 础) = 砸1 【皿观砸a t 嵩嘶) 这里p l 坼) 2 【f ) j f m ，余荚傩；a t 5 1 f s 为般样i 司隔。码j 上血朐公式，i j 以很释 易地得到我们所关心的一些磁特性参数。 ( 1 ) 磁滞损耗p c n = 去，( 分啦渺= 嘉掣出= 杀惫”艺k - o k ( ”k ( t ) 若以e n g t h 表示n 个箍周期的采样点数，则p c 公式义可表示为： r = 丽矗篙獬哪) c w ， 斗2 p c = p c ( w 慨) i e 篆批) ( 2 ) 矫顽力h e 和剩余磁感应强度b r b r 为b h 曲线中h = 0 时b 的值。 h e 为b h 曲线中b = 0 时h 的值。 【3 ) 磁导率 b m 乜2 h m a o 其余参数的计算公式都是显而易见的，此处不再列出。 软磁材料环形样件自动测量系统的f ：作过程如图2 5 所示。 9 东南人学坝1 j 学位论文 图2 - s 软磁村科交流磁特性自动测量系统t 作过程 至此。可以看山自动测草系统应川了与示波器法类似的原理，但是它在其基础上义运 用了现代计算机的采样法原理。在示波器法中的积分是通过模拟积分器来实现的，而在自 动测量原理中积分是通过数值积分来实现的。 相对丁传统的测撞方法而言，白动测域系统不存在较人的读数误差，而且结合计算机 强人的数据处理功能。得剑的结果比传统方法得到的数据精度高。自动测量系统还有一个 优点。它可以在很短的时间内完成一次测蟮任务，速度也有很人提高。 0 第二三章软硅测量j j 半艘人器 第三章软磁测量功率放大器 在磁性材料测鼙系统中，功率放人器是关键。为了满足目前的磁性材料测鲑的需要， 必须有一个至少能在5 0 h z i m h z 频率范嗣有较人输山电压的功率放人器。 本章将介绍一种工作频率范围为5 0 h z i m h z ，在负载电感和采样电阻条i i ：l - ：f f 最人 5 0 v 输出，能满足在此频率范围内对软磁材料交流磁特性进行测量的宽带功率放人器。 3 1 功率放大器的分类 功率放大器按工作状态可分为甲( a ) 类功率放人器、乙( b ) 类功率放人器、丙( c ) 类功率放大器等。它们的分类主要是根据输山器什的i i = 作情况米定义即在一个完整的信 号变化周期内，根据品体管的j ：作时间或偏置电流流入晶体管的时间米进行定义。 3 i i 甲( a ) 类放大器 甲类放人器是指在一个完整的信号周期内功率晶体管一直l ：作在线性放人状态，即 导通角0 = 1 8 0 。( 在信号周期一周内，导通角度的一i | 定义为导通角) 。甲类放人器是所有功 率放大器中效率虽低的，因此，同等输出功率f 甲类放人器体积人，发热姑高，但甲类放 大器是所有放人器中线性度最好的，火真最小。甲类放人器原理i 划如i n 3 1 ( a ) 所示。 v c e v c c v e e ( ) 甲( a ) 类放大器( b ) 乙( b ) 类放大嚣( c ) 丙( c ) 类放火器 圈3 - i 几种传统功率放大器电路 甲类放人器的效率极低。以晶体管为例，即使在最理想情况f ，甲类放人器的效率虽 高也只能达到5 0 。直流电源送出的能量的5 0 以上都消耗在了品体管上，品体管的发热 很严重。所以甲类放大器对功放元件的要求很苛刻，需要很大容量的功放元件，价格也很 昂贵。 i l 东南人学倾j j 学位论文 3 1 2 乙( b ) 类放大器 乙类放人器是一种互补式的输山结构，如i 笙i3 - 1 ( b ) 所示。两个晶体管不同时j 【：作，每个 器件j ：作半个周期，导通角0 = 9 0 0 ，效率高丁甲类放人器。由于一个品体管截止而另一个 晶体管导通时需要过度时间，乙类放人器冈此 v e t 存在较为严重的交越火真。减小乙类功放交越 失真常川的方法是采h j 甲乙类i ：f r 状态，如i ! | 3 - 2 所示使q 2 和0 3 在静态时有一个合适的 偏置电流。 此时输出器什l ：作时间人丁、i ，个周删但 小于一个周期，它通过在乙类放人器的两个品 体管输入端加合适的止向偏置电压，使两个晶 体管不会彻底截l h 。这不仅改善了乙类放人器 的1 f 线性，效率义高丁甲类，是甲类放人器的图3 - 2 克服交越失真的乙类功牢放丈器 线性度与乙类放人器的效军的结台t 冈此也称为甲乙类互补功军放人器。 甲乙类互补功率放人器与甲类放人器相比，在输入v i 为0 时，互补的两个品体管中基 本上无电流流过，因此静态损耗很小从而效率比甲类功率放人器要高一些，虽理想的情 况下，即忽略品体管的饱和压降和输入信号足够人时，可得： 最大输出蟪只= ；豢 ( 3 _ 1 ) 最人输山时烈管管耗：0 ：兰孚( 3 - 2 ) 2 万r 直流电源供给的撼巳2 三鼍 效率印2 毒5 三硼s ， 但实际效率一般要比这个理想情况f 的效率要小得多。 在磁性材料测鼙中，被测试的负载是含有电感的感性负载，这将影响剑功率放大器的 输出性能。当功率放人器接感性负载l 时，功率放人器中品体管的损耗将会增加，功率放 大器的效率t e 会f 降，并h 品体管韵1 ：作条什1 h 会恶化。 2 筘三章软磁测量助率放人 在功放接负载为感性负载的情况卜i 负载上的电压超前流过负载的电流一定的相角母。 在负载电流最人时： i a t ) = i s i n ( ( a t ) ( 3 5 ) 毗( f ) = y 乙s i n ( c o t 一伊) ( 3 - 6 ) 晶体管q 2 上的压降： 输出有功功率： u r 2 = 吃一叱 ( o t t 2 ) p 0 = 矿。- i c o s 妒 ( 3 7 ) 品体管q 2 上的损耗： 弓z = 瓦1 “：d ( o f ) = 磊1n 比一s i n 一妒) ”s i n ( w t ) d ( c o t ) = 爿z 一三叫 = 宰， c s 剐 双管的损耗： 弓= 气产， ( 3 _ o ) 由式( 3 8 ) 至( 3 i o ) 可e ，当接入感性负载时，在放人器输山视为功率不变的情况下，放 大器的输出功率会下降，而品体管的损耗会增加，其变化与负载的功率因数角有关系。因 此，在驱动感性负载时要想获得与驱动纯阻性负载时相同的有功功率，放大器所使用的 晶体管所允许的最人电流必须要人丁，t h j 丁驱动纯阻性负载的功率放人器的晶体管所允许的 最大电流。根据式( 3 7 ) ，晶体管上的最人压降也将由v c c 变为吃+ p k 睦i n 妒，因此，当 放大器用于驱动感性负载时，使用的晶体管的耐压必须要比用于驱动纯阻性负载的功率放 大器的品体器的品体管耐压高- 当功率放人器驱动感性负载时，负载上的电压与流过负载的电流有了一定的相角差， 因此晶体管上的瞬时功率也将发生变化。削3 - 3 ( a ) 为感性负载时的瞬时功率，图3 - 3 ( ”为 纯阻负载时的瞬时功率。从幽中可以看出，舀：接入感性负载时，剐f 率放人器的。i ：作条什将 东南人学顺| 。学位论文 明显恶化，这时，在一个周期的某段时间内加在品体管上的电压和流过晶体管的电流同时 为较人的值，冈此品体管的瞬时功率很人。当用丁放人低频信号时，信号变化缓慢，晶 体管会在这种伏安曲线高功率的区域保持较k 的时间，囡此，晶体管发热很严重。有可能 引起晶体管的一次击穿，严重时会引起品体管二次击穿，从而使得晶体管损坏。在这种场 台应州时，为了保证晶体管的安全运行，必须选川安全。l ：作区人的晶体管。 ( a ) l 、r 负载彻r 负载 图，_ 3 功放接感性鲍载j 纯阻性负载瞬时功率比较 综台上述分析，功率放人器在驱动感性负载时，品体管的i ：作条件比驱动纯阻性负载 时的l ：作条什恶化了很多，在产生相同的有功功率的时候，必须选_ h j 耐压高、额定电流大、 安全l ：作霞人的品体管而这样的品体管的投资比普通的晶体管的投资比普通的线性放火 器高山许多，这就是专门制作的川于驱动感性负载的功率放大器价格昂贵的一个主要原因。 3 1 3 丙( c ) 类放大器 丙类放人器的导通角0 9 0 。，即功率管l i 作时间小于半个周期，功率管在每半个周期 内导通一段时间，而不是、1 个周期一直在l ：作。丙类放人器的j 二作效率高丁甲类放人器和 乙类放人器。它是一种利j j 睹振系统作为匹配网络的1 | 线性功率放人器，一般圳丁对火真 度要求不高或凋i 旨输出的场合，如无线发射机中，川丙类放人器对载波信号或高额己调波 信号进行功率放大。这些信号或是频率同定的简谐信号或是频谱宽度远小于载波频率的窄 带信号。 丙类放大器的原理电路| 垄 如图3 1 ( c ) 所示。图中电感h 和电容c r 为匹配网络，它们 与外接负载共同组成并联谐振同路。通过调节电容c r ，使同路谐振在输入信号频率上。这 种放大器主要川丁对调制载波信号进行放人，不符台磁性材料测量的要求。 1 4 第二章软妊l 测量功率放人器 3 2 功率放大器的主要技术指标 功率放人器的常_ l 】l ：程技术参数及说明见表3 1 。 1 ) i l - 作频率范用( f ) 表3 l 功率放人器主要技术指标 指放人器满足各级指标的j ：作频率范同。放人器 的实际。j ：作频率可能会人r 定义的i ：作频率范甬。 2 ) 功率增盐( g ) 指输入输出端口良立，匹配的情况f ，输出功率与 输入功率的比值，单位常h | d b 表示。功率增益的定义为 功率增益= 输出信号功率输入信号功率( d b ) 。 3 ) 增益平坦度( a g ) 指在一定温度卜i 、整个i ：作频率范同内放人器增 益的变化范围( 见图3 - 4 ) 。 增益平坦度由f 式表示： g = 士垒笋( 拈) 拳蠹滗明 表示方式 工作频率范围 f 功率增益 g 增益平坦度 6 0 噪声系统 n f 1 分贝匿缩点输出功率 弓m 三阶嗣断点 职 输 嗡出电压驻渡比v s _ 吼 工作电压咤淹v a g m 、 i f g m 。 低频点高频点 图3 - 4 功放的增益平坦度二 其中，6 r 瑚，、g m m 分别为增益一频率扫频曲线的幅度最大、最小值。 4 ) 工作效率 ( 3 1 1 ) 效率是指输山有川功率与电源供电功率的比值。它与功放的工作状态有密切关系，以 百分比表示。 5 东南人学硕i 学位论文 驴嚣州0 0 ( 3 1 2 ) 甲乙类功率放人器的理论值为7 8 5 但考虑到推动级以及其他功能电路的消耗，甲乙 类功率放人器的效率一般为5 0 。 5 ) i ：作电压电流 指放人器i ：作时需要供给的电源电压和电流值。 另外还有一些技术指标，例如：噪声系数、交调指标( i m 3 ) 、输入输出驻波i 土( v s w r ) 等，在实际麻川中人们关心的是如何从要求的技术指标出发，设计一个性能价格比较高 的功率放人器。本文介绍功率放人器关注的主要技术指标有：工作频率范围、功率增益、 i ：作效率、最人输出不失真电压等。 3 3 软磁测量功率放大器的设计 3 3 1 软磁测量对功率放大器的性能要求 从磁性材料测量需要出发，该功率放人器在电源电压7 5 v ，输入正弦信号幅度5 0 1 2 0 0 m v ，负载1o 采样电阻和电感线圈的条件卜_ ，要达到的主要性能指标如r ： 1 ) 信号频带：5 0h z - i m h z ； 2 ) 电感线网上虽人输出电压幅值不小于5 0 v 。 可见，电路要求的i ：作电压高同时，兼顾较人的输山电压摆幅和频带宽度。这使得 磁测鼙功率放人器与一般音响功率放人器有很大的不同：在具有较大输山摆幅的同时，磁 测嫱功率放人器i ：作频率从儿十赫兹剑1 兆赫兹，相对丁音响功放的j ：作频率儿十赫兹到 儿十千赫而言，i ：作频率范围比较宽。这也导致了磁测量功放在设计和调试方法上有很大 不同。 3 3 2 功放的系统组成及电路特点 1 系统组成 功放系统主要由前置放大级、驱动放大级、功率放大级、直流稳压电源四个部分组成。 功率放人器系统框图如幽3 - 5 所示。 其中前置放人级主要完成电路匹配及初步电压放人任务；驱动放大级实现对前置放大 级输出信号的进步放人；功率放人级实现对信号的电流放人。直流稳压电谢部分则为电 6 第二章软磁测量功率放人器 路提供能精。 。 i i试样 i a el c i i n i 匿3 - 5 功率放人器系统框图 2 电路特点 负载：磁性材料测鼙系统的负载是io 采样电阻r s 和电感线圈，而不是纯电阻。由 3 1 3 讧分析可知，功率放人器的l ：作条件将明显恶化，大频率范围内工作时极易造成功放 器件的击穿，增加了设计的难度。 测始要求：在5 0 h z 1 m h z 的频率范甬内。随着频率升高，要求次级罔输出不失真电 压v z ( t ) 幅值逐渐变人。 在幽3 5 中，假设当初级线圈中通过的电流为i ( t ) 时，环形样品中的磁感应强度为b ( t ) ， 其表达式为： b ( f ) = b m - c o s ( 2 x 厂f ) 根据电磁感戍定律： 占：一sd b 一( t - - - - - - 2 ) ，有： k ( f ) ：2 a e 些笋：2 y r 2 爿p b m f c o s ( 2 石f f ) 口f 由上式可见对丁某一待测磁性材料，在低频时要求加在线罔上的电压幅值并不大，但 随着测量频率的升高要求v 2 ( 近似等于v 1 ) 的幅值随着交大这里n i 、n 2 分别为初级线圈匝 数和次级线圈匝数，且n l = n 2 ，则有v l = v z ；v 2 为次级线圈输出电压；a e 、l e 分别为环 形试样的有效截面积和有效磁路长f 为测量频率。 由于本功率放人器输入输出为正弦波，因此，对频带内的幅频特性要求可以略为降 低。 东南人学硕l j 学位论史 3 3 3 功放电路的结构设计 根据系统框j 璺| 及功率放人器性能指标设计功率放人器电路结构见图3 6 。 c 1 1 u l 昀卜 c 2 盯u l 圈3 - 6 宽带功率放大器电路原理图 1 前置放大级 前置放人级是小信号放人。因此对该级的功放器件的要求主要是具有较人的输入阻抗 及转换速率，同时必须具有较大的增益带宽积以保证在适当进行电压放大的同时保证具有 较大的频带宽度。 根据这些条什，前置放人级我采h 了m o t o r o l a 公司生产的j f e t 输入高速运算放人 器l f 3 5 7 该返放模块具有以下特点： i ) 增益带宽积：2 0 m h z 。 ”转换速率：转换速率人，可达5 0 v t 肛。 3 ) 输出电压峰峰值：在负载为l o k n 的条件r ，可j 扫：1 3 v 。 4 ) 输入噪声电流密度小、输出级接有短路保护电路。 5 ) 输入阻抗：1 t f l 。 实测证明，。采用此管实现了在适度增益下保证了相对较人的频率宽度，且能稳定。r 作 与初步设想符合。 1 8 第三市软磁测量功率放人器 图3 - 7 前置放大级电路 如i 笙i3 - 7 ，根据理想运算放人器的1 ：作原理，可知前置放大级电压增益a 的为： 4 ，：生：华小拿( 3 - 1 3 ) ” 畸墨墨 由运放的增益带宽积g b w 为2 0 m h z 可以得到： 2 。母b = 舢b = ( + 甜曰 睁， l置j 、 由丁软磁测昔要求功率放人器要具有5 0 h z - i m h z 的信号频率，作为前置放人级，本级 带宽应远人于1 m h z 以保证整个软磁测量功率放人器具有尽i m h z 的信号频率。所以，在 根据式3 - 1 4 ，选取r l 、码的火小确定放大倍数4 的值时，要保证本级运放的带宽 b 2 盎”z ，这里选取r ，置删为z 岫舭m ，电乐约眵s 倍。 墨 本级中c l 和c 2 、c 3 和c a 用米隔断直流、通过交流。其中c 1 和c 2 ( 以及后面各级 中的c 3 和c 4 、c 5 和c 6 、c 7 和i c 8 ，c 9 和c 1 0 、c 1 2 和c 1 3 ) 采用大电解电容和小独石 电容并联，保证高、低频信号都能很好地通过。 2 驱动放大级 驱动放大级是摧个软磁测量功率放大器电压放火的实现部分，它将前置放大级输出的 信号进步放大。考虑到整个功率工作带宽的因素及共源极放大电路的特点，应选用有适 中耗散功率、较宽一j ：作频率以及很好的线性度的场效应管器件。 9 东南大学颀l ：学位论文 - 7 5 v 图3 - 8 驱动放大级电路 经布阅场效麻管手册，比较各管技术参数，我采 = | 了s a m s u n g 公司的i r f p 9 6 1 0p - m