功率放大器调试与仿真.doc

功率放大电路调试及仿真功率放大电路调试及仿真 耿忠宇耿忠宇 河北北方学院 理学院 物理系 06 级本科 20061040232 摘要摘要 功率放大器简称功放 是一种能量转换的电路 其主要任务是输出大的信号功率 其输入 输出电压和电流都较大 消耗能量多 信号容易失真 输出信号的功率大 本文通过对功率放大器进行调试并用仿真软件仿真其实际效果 根据实验和仿真数 据仔细分析电路 了解功放几种特殊状态下 电路集电极电流 输出功率 效率的具体 数值 从而从根本上理解功率放大器的基本原理 为以后研究功率放大器打下基础 关键词 关键词 功率放大器 仿真 失真 最大不失真功率 PowerPower amplifieramplifier circuitcircuit testingtesting andand simulationsimulation GengzhongyuGengzhongyu Hebei NorthUniversity College Department Of Physics 06 1 Classes 20061040232 Abstract Power amplifier PA is an energy conversion circuit Its main task is to output large signal power Because of its larger input and output voltage current and energy depletion it is easy to have distortion of signal and large power output signal In this article based on the debugging of power amplifier simulation software and simulation with the actual results more experimental simulation data and analysis of the circuit we know the specific values about some special state amplifier the circuit collector current output power under several special condition of PA So the author has made a fundamental understanding the basic principles of power amplifier And it is also lay the foundation to study PA in the future Key words Power Amplifier Emulation Distortion Maximum power without distortion 目录目录 引言 1 1 功率放大器概述 2 1 1 功率放大器的基本要求 2 1 2 功率放大器的分类 3 1 3 放大电路的主要特点 4 2 功率放大器的理论分析 5 3 功率放大器的调试及仿真 8 3 1 功率放大器的调试 8 3 2 功率放大器的仿真 10 总结 15 参考文献 16 致谢 17 1 引言引言 功率放大器简称功放 是一种能量转换的电路 其的主要任务是输出大的信号功率 其输入 输出电压和电流都较大 是大信号放大器 功放消耗能量多 信号容易失真 输出信号的功率大 在模拟电子线路中信号经过放大后 往往要去推动执行机构完成人 们所预期的功能 例如推动喇叭发出声音 推动继电器实现控制等等 这些执行机构是 把电能转换成其他形式能量的器件 正常工作时需要从电路中获取较大的能量 所以放 大电路的末级多有功率放大器组成 以便为负载提供足够的信号功率 本文通过对功率放大器进行调试并用仿真软件仿真其实际效果 根据实验和仿真数 据仔细分析电路 得到功放几种特殊状态下 电路集电极电流 输出功率 效率的具体 数值 以便以后为实际功率放大器的设计提供合理依据 2 1 1 功率放大器概述功率放大器概述 1 11 1 功率放大器的基本要求功率放大器的基本要求 在电子设备中 信号被放大后 用以驱动负载 如扩音机输出信号驱动扬声器等 驱动一个实际负载通常需要一个较大的功率 能输出较大功率的放大电路被称为功率放 大电路 功率放大器和电压放大器没有本质上的区别 电压放大器的主要任务是把微弱的信 号电压进行放大 一般输入及输出的电压的电流都比较小 是小信号放大器 其消耗能 量少 信号失真小 输出信号的功率小 功率放大器处于电子设备的末级和末前级 通 常工作在大信号情形 其主要任务是输出大的信号功率 输入 输出电压和电流都较大 消耗能量多 信号容易失真 输出信号的功率大 这就决定了一个性能良好的功率放大 器应满足下列几点基本要求 1 具有足够大的输出功率 为了得到足够大的输出功率 要求功率放大器要有足够大的输出电流和输出电压的 幅值 因此 功率放大器通常工作在接近极限参数的运行状态 2 效率要尽量高 功率放大器是一个能量转换器 把电源的直流功率转换成交流信号功率输送给负载 由于放大器有一定的内阻 所以它会有一定的功率损耗 把负载获得的功率与电源提 O P 供的功率之比定义为功率放大电路的转换效率 用公式表示为 V P 100 V O P P 从节约能源的角度考虑 功率放大电路的转换效率越高越好 3 非线性失真要小 由于功率放大器工作在大信号状态 非线性问题就显得十分突出 而提高输出功率 与减少非线性失真是有矛盾的 因此 在满足输出功率的条件下依然要设法尽可能减小 非线性失真 4 功放管的安全问题 散热性能要好 3 1 21 2 功率放大器的分类功率放大器的分类 1 以晶体管的静态工作点位置分类 常见的功率放大器按晶体管静态工作点 Q 在交流负载线上的位置不同 可分为甲类 乙类和甲乙类 3 种 如图一所示 a 3 种工作状态下对应的工作点位置 b 甲类功放的输出波形 c 乙类功放的输出波形 d 甲乙类功放的输出波形 图一 功率放大器的 3 种工作状态 1 甲类功率放大器 工作在甲类工作状态的晶体管 静态工作点 Q 选在交流负载线的中点附近 如图一 a 所示 在输入信号的整个周期内 晶体管都处于放大区内 输出的是没有削波失真的 完整信号 如图一 b 所示它允许输入信号的动态范围较大 但其静态电流大 损耗大 效率低 2 乙类功率放大器 工作在乙类工作状态的晶体管 静态工作点 Q 选在晶体管放大区和截止区的交界处 4 即交流负载线和 0 的交点处 如图一 a 所示 在输入信号的整个周期内 三极管半 B I 个周期工作在放大区 半个周期工作在截止区 放大器只有半波输出 如图一 c 所示 乙类工作状态的静态电流为零 故损耗小 效率高 但非线性失真太大 如果采用两个 不同类型的晶体管组合起来交替工作 则可以达到最小失真时的信号 3 甲乙类功率放大器 工作在甲乙类工作状态的晶体管 静态工作点 Q 选在甲类和乙类之间 如图一 a 所 示 在输入信号的一个周期内 晶体管有时工作在放大区 有时工作在截止区 其输出 为单边失真的信号 如图一 d 所示 甲乙类工作状态的电流较小 效率也比较高 但比 乙类的低 本文实验电路就工作在甲乙类状态 2 以功率放大器输出端特点分类 1 有输出变压器功放电路 2 无输出变压器功放电路 又称 OTL 功放电路 3 无输出电容器功放电路 又称 OCL 功放电路 4 桥接无输出变压器功放电路 又称 BTL 功放电路 3 功率管的安全使用知识 就功率管而言 为了保证其安全运用 必须做到以下几个方面 1 避免发生集电结的击穿 2 避免集电结过热 集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM 晶体管的集电极容许 损耗PCM不是一个固定不变的值 它和器件的散热情况有关 根据环境温度和器件的散热 装置不同而有所不同 3 功率管在工作时不能进入二次击穿区 1 31 3 放大电路的主要特点放大电路的主要特点 1 功率放大器的任务和特点 基于输出较大功率的基本任务 对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面 1 大信号工作状态 为输出足够大的功率 功率放大电路的输出电压 电流幅度都比较大 因此 功 率放大管的动态工作范围很大 功放管中的电压 电流信号都是大信号状态 一般以不 超过极限参数为限度 5 2 非线性失真问题 由于功放管的非线性 功率放大电路又工作在大信号工作状态 必然导致工作过 程中会产生较大的非线性失真 输出功率越大 电压和电流的幅度就越大 信号的非线 性失真就越严重 因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题 3 提高功率放大电路的效率 降低功放管的管耗 从能量转换的观点来看 功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的 控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的 任何电路都只能将直流电能的一 部分转换成交流能量输出 其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和 电阻上 并且主要是功放管的损耗 对于同样功率的直流电能 转换成的交流输出能量 越多 功率放大电路的效率就越高 因为功率大 所以效率的问题就变得十分重要 否 则 不仅会带来能源的浪费 还会引起功放管的发热而损毁 2 2 功率放大器的理论分析功率放大器的理论分析 功率放大器的主要任务是不失真 或失真较小 地放大信号功率 通常在大信号状 态下工作讨论的主要技术指标是最大不失真输出功率 电源效率 功放管的极限参数及 电路防止失真的措施 针对功率放大器的特点 要求 1 输出功率尽可能大 2 电源转换效率要高 3 非线性失真要小 4 功放管的散热要好 在实际电路中 往往要求放大电路的末级输出一定的功率以驱动负载 从能量控制 和转换的角度来看 功率放大电路与其他放大电路本质上没有根本的区别 只是功放既 不是单纯追求输出高电压 也不是单纯输出大电流 而是追求在电源电压确定的情况下 输出尽可能大的功率 功率放大器的主要任务是 在允许的失真限度内 尽可能高效率地向负载提供足够 大的功率 因此 功率放大器的电路形式 工作状态 分析方法等都与小信号放大电路 有所不同对功率放大器的基本要求是 1 输出功率要大 输出功率 P UI 要获得大的输出功率 不仅要求输出电压高 而且要求输出电流大 因此晶体管工作在大信号极限运动状态 应用时要考虑管子的极 6 限参数 注意管子的安全 2 效率要高 放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律 将直流电源 提供的能量转换为交流能量的过程 其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的 功率 之比值 图二 OTL 功率放大电路 表一 参数 7 OTL 功放是一种没有输出变压器的功率放大器 是推动管 工作在甲类状态 1 V 3 V 序号代号名称型号备注 1R8 R9电阻 RT 0 5W 1 2R5电阻 RT 0 25W 15 3R10电阻 RT 1W 22 4R14电阻 RT 0 25W 62 5R18电阻 RT 0 25W 100 6R2电阻 RT 0 25W 390 7R6电阻 RT 0 25W 470 8R13电阻 RT 0 25W 2K 9R4电阻 RT 0 25W 5 1 10R12电阻 330k 11R3微调电位器 50K 12C9电容器100PF 13C17电容器 0 047 F 14C7电解电容器 4 7 F 16V 15C8电解电容器 47 F 25V 16C18电解电容器 100 F 25V 17C14电解电容器 220 F 16V 18C13电解电容器 220 F 25V 19V2二极管1N1202C 20V1三极管2N2219 21V3三极管2N2219配对 22V4三极管2N1132A配对 8 是互补对管 是 NPN 型 是 PNP 型 实际上是两个共集电极组态的射极跟随器 4 V 3 V 4 V 都工作在甲乙类状态 其电压增益小于 1 功率增益主要靠它的电流增益来保证 互补对 管的 值可在 50 250 内任意选择使用 配对要求并不严格 值选大一些 此 功率 增益可以提高一些 失真也可减少一些 OTL 功放电源是整流滤波后的 18V 直流电压 再一次组成滤波电 10 R 13 C 18 R 18 C 路 使电路工作更稳定 为 提供直流偏置 在 1V 左右 保证 2 V 12 R 14 R 3 V 4 V BA V 3 V 工作在甲乙类状态 越大 越大 也就越大 调节 可消除交越 4 V 12 R 14 R BA V C I 12 R 14 R 失真 组成自举电路 可以提高功率增益 减少失真 是的上下偏置 2 R 8 C 3 R 4 R 1 V 电阻 保证工作在甲类放大状态 调节可改变中点电压 使为电源电压的一半 1 V 3 R D V D V 即 9V 是防止高频自激的电容 是输出耦合电容 一般容量较大 起 9 C 17 C 4 C 8 R 9 R 保险作用 理论推导 OTL 功放在乙类状态下 最大不失真功率 MO PW R VV L CESCC 8 4 88 3 018 8 22 实际不失真输出功率很小 效率 的计算 功率放大器的效率等于输出功率与直流电源提供的功率 O P CC V 之比 即 V P 100 V O P P 在 OTL 电路中 当电路输出最大功率时 直流电源提供的功率等于直流电 MO P V P 源电压与半个正弦波周期内三极管集电极电流的的平均值之乘积 即 2 CC V L CCCMCC CM CC V R VIV ttdI V P 2 sin 1 2 2 0 因此理想情况下乙类功放的最高效率 5 78 4 2 8 2 2 L CC L CC R V R V v om p p 每只功率管可以承受的最大电流A V R V I L CC CM 125 1 82 18 2 9 综上所述 工作在甲类 基射极电压为 0 6V 左右 集射极电压应为几伏 1 V BE V CE V 调节静态工作点时调节可改变电位 使它为 9V 电路输入信号 输出波形最大不失 3 R D V 真时 工作在甲乙类状态 3 V 4 V 3 3 功率放大器的调试及仿真功率放大器的调试及仿真 3 13 1 功率放大器的调试功率放大器的调试 1 检验实验各元件的好坏和数值 1 电容好坏的判别 电容器常见的故障有击穿 两极间直通短路 漏电 两极间好像一固定电阻一样 失效等 用万用表的最高电阻量程测量 如用 R 10k 档 接入电容后 表头指针先向顺 时针方向跳动一下 然后逐步逆时针复原退回至 R 的方向 如果回不到无穷 则表头 指针所指的数值 就是漏电电阻 如果表头指针停在 R 0 处不返回 说明电容已击穿短 路 如果指针不跳动指在 R 处 证明电容失效 2 三极管好坏的判别 三极管常见的故障有将 PN 结击穿 或者烧断等 判别方法为首先确定三极管的 e b c 管脚 然后对其中的两个 PN 结进行正向和反向的判断 用万用表的欧姆档测量 如果正向全部导通 反向都截止 那么判断一下级间反向电流 如果不是很大 则证明 三极管是好的 3 电阻的判别 电阻的好坏可以用万能表的欧姆档来测量 首先读出其电阻 然后用万用表的欧姆 档进行测量看起阻值与标注值是否相等 如果阻值为零或无穷大 则电阻损坏 2 直观检查 完成后 首先要检查电路是否完整 三极管 ebc 是否接对 电解电容级性是否对 3 静态工作点的调整 把输入端 1 2 短接 1 接上假负载电阻 8 2W 代替扬声器 10 2 接通电源 18V 用万用表 10V 档测量推挽互补管 中点 D 对地电压 3 V 4 V 调节 使该点电压为 即 9V 为了调试中点电压方便 可将 的基 D V 3 R 2 1 CC V 3 V 4 V 极用导线短接 调完后再去掉短接线 3 用万用表测量功放各晶体管的静态工作电压并记录下来 正常后 拆去负载电 阻 接上扬声器 4 拆除输入端 1 2 短接线 用手握螺丝刀金属部分去碰触基极 扬声器中应 1 V 听到 嘟嘟 声 表二 表三 电源电压 18 V 中点电压 9V CC V D V V 1 V V 3 V V 4 V Vc8 89917 8089 049 Vb0 8009 6328 899 Ve0 1289 0490 A V B V C V D V E V F V G V H V 测量值 8 80V9 63V9 13V9 05V17 80V16 90V0 80V13 50V 正常值 8 2V9 6V8 8V9V17V16V0 8V13 2V 11 3 23 2 功率放大器的仿真功率放大器的仿真 通过 Multisim10 对电路进行仿真 其仿真电路图如下 图三 仿真电路图 如图所示 U1 U2 分别测量输出和输入电压 XFC1 XSC1 XDA1 分别为函数信号发生 器 示波器 分别用来输入正弦信号 观察输出波形 两个功率表分别测量输出和输入功 率 1 静态工作点调整 把输入端 1 2 短接 接通电源 18V 用万用表 10V 档测量推挽互补管 中点 D 对地电压 调 3 V 4 V D V 节 使该点电压为 即 9V 为了调试中点电压方便 可将 的基极用导线 3 R 2 1 CC V 3 V 4 V 短接 调完后再去掉短接线 中点 D 处电压如下图所示 图四 电压表示数 12 2 测量放大器不失真最大输出功率 测试线路和仪器连接如下图所示 1 用 8 2W 电阻代替扬声器 2 功放测试仪器连接图 图五 功放测试仪器连接图 3 仿真电路输入波形图 输入信号的波形为频率为 1KHZ 的正弦波 13 4 电路输出产生交越失真图 5 通过调节 消除交越失真后 得到最大不失真电路图 12 R 14 R 14 此时电流表示数如下图所示 图六 电流表示数 6 调节低频信号发生器的输出电压缓慢增大 直至放大器输出信号在示波器上的 波形刚要产生失真而又未产生失真时为止 用功率表测量功率大小 用毫伏表测出输入 电压和输出电压的大小 并记录下来 表四 L R mV i V mV o V A C I mw O P mw V P V O P P 8502120 0165 64342 51 65 8804360 03323 8559 74 25 81005730 04340 9693 85 89 81508840 06697 510079 68 820011620 086168 7128913 1 825013960 103243 2153015 9 830015930 116316 8173718 2 835017620 127388 2192020 2 838018320 130419 2199121 0 840018700 131437 0204921 3 15 7 输入电压达到 380mA 时出现失真 400mA 时失真明显 如下图所示 16 结论 通过以上仿真 了解了调节静态工作点和消除功率放大器交越失真的方法 得到了此时电路集电极电流 当输入电压达到 350mV 时得到了最大不失真输出功率 得 到了功率放大电路几种特殊状态 乙类状态 甲乙类状态 最大不失真状态 下 电路 集电极电流 输出功率 效率的具体数值 了解功放电路在各种状态下电压与电流的特 点 获得功率放大器的这些性能参数和通过示波器仿真的各种状态下的波形 从而从根 本上了解功率放大器的工作原理 由于元件的误差 三极管本身特性的不稳定性 其容易受周围环境的影响等原因 实验结果存在误差 总结总结 1 通过本文了解了功率放大是一种能量转换的电路 在输入信号的作用下 晶体管 把直流电源的能量 转换成随输入信号变化的输出功率送给负载 本文通过对功率放大 器进行调试并用仿真软件仿真其实际效果 比较实验和仿真数据 仔细分