放大电路分析

放大电路分析（精选十篇）

放大电路分析 篇1

1 弧光检测电路工作原理

如图1所示,DX中波发射机输出监测板上有两个打火检测器,即下方的弧光检测器和上方的弧光检测器。两个检测器的输出经过适当处理作为一个网络VSWR故障输出到发射机PLC中进行处理,进而对发射机进行降功率操作。

1.1 下方的弧光检测器

下方的弧光检测器2A2对扩展的功放机柜进行监测。一个电弧传感连接到一个比较器的输入端。下方弧光检测器阀限调整电位器R117为这个比较器设置阀限电压。

U32的4端口输入电压的变化范围,可以通过计算可调电阻的分压范围进行计算,可调电阻的电压调节范围:通过计算可以知道,U32放大器的4脚电压,即TP35的电压可以在0.1～14.9V范围内调节,一般设置TP35的值为0.76V。

如果发生一次打火,比较器U32的5输入端的电压就将大于4输入端,比较器的输出就变为逻辑低电平。这个反相的输出加到网络VSWR测试线上,又触发了输出网络VSWR比较器。在输出过程中弧光打火指示灯DS5变为红色,以进行可视指示,直到用弧光故障指示器复位开关S5手动复位。如果J9的电缆没接上,就去掉了内锁回路的地,进而会产生一个故障。

1.2 上方的弧光检测器

如图1弧光检测电路所示,在上部弧光检测电路中,U28是一个差分放大器,两个传感器的输出端分接在它的两个输入端上。通过调整传感器平衡控制,使基准传感器电压与实际传感器的输出相一致。因此,差分放大器的输出,在TP40端的打火电平将为0VDC。

上方弧光检测器3A2用于监测输出网络。采集的信号接在差分放大器U28的两端。这个电压,即上方弧光采样电压,可以在TP39端测量。这个传感器平衡调整电位器R148是用来调整TP43端的电压,即打火基准电压,其信号接在差分放大器U28的1端。如果发生一次实际打火,差分放大器U28的输出就会增加,比较器U28的(+)输入端的电压将高于其(-)输入端,比较器就输出逻辑高电平。这个输出将与下方打火检测器起的作用相同。如果从输出网络顶部进入的环境光线的量过多,可能就无法进行打火检测了。在这种情况下,将通过绝对比较器产生相同的故障。

差分放大器的工作原理,由差分放大器的放大公式:

(其中Ad是差模增益,Ac是共模增益)对于完全对称的差分放大器来说,其Ac=0,故输出电压可以表示为如下公式。

可知TP40输出信号强度为:

其中,TP34测试点表示上机柜弧光检测器的门限电平设置值;TP43测试点表示差分放大器的输入弧光参考电平设置值;TP35测试点表示下机柜弧光检测器的门限电平设置值。在这里,差分放大器的作用为对差模信号(上机柜弧光传感电压值和参考电平的差值)进行放大,使INA110差分放大器的输出更加稳定,抗干扰能力更强,避免弧光检测电路的误动作。

2 发射机出现的故障现象

在维护DX中波发射机的过程中,发现了两种故障现象。

第一,开机后,发射机频繁出现弧光报警,但未听到打火声音,停机后经过检查也未发现打火点;可以预判可能是对应的弧光检测装置设置的电平值有可能偏低,致使弧光检测装置频繁发出报警。

第二,二是听到打火声音,停机后经过检查也了发现打火点。但是,对应的弧光没有报警。预判可能是电平值设置过高,致使弧光检测器没有动作。

3 故障处理

故障的查找分为两种情况。

3.1 DS5下方打火指示灯亮为红色

如果已经确认在扩展的功率单元机柜中没有发生打火,进行下列故障查找:检查一下电缆线是否准确地插在J9中;检查插入2A2下方打火检测器板的那条电缆是否正确;如果TP40端的电压不是OVDC,就检查传感器平衡的统调情况,如果有必要,更换U28和一些传感器;如果TP40端是OVDC,TP34端的电压与工厂的测试数据相符,更换U32或者U33;如果指示灯不能被复位,更换U23。

3.2 DS4上方打火指示灯亮为红色

如果已经确认输出网络中没有发生打火,环境光线没有超过正常要求,进行下列故障查找;检查电缆是否正确地插进J9中;检查插入3A2上方打火检测器板的那条电缆是否正确。如果有必要就更换U32。

3.3 做具体判断

具体方法如下:用万用表将有弧光保护异常的设备进行测量,对发射机输出监测板的TP34、TP35、TP43进行测量,首先确定一下各位置对应的弧光检测线路板名称、测试点和调整电位器的情况具体如表1所示。

其中,表1中TP34测试点表示上机柜弧光检测器的门限电平设置值;TP43测试点表示差分放大器的输入弧光参考电平设置值;TP35测试点表示下机柜弧光检测器的门限电平设置值;TP20和TP21测试点表示下机柜弧光检测限位。

当弧光保护异常时及时测量,将测定值与参考值相比较。如果差异太大,可适度调整对应电位器使设定值与参考值相接近,如果是差分放大器U28损坏,及时更换。开机观察弧光保护效果,如一切正常说明调整成功;如果开机观察弧光保护效果不好,则可适当再次调整电位器,使弧光保护效果达到最佳。

4 结语

差动放大电路在DX发射机的模拟信号检测电路前端应用较多,它能将变化较大的脉冲型模拟信号进行放大和量化,再供给其后的放大电路和比较电路,这样大大提高了放大电路和比较电路的输出可靠性。所以,掌握其工作原理对处理一些发射机的偶发性故障非常有帮助。

摘要：弧光检测电路是DX中波发射机检测电路的重要组成部分,而构成弧光检测电路的差动放大电路因其具有对称放大性能好、漂移电压抑制彻底、对实际输入的模拟信号共模电压的抗干扰能力强,在弧光检测电路中具备重要信号的处理功能,明白它的工作原理,能有效地解决弧光检测电路发生的故障,并且提出彻底的解决办法。

关键词：输出监测板,弧光检测,差分放大电路,故障原理,解决办法

参考文献

[1]李天德.《广播电视发送与传输维护手册》DX型大功率中波发射机第3分册[M].北京:国家广电总局无线电台管理局,2000:87-94.

[2]王永军,从王珍.数字逻辑与数字系统[M].北京:电子工业出版社,2005.

功率放大电路教案 篇2

[教学目的] 掌握互补功率放大电路的工作原理,熟悉实际功放OCL电路

[教学重点和难点] 互补功率放大电路的最大输出功率、转换效率和最大输出

[教学内容]

一、主要特点

1.由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。

2.输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。

3.半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，因此要有适当的保护措施。

二、基本类型

功率放大电路主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型。

1、互补对称式

OTL功率放大器要求输入端(T1、T2基极)上的静态电压也为Vcc/2，即VI=(VCC/2)+Vi。单电源互补对称功率放大器增加了一只大容量(几百～几千微法)的电解电容。当静态时(Vi=0)，T1和T2都截止。它们的射极电压为V cc /2，所以电容C上充有Vcc/2的电压，输出Vo=-Vc=0。信号Vi为正半周时，T1导电，使T2截止，负截RL上流过正半周电流；信号为负半周时，电容器C上的电压Vcc/2作为电源，T2导电，T1截止，负载上流过负半周信号电流。所以电容C要有足够大的容量，使得在信号负半周时能提供出较大的电流。互补对称功率放大器由于在静态条件下T1和T2都处于截止状态，所以它的静态功耗为零，但在动态时存在严重的交越失真。为了克服交越失真，必须给互补对称功率放大电路设置一定的静态工作点(使信号Vi=0时，T1、T2管都处于微导电状态)。根据静态工作点的不同设置，互补对称功率放大器可以工作在乙类功放，即导电角θ=180°；甲类功放，即导电角θ=360°和甲乙类功放，即导电角在θ=180°～360°。

2.变压器耦合推挽式

变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压的幅度Vom超过电源电压。

[小结] 1.功率放大电路是在电源电压确定的情况下,以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高的转换效率为组成原则,功放管常常工作在尽限应用状态。2.低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、OTL电路、OCL电路和BTL电路。

[复习] 1.功放电路的性能指标:最大输出电压、最大输出功率和效率

放大电路分析 篇3

摘 要：中频放大电路是收音机的重要组成部分，用来对变频级输出的中频信号进行放大，因为只放大中频信号因此涉及到中频信号的选频。本文对一种典型的双调谐中频放大电路进行分析，并指出其特点及应用情况。

关键词：收音机；中频；双调谐；放大电路

中图分类号：G640 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）16-005-01

一、中频放大器

中频放大器能够实现中频特性主要是由其滤波特性决定的，放大器跟着一个中频特性的滤波器，此滤波器的频率特性决定了放大器的幅频特性。根据调谐电路形式的不同，主要有两种电路。○1集中滤波宽带放大电路形式。这种形式的电路特点是从变频级输出的信号输入到具有中频特性的滤波器中，再将此中频信号送到一个带宽放大器中放大。○2参差调谐电路形式[1]。在多级相同单调谐放大器中，如果适当的把多级单调谐放大器调整到各自需要的谐振频率和Q值，这样N极参差极同N极相同单调谐极的增益一样而总的频带宽度接近单极单调谐极的频带宽度。这样的参差调谐放大器可以是任何形式的，目前应用较多的是成对参差及三极参差二种。单调谐和双调谐都可以构成参差调谐。参差调谐电路形式与双调谐电路相同，但谐振点不同，各谐振回路并不都在中心频率上，而是按一定的规律偏离中心频率，最后的合成通频带满足要求。

二、双调谐中频放大电路

双调谐中频放大电路是针对单调谐放大电路来说的。单调谐放大电路的中频变压器只有初级接成调谐回路，谐振点为中频。电路结构简单，增益高，调整方便。但通频带与选择性不能兼顾。双调谐中频放大电路初级、次级均接成调谐回路，谐振点均为中频，结构复杂，调整麻烦，但具有较好的选择性、较宽的通频带，能较好的解决增益与通频带间的矛盾。如图1即为一种典型的双调谐中频放大电路：在中放管的输出回路和输入回路均有LC并联谐振选频电路，并且同时谐振在中频频率（456kHz），俩谐振电路谐振再耦合起来。

从图中可知，L1与C3组成第一个并联谐振回路，接在第一个放大管的集电极回路中，也就是输出电路中。L2与C6组成第二个并联谐振回路，接在第二个放大管基极回路中，也就是它的输入回路中。

三、双调谐电路的几点说明

1、电路工作过程：输入信号Ui经过电容C1的耦合加入VT1的基极，经过第一个谐振回路的调谐再由C5耦合到第二个谐振回路中，然后再把信号送到VT2的基极进行第二级中放的放大。

2、要求：两个谐振回路必须同时谐振在中频465kHz上，且俩电路的品质因数Q值要相同。

3、电容C5实现对俩谐振回路的耦合，C5的容量大小决定耦合的松紧。容量大耦合紧，容量小耦合松。不同的耦合强度有着不同的频响特性。如图2所示。

第一条曲线为单峰，峰较矮，耦合较松，属欠耦合。

第二条曲线也是单峰，但峰较高，处于临界耦合的状态，临界耦合时，选择性比单调谐放大器选择性好。当两个调谐电路Q值与谐振频率相等时，双调谐电路的相对带宽在临界耦合情况下比单调谐电路宽 倍，所以双调谐电路有更好的选择性和通频带。松些就是欠耦合，紧些就是过耦合。在要求较高的收音机中一般采用这种电路。

第三条曲线与第四条曲线都是过耦合的双峰曲线，曲线四比三耦合更紧，通频带显著加宽，矩形系数变好，缺点就是顶部的凹陷使通频带、增益不能两全其美。耦合越紧带宽越宽，谷底越低。

4、对于两个调谐电路要求相互隔离，无互感，因此俩电路要分别装在独立外壳内，图中虚线表示独立外壳，外壳需接地，这就是平时常见的中周。中周调节磁芯可改变电感量从而改变谐振频率。一般情况下出厂前已经调好无需调整，至多进行简单的微调。

中频放大器旨在放大中频信号，然后再进行检波处理，要求只允许放大中频信号，这样才能提高信号质量。文章介绍了一种典型的双调谐中频放大电路，对其电路形式及特点进行简单阐述。得出其具有较好的选择性、较宽的通频带，能较好的解决增益与通频带间的矛盾。

参考文献：

[1] 沈炳华.参差调谐放大器[J].电子技术.1965.09：399-401.

[2] 万国庆.参差调谐多路反馈有源带通滤波器的设计和调试[J]. 常州工业技术学院学报.1990.3（4）：53-59.

[3] 谢嘉奎.电子线路（非线性部分）[M].高等教育出版社.2000.05.

[4] 胡 斌.吉玲等.电子工程师必备[M].人民邮电出版社.2012.08.

摘 要：中频放大电路是收音机的重要组成部分，用来对变频级输出的中频信号进行放大，因为只放大中频信号因此涉及到中频信号的选频。本文对一种典型的双调谐中频放大电路进行分析，并指出其特点及应用情况。

关键词：收音机；中频；双调谐；放大电路

中图分类号：G640 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）16-005-01

一、中频放大器

中频放大器能够实现中频特性主要是由其滤波特性决定的，放大器跟着一个中频特性的滤波器，此滤波器的频率特性决定了放大器的幅频特性。根据调谐电路形式的不同，主要有两种电路。○1集中滤波宽带放大电路形式。这种形式的电路特点是从变频级输出的信号输入到具有中频特性的滤波器中，再将此中频信号送到一个带宽放大器中放大。○2参差调谐电路形式[1]。在多级相同单调谐放大器中，如果适当的把多级单调谐放大器调整到各自需要的谐振频率和Q值，这样N极参差极同N极相同单调谐极的增益一样而总的频带宽度接近单极单调谐极的频带宽度。这样的参差调谐放大器可以是任何形式的，目前应用较多的是成对参差及三极参差二种。单调谐和双调谐都可以构成参差调谐。参差调谐电路形式与双调谐电路相同，但谐振点不同，各谐振回路并不都在中心频率上，而是按一定的规律偏离中心频率，最后的合成通频带满足要求。

二、双调谐中频放大电路

双调谐中频放大电路是针对单调谐放大电路来说的。单调谐放大电路的中频变压器只有初级接成调谐回路，谐振点为中频。电路结构简单，增益高，调整方便。但通频带与选择性不能兼顾。双调谐中频放大电路初级、次级均接成调谐回路，谐振点均为中频，结构复杂，调整麻烦，但具有较好的选择性、较宽的通频带，能较好的解决增益与通频带间的矛盾。如图1即为一种典型的双调谐中频放大电路：在中放管的输出回路和输入回路均有LC并联谐振选频电路，并且同时谐振在中频频率（456kHz），俩谐振电路谐振再耦合起来。

从图中可知，L1与C3组成第一个并联谐振回路，接在第一个放大管的集电极回路中，也就是输出电路中。L2与C6组成第二个并联谐振回路，接在第二个放大管基极回路中，也就是它的输入回路中。

三、双调谐电路的几点说明

1、电路工作过程：输入信号Ui经过电容C1的耦合加入VT1的基极，经过第一个谐振回路的调谐再由C5耦合到第二个谐振回路中，然后再把信号送到VT2的基极进行第二级中放的放大。

2、要求：两个谐振回路必须同时谐振在中频465kHz上，且俩电路的品质因数Q值要相同。

3、电容C5实现对俩谐振回路的耦合，C5的容量大小决定耦合的松紧。容量大耦合紧，容量小耦合松。不同的耦合强度有着不同的频响特性。如图2所示。

第一条曲线为单峰，峰较矮，耦合较松，属欠耦合。

第二条曲线也是单峰，但峰较高，处于临界耦合的状态，临界耦合时，选择性比单调谐放大器选择性好。当两个调谐电路Q值与谐振频率相等时，双调谐电路的相对带宽在临界耦合情况下比单调谐电路宽 倍，所以双调谐电路有更好的选择性和通频带。松些就是欠耦合，紧些就是过耦合。在要求较高的收音机中一般采用这种电路。

第三条曲线与第四条曲线都是过耦合的双峰曲线，曲线四比三耦合更紧，通频带显著加宽，矩形系数变好，缺点就是顶部的凹陷使通频带、增益不能两全其美。耦合越紧带宽越宽，谷底越低。

4、对于两个调谐电路要求相互隔离，无互感，因此俩电路要分别装在独立外壳内，图中虚线表示独立外壳，外壳需接地，这就是平时常见的中周。中周调节磁芯可改变电感量从而改变谐振频率。一般情况下出厂前已经调好无需调整，至多进行简单的微调。

中频放大器旨在放大中频信号，然后再进行检波处理，要求只允许放大中频信号，这样才能提高信号质量。文章介绍了一种典型的双调谐中频放大电路，对其电路形式及特点进行简单阐述。得出其具有较好的选择性、较宽的通频带，能较好的解决增益与通频带间的矛盾。

参考文献：

[1] 沈炳华.参差调谐放大器[J].电子技术.1965.09：399-401.

[2] 万国庆.参差调谐多路反馈有源带通滤波器的设计和调试[J]. 常州工业技术学院学报.1990.3（4）：53-59.

[3] 谢嘉奎.电子线路（非线性部分）[M].高等教育出版社.2000.05.

[4] 胡 斌.吉玲等.电子工程师必备[M].人民邮电出版社.2012.08.

摘 要：中频放大电路是收音机的重要组成部分，用来对变频级输出的中频信号进行放大，因为只放大中频信号因此涉及到中频信号的选频。本文对一种典型的双调谐中频放大电路进行分析，并指出其特点及应用情况。

关键词：收音机；中频；双调谐；放大电路

中图分类号：G640 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）16-005-01

一、中频放大器

中频放大器能够实现中频特性主要是由其滤波特性决定的，放大器跟着一个中频特性的滤波器，此滤波器的频率特性决定了放大器的幅频特性。根据调谐电路形式的不同，主要有两种电路。○1集中滤波宽带放大电路形式。这种形式的电路特点是从变频级输出的信号输入到具有中频特性的滤波器中，再将此中频信号送到一个带宽放大器中放大。○2参差调谐电路形式[1]。在多级相同单调谐放大器中，如果适当的把多级单调谐放大器调整到各自需要的谐振频率和Q值，这样N极参差极同N极相同单调谐极的增益一样而总的频带宽度接近单极单调谐极的频带宽度。这样的参差调谐放大器可以是任何形式的，目前应用较多的是成对参差及三极参差二种。单调谐和双调谐都可以构成参差调谐。参差调谐电路形式与双调谐电路相同，但谐振点不同，各谐振回路并不都在中心频率上，而是按一定的规律偏离中心频率，最后的合成通频带满足要求。

二、双调谐中频放大电路

双调谐中频放大电路是针对单调谐放大电路来说的。单调谐放大电路的中频变压器只有初级接成调谐回路，谐振点为中频。电路结构简单，增益高，调整方便。但通频带与选择性不能兼顾。双调谐中频放大电路初级、次级均接成调谐回路，谐振点均为中频，结构复杂，调整麻烦，但具有较好的选择性、较宽的通频带，能较好的解决增益与通频带间的矛盾。如图1即为一种典型的双调谐中频放大电路：在中放管的输出回路和输入回路均有LC并联谐振选频电路，并且同时谐振在中频频率（456kHz），俩谐振电路谐振再耦合起来。

从图中可知，L1与C3组成第一个并联谐振回路，接在第一个放大管的集电极回路中，也就是输出电路中。L2与C6组成第二个并联谐振回路，接在第二个放大管基极回路中，也就是它的输入回路中。

三、双调谐电路的几点说明

1、电路工作过程：输入信号Ui经过电容C1的耦合加入VT1的基极，经过第一个谐振回路的调谐再由C5耦合到第二个谐振回路中，然后再把信号送到VT2的基极进行第二级中放的放大。

2、要求：两个谐振回路必须同时谐振在中频465kHz上，且俩电路的品质因数Q值要相同。

3、电容C5实现对俩谐振回路的耦合，C5的容量大小决定耦合的松紧。容量大耦合紧，容量小耦合松。不同的耦合强度有着不同的频响特性。如图2所示。

第一条曲线为单峰，峰较矮，耦合较松，属欠耦合。

第二条曲线也是单峰，但峰较高，处于临界耦合的状态，临界耦合时，选择性比单调谐放大器选择性好。当两个调谐电路Q值与谐振频率相等时，双调谐电路的相对带宽在临界耦合情况下比单调谐电路宽 倍，所以双调谐电路有更好的选择性和通频带。松些就是欠耦合，紧些就是过耦合。在要求较高的收音机中一般采用这种电路。

第三条曲线与第四条曲线都是过耦合的双峰曲线，曲线四比三耦合更紧，通频带显著加宽，矩形系数变好，缺点就是顶部的凹陷使通频带、增益不能两全其美。耦合越紧带宽越宽，谷底越低。

4、对于两个调谐电路要求相互隔离，无互感，因此俩电路要分别装在独立外壳内，图中虚线表示独立外壳，外壳需接地，这就是平时常见的中周。中周调节磁芯可改变电感量从而改变谐振频率。一般情况下出厂前已经调好无需调整，至多进行简单的微调。

中频放大器旨在放大中频信号，然后再进行检波处理，要求只允许放大中频信号，这样才能提高信号质量。文章介绍了一种典型的双调谐中频放大电路，对其电路形式及特点进行简单阐述。得出其具有较好的选择性、较宽的通频带，能较好的解决增益与通频带间的矛盾。

参考文献：

[1] 沈炳华.参差调谐放大器[J].电子技术.1965.09：399-401.

[2] 万国庆.参差调谐多路反馈有源带通滤波器的设计和调试[J]. 常州工业技术学院学报.1990.3（4）：53-59.

[3] 谢嘉奎.电子线路（非线性部分）[M].高等教育出版社.2000.05.

放大电路分析 篇4

一、反馈的定义

电子电路如何评定反馈, 主要是寻找可以将电路的输入和输出连接到一起的反馈元件, 一般为电阻或电容返回到输入端, 从而影响到放大电路的净输入信号, 这个过程称为反馈。对“反馈”的认知关键要注意两点: 一是在输出端与输入端必须建立通路; 二是输出量返回到输入端后, 必须对输入量有一定的影响。能够把输入和输出量连接在一起的电路形式, 常称为反馈通路 ( 反馈网络) 。

二、反馈的分类

反馈的种类很多, 主要有以下几种类型。

常见的分类中, 从反馈极性角度分为正反馈和负反馈。正负反馈的判定经常采用瞬时极性法, 正反馈在电路中主要应用于产生自激震荡, 它使净输入信号增加; 负反馈主要用于提高电路性能, 它使净输入信号减小, 电压增益降低。

根据反馈信号中包含的交直流成分, 分为直流反馈和交流反馈。本文采用电容观察法进行判别, 利用电容通交流阻直流的性质, 当反馈中有阻容耦合电容时为交流反馈, 交流反馈用于稳定放大增益, 改善放大电路性能及输入输出电阻等, 一般情况下, 很多电路为交直流反馈共存; 当反馈中有旁路电容时为直流反馈, , 直流反馈用于稳定静态工作点。

从输出端采样信号角度分为电压反馈和电流反馈。本文采用负载短路法进行判别, 当采样信号为电压信号时, 为电压反馈, 电压反馈可用于稳定输出电压, 提高电路的带负载能力; 当采样信号为电流信号时, 为电流反馈, 它主要用于稳定输出电流, 增大输出电阻。

根据反馈回到输出端的位置, 分为串联反馈和并联反馈, 本文采用同并异串法进行判别, “同并”指的是输入信号的端口和反馈信号的端口连接在相同端, 为并联反馈; “异串”指的是输入信号的端口和反馈信号的端口不在一端, 为串联反馈。并联反馈使输入电阻增大, 串联反馈使得输入电阻减小, 电路性能提高。

以上四种反馈方式, 可以同时出现在一个电路中, 因此电路的反馈类型可分为交直流串联电压负反馈、交直流并联电压负反馈、交直流串联电流负反馈和交直流并联电流负反馈4 种基本类型 ( 组态) 。

不管是三极管放大电路还是集成运放电路判断反馈一般都要经过以下几个步骤: 一是寻找反馈元件, 一般为电阻或电容, 确定反馈支路; 二是利用电容观察法判定交直流反馈; 三是利用瞬时极性判定正负反馈; 四是判定负反馈组态。

下面就根据以上四个步骤来判断三极管放大电路和集成运放电路的反馈类型。

三、三极管放大电路中反馈四种组态的判别

( 一) 正反馈和负反馈的判断。利用瞬时极性法判定正负反馈的一般步骤如下:

1. 判断有无反馈。放大电路的输入端和输出端如果能找到将两者连接起来的反馈支路或元件, 表明该电路有反馈。

2. 瞬时极性法。不考虑电路中所有电容对相位的影响, 假定输入信号某一瞬时对“地”电压的瞬时极性为正 ( 或者负) , 然后根据放大电路各级输入和输出电压的相位关系, 逐级推出相关各点的瞬时极性, 若反馈支路和输入信号加在一个电极上, 反馈信号和输入端的瞬时极性相同可判定为正反馈; 反之可判定为负反馈。

运用瞬时极性法判定电路及各相关点的瞬时极性时, 一定要熟练掌握三极管三种组态的判定和相应组态输入输出信号电压的相位关系: 即共发射极放大电路中, 集电极与基极电位相反; 共基极放大电路中, 集电极与发射极电位相同;共集电极放大电路中发射极与基极电位相同。

( 二) 直流反馈和交流反馈的判断。交直流的判定利用电容通交阻直的性质, 本文称这种方法为电容观察法, 如果放大电路中存在串接隔直电容, 使反馈只对交流起作用, 该反馈为交流反馈; 如果放大电路中有并联旁路电容, 使其旁路交流作用, 反馈只对直流起作用, 该反馈为直流反馈, 大部分的放大电路是交流和直流反馈并存。

( 三) 电压电流反馈和串并联反馈的判断。这两种反馈在进行判断时, 可归结为“电压电流看输出, 同压异流; 串联并联看输入, 同并异串”的22 字口诀。具体含义指的是: 判断电压反馈和电流反馈类型时, 看的是放大电路的输出端, 若输出端与反馈信号的取出端为同一端, 为电压反馈, 不同则为电流反馈。通过以上分析, 可知最典型的共发射极放大电路在判断这两种类型的反馈时可遵循“集出为压、射出为流, 基入为并、射入为串”的16 字口诀进行快速判别。

四、集成运算放大器电路中四种组态反馈类型的分析及判断

集成运放在组态判断时, 一般要经过有无反馈, 反馈组态的判定等几个步骤。

( 一) 有无反馈的判断。观察集成运放电路, 如果输入输出端有电路连接并且反馈电路将输出量 ( 电压或电流) 返回了输入端, 则说明电路有反馈。

( 二) 正负反馈的判断。仍然采用瞬时极性法, 其判断过程如下: 一是假设集成运放的输入端在任意瞬时的极性为正。二是利用输出相位和同相端相同, 与反相端相反的关系标出输出端的瞬时极性。三是通过反馈电路上的极性和输入端标示的极性对比, 确定反馈类型。

对于单级集成运放电路, 可采用更为简单的直接判断方法: 即如果反馈电路从输出端返回到同相输入端为正反馈;反之若返回到反相输入端则为负反馈。这种判断方法只适用于单级集成运放电路, 对于多级集成运放电路则不适用。

( 三) 负反馈四种组态的判别。一是同样采用“同点为并, 异点为串”, 判别并串联反馈。二是采用负载短路法, 即将输出端负载电阻短路, 若影响到反馈信号, 使电路的反馈信号消失即无反馈为电压反馈; 反之若反馈信号没有消失不受影响, 为电流反馈。

在电子电路的实际应用中, 往往需要根据需要适时引入负反馈, 本文对三极管放大电路和集成运算放大电路的反馈组态采用“四法”: 即瞬时极性法、电容观察法、同并异串法、负载短路法进行对比判断, 从而能快速判断反馈组态, 使得可以根据实际需要熟练在设计电路中引入适当的负反馈, 以满足电路的需求。

参考文献

[1]秦曾煌.电工学[M].北京:高等教育出版社, 2009

[2]武丽.电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2015

单级低频小信号放大电路 篇5

一、理解电路原理、和的作用：的作用：、组成什么反馈：什么作用：组成什么反馈：什么作用：的作用：的作用：的作用：

二、实验结果、测出三极管

放大电路分析 篇6

关键词：运放；窄脉冲；小信号

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业中。

文中介绍的就是一种以三个芯片级联而成的差分运算放大器，该运放能实现窄脉冲小信号放大，脉冲的上升沿可以达到50ns。

1设计目的

根据项目需要，本次设计的差分运算放大器是用于放大检波器输出的信号的，由于接收机接受的信号是小信号脉冲调制，因此设计的运放必要能够放大小信号窄脉冲。因为在小信号情况下，检波器输出为毫伏级别，而指标要求输出在-2～+2V之间，所以设计的差分放大电路放大倍数约100倍。

2 设计思路

由于此次设计的运放是为了放大脉冲信号的，所以必须要考虑脉冲信号上升沿的问题，如果上升沿时间太大会导致脉冲信号的失真，因此设计的最初就是要限定脉冲信号上升沿时间T<50ns。由于脉冲信号的带宽和上升沿存在如下关系：F×T=3.5(F表示带宽)，可知上升沿时间越小，带宽就越大，当上升沿时间T=50ns时，带宽就要达到70MHz。因为运放的带宽和增益成反比，如果只使用一级运放，在达到要求带宽的同时增益就达不到要求的100，因此本次设计的运放采用两级放大结构，每级放大10倍。

3 相关电路

从以上分析可知本次运放电路采用两级结构。第一级首先对基带信号进行差分放大，芯片选择AD公司的ADA4817-1和ADA4817-2，第一级放大电路如图1所示。

第一级放大所用的芯片ADA4817-1(单通道)和ADA4817-2(双通道)FastFET放大器是单位增益稳定、超高速电压反馈型放大器，具有FET输入。这些放大器采用ADI公司专有的超高速互补双极型(XFCB)工艺，这一工艺可使放大器实现高速和超低的噪声(4nV/√Hz；2.5 fA/√Hz)以及极高的输入阻抗。

将第一级输出的信号进行二次放大，第二级放大选择AD公司的AD8009芯片。图2所示是第二级放大电路。

第二级放大所用的芯片AD8009是一款超高速电流反馈型放大器，压摆率达到惊人的5 500 V/μs，上升时间仅为545ps，因而非常适合用作脉冲放大器。

此外为了防止自激，在两级放大的中间连接了一个10Ω电阻。图3是差分运放的整体原理图。

4测试

图4是示波器上显示的是差分输入端得两个信号，从图上可以看出，两个信号的差是2.32mV。

图5是运放的输出信号，从图中可以看出输出信号为220mV，相比输入信号的2.32mV，实现了接近100倍的放大。而且可以从图中看出，上升沿为50ns，也是满足设计目标的。

图6是运放的实物图，实物图中包含了两组运放还有12V转成+5V和-5V的电源转换模块。

5结束语

综上所述，说明该运放几乎无失真的将检波器输出的毫伏级窄脉冲小信号放大了接近100倍。这证明本次设计的差分运放是能够满足要求的并且性能良好。?笮

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础，高等教育出版社.

[2] 方振国，杨一军，陈得宝，等.差分-运放电压串联负反馈的理论计算与仿真分析.

[3] Dai，Y.;“ Noise performance analysis of bipolar operational amplifier based on the noise matrix superposition expression Circuits，Devices and Systems”，IEE Proceedings - Volume: 145，Issue: 5.

[4] Khare，K.; Khare，N.; Sethiya，P.K.; “ Analysis of low voltage rail-to-rail CMOS operational amplifier design Electronic Design”，2008. ICED 2008. International Conference on Digital Object Identifier: 10.1109/ICED.2008.4786640.

[5] Diogu，K.K.; Harris，G.L.; Mahajan，A.; Adesida，I.; Moeller，D.F.; Bertram，R.A.; “Fabrication and characterization of a 83 MHz high temperature β-SiC MESFET operational amplifier with an AlN isolation layer on (100) 6H-SiC” Device Research Conference，1996. Digest. 54th Annual.

[6] Ming-Dou Ker; Jung-Sheng Chen; “Impact of MOSFET Gate-Oxide Reliability on CMOS Operational Amplifier in a 130-nm Low-Voltage Process” Device and Materials Reliability，IEEE Transactions on Volume: 8，Issue: 2.

作者简介

放大电路分析 篇7

放大电路是构成各种功能模拟电路的基本电路,能实现对模拟信号最基本的处理——放大[1],因此掌握基本的放大电路的分析对电子电路的学习起着至关重要的作用。三极管放大电路是含有半导体器件三极管的放大电路,是构成各种实用放大电路的基础电路,是《模拟电子技术》课程中的重点内容。在课程学习中,一再向学生强调,放大电路放大的对象是动态信号,但放大电路能进行放大的前提是必须设置合适的静态工作点,如果静态工作点不合适,输出的波形将会出现失真,这样的“放大”就毫无意义[1]。什么样的静态工作点是合适的静态工作点;电路中的参数对静态工作点及动态输出会产生怎样的影响;正常放大的输出波形与失真的输出波形有什么区别;这些问题单靠课堂上的推理及语言描述往往很难让学生有一个直观的认识。在课堂教学中引入Multisim仿真技术,即时地以图形、数字或曲线的形式来显示那些难以通过语言、文字表达令人理解的现象及复杂的变化过程,有助于学生对电子电路中的各种现象形成直观的认识,加深学生对于电子电路本质的理解,提高课堂教学的效果[2]。实现在有限的课堂教学中,化简单抽象为具体形象,化枯燥乏味为生动有趣,充分调动学生的学习兴趣和自主性[3,4]。

1 Multisim 10简介

Multisim 10是美国国家仪器公司(NI公司)推出的功能强大的电子电路仿真设计软件,其集电路设计和功能测试于一体,为设计者提供了一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子工作平台,设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪表,进行模拟电路、数字电路、单片机和射频电子线路的仿真和调试[5,6]。

Multisim 10的主窗口如同一个实际的电子实验台。屏幕中央区域最大的窗口就是电路工作区,电路工作窗口两边是设计工具栏和仪器仪表栏。设计工具栏存放着各种电子元器件,仪器仪表栏存放着各种测试仪器仪表,可从中方便地选择所需的各种电子元器件和测试仪器仪表在电路工作区连接成实验电路,并通过“仿真”菜单选择相应的仿真项目得到需要的仿真数据[7,8]。

2 三极管放大电路的仿真分析

本文以图1所示的阻容耦合三极管单级放大电路作为分析对象,分别进行静态分析和动态分析。静态分析将分析电路的直流工作情况,动态分析将分析电路对交流信号的放大情况。

根据实验电路图,在Multisim界面下模拟连接电路,确定电路中的各元器件参数,使用Multisim虚拟仪器进行在线测量[9]。与理论分析一样,仿真分析时应遵循“先静态,后动态”的原则[1]。首先获取电路的静态工作点数据,再输出电路的动态输出情况。这里将利用“直流工作点分析”功能读取静态工作点数据,利用虚拟仪器“示波器”观察三极管的输入/输出波形。

2.1 仿真分析的理论依据

分析图1所示电路,可求得其静态工作点估算表达式:

由理论分析可知,当利用三极管单级放大电路对交流小信号进行放大时,如果为电路设置了合适的静态工作点Q,就能保证三极管在整个信号周期内均工作在放大区,放大输出的信号就不会失真。若Q点偏高,三极管会在输入信号的正半周因集电极电位UC低于基极电位UB而饱和,集电极电流IC因此会出现顶部失真,而放大电路输出的信号则会出现底部失真。若Q点偏低,三极管会在输入信号的负半周因发射结电压UBE低于导通电压UON而截止,基极电流IB及集电极电流IC因此会出现底部失真,而放大电路输出的信号则会出现顶部失真[10]。三极管在直流电源及外电路的共同作用下静态工作点是否合适,可由UBEQ,UCEQ的取值进行判断。

(1)若UBEQ的取值为三极管2N222A的导通电压UON,约在0.6~0.7 V之间,且UCEQ的取值接近于VCC的1 2时,能保证三极管在整个信号周期均能工作在放大区,输入信号被放大一定倍数后在输出端不失真的输出,且输出与输入反向。

(2)若UBEQ的取值为三极管2N222A的导通电压UON,但UCEQ的取值小于UBEQ时,三极管此时已经饱和,在输入信号的正半周会一直处于饱和状态,输出信号因此出现底部失真现象。

(3)若UBEQ的取值小于三极管2N222A的导通电压UON,但UCEQ的取值接近于VCC时,三极管此时基本处于截止状态,在输入信号的负半周会一直处于截止状态,输出信号因此出现顶部失真现象。

2.2 仿真分析

在图1所示电路中选择节点电压U1(UB),U6(UC),U5(UE)作为“直流工作点分析”的三个电路变量,据此计算UBEQ,UCEQ的值,并判断晶体管此时的工作状态。

获得静态工作点数据后,通过电阻R1,R2为电路输入频率为1 k Hz、幅值为500 m V的正弦信号ui,此时三极管上真正的输入信号应为电阻R2两端获得的动态小信号uR2,其幅值低于10 m V,符合实验电路交流小信号的要求。三极管的动态输出信号为负载RL两端的输出电压uRL,用双踪示波器显示实时的输入信号uR2及输出信号uRL的波形,验证上述分析的结果。

由式(1)~式(3)可知,可调电位器Rp的取值将影响各静态工作点的取值,仿真过程中通过修改电路元件Rp的参数改变基极电阻,观察各项静态工作点数据及输出波形因此产生的变化。

2.2.1 合适的静态工作点

当Rp=91 kΩ时得到如图2(a)所示的直流工作点数据,可得三极管三个极此时的电位:

由此计算得静态工作点数据:

1 2,三极管在直流电源的作用下理论上取得合适的静态工作点,能保证在整个小信号周期均能工作在放大区。

图2(b)所示即为此时的输入输出波形,从波形图看出,输入与输出反相,uRL正负半周对称,uR2的信号峰值约为9.75 m V,u RL的信号峰值约为101.78 m V,u RL实现了对输入信号uR2不失真的放大,符合理论分析的结果。

2.2.2 静态工作点偏高

由式(1)~式(3)可知,当Rp减小时,三极管基极电位UBQ会升高,发射极电流和集电极电流会增大,则集电极电阻Rc上的压降及发射极电阻(Re1+Re2)上的压降会增大,使得UCEQ减小,电路的静态工作点上移,接近三极管的饱和区。

现调节Rp使之取值为0,得到如图3(a)所示的直流工作点数据,可得三极管三个极此时的电位:UBQ≈4.35 V,UCQ≈3.81 V,UEQ≈3.70 V。

由此计算得静态工作点数据:

可见,UBEQ>UON,但UCEQ

图3(b)所示的波形图为此时测得的输入输出波形,从波形图可知,uRL的正向信号峰值约为28.82 m V,反向信号峰值约为-18.26 m V,出现了明显的底部失真,此失真显然是因为静态工作点过高导致的。

2.2.3 静态工作点偏低

反之,当基极电阻Rp增大时,三极管基极电位UBQ会降低,同时发射极电流和集电极电流会减小,则集电极电阻Rc上的压降及发射极电阻(Re1+Re2)上的压降会减小,使得UCEQ增大,电路的静态工作点下移,接近三极管的截止区。

调节Rp取值为700 kΩ,得到如图4(a)所示的直流工作点数据,可得三极管三个极此时的电位:UBQ≈0.596 V,UCQ≈11.82 V,UEQ≈0.079 V。

由此计算得静态工作点数据:

可见,UBEQ

3 结语

由上述仿真结果可知,电路元件Rp的取值将直接影响电路的静态工作点,电路静态工作点的取值直接影响电路的动态输出,体现了静态工作的重要性,与理论分析的结果一致。

利用仿真软件对电路进行仿真,可以一边修改电路参数一边观察仿真结果,能实时看到电路参数改变带来的结果,省去了复杂的计算推理,结果却更加形象直观。同时还能得到一些单靠理论分析所看不到的结果,如三极管出现底部失真及顶部失真对应的电路元件参数临界值。总之,在教学中引入仿真软件,一方面可以通过实际的数据帮助学生更好地理解放大电路的本质,同时还会引导学生思考一些新的问题,激发学生的学习兴趣,有助于培养学生的创新意识,为学生以后的自主学习铺就了另一条道路。

摘要：为了帮助学生对电子电路的本质有更直观的认识,在模拟电子电路的教学中引入了Multisim 10仿真软件。实验利用该软件对三极管单级放大电路进行仿真分析,结果表明,电路元件参数的改变直接影响电路的静态工作点,动态输出也因此产生变化。该实验揭示了静态工作点的重要性,与理论分析的结果一致。利用仿真软件分析电子电路,结果形象直观,既起到辅助课堂教学的作用,也激发了学生对电子电路的学习兴趣。

关键词：Multisim,三极管,放大电路,模拟电子电路

参考文献

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]崔栋,郭永新,车琳琳.EDA仿真技术在《模拟电子技术》教学中的应用[J].中国科技信息,2008(5):208-209.

[3]曹鸿霞,冒晓莉,张加宏.Multisim10在单管共射放大电路中的应用[J].现代电子技术,2011,34(14):169-172.

[4]石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真,2007,24(12):306-308.

[5]董玉晶.Multisim9在电工电子技术中的应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

[6]孙正凤,井娥林.Multisim温度扫描分析在模拟电子技术的应用[J].电子设计工程,2012(20):122-124.

[7]张新喜,许军.Multisim10电路仿真及应用[M].北京:机械工业出版社,2010.

[8]程勇.实例讲解Multisim10电路仿真[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[9]李健明,彭仁明.基于Multisim放大电路的仿真分析[J].四川理工学院学报,2006,19(4):34-36.

共集放大电路非线性失真分析及调试 篇8

1.非线性失真类型判断

对固定偏置共射放大电路(如图1),输出波形出现底部失真为饱和失真,出现顶部失真为截止失真。

对共集放大电路(如图2),结论刚好相反:输出波形出现底部失真为截止失真,出现顶部失真为饱和失真。

2.非线性失真原因分析

固定偏置共射放大电路产生饱和失真的原因可能是静态工作点太靠近饱和区, 产生截止失真的原因可能是静态工作点太靠近截止区,如图3所示。

对共集放大电路输出波形产生非线性失真的分析采用同样的方法。不过,要注意的是固定偏置共射放大电路的输出电压,而共集放大电路的输出电压(见图4)。

因此, 共集放大电路输出波形的底部失真相当于波形顶部出现失真(就是截止失真),失真的原因可能是静态工作点太靠近截止区; 共集放大电路输出波形的顶部失真相当于波形底部出现失真(就是饱和失真),失真的原因可能是静态工作点太靠近饱和区。

3.调试方法

固定偏置共射放大电路(如图1)若出现饱和失真,则可通过增大基极偏置电阻使输出波形不失真;若出现截止失真,则可通过减小基极偏置电阻改善输出波形。

对于共集放大电路(如图2),实验中,显示的输出波形出现底部失真。共集放大电路的底部失真是截止失真,可能是因为基极偏置电阻太大, 导致其静态工作点的位置偏低,太靠近截止区。因此,通过适当减小的阻值,就得到不失真的输出波形(见图5)。若实验中显示的输出波形出现顶部失真,可能是因为基极偏置电阻太小,可适当增大,以得到理想的输出波形。

摘要：文章结合共集放大电路输出波形,确定其非线性失真类型,分析其产生原因,并针对具体电路提出相应的调试方法。

放大电路分析 篇9

第一步:按图1画出原理图。

第二步:设置DC Sweep分析。

将Ui的扫描范围定为-12V到+12V, 仿真后可得到图2所示的电压传输特性曲线。

第三步:设置Transient分析。

仿真后得到Uo的瞬态波形, 再选择菜单Plot/X Axis Setlings, 打开X Axis Settings对话框, 单击Axis Variable按钮, 打开X轴变量选择窗 (X Axis Varaiable) , 从中选出V (Ui:+) , 返回Porobe主窗口。此时, 横轴变成输入变量V (Ui) 。电压传输特性曲线如图3所示。 (注意, 通过X Axis Variable选择窗口重选变量后, 横轴变量就以所选变量V (Ui:+) 的形式出现, 而不是U-Ui。)

第四步:设置Transientp和Parametrc分析。

(1) 为了在Parametric分析时能对Ui的幅值进行扫描, 必须将Ui的幅值定义成变量, 即, 在信号源Ui的属性编辑对话框中, 设置VAMPL={Ui}。 (注意, PSPICE将“{}”中的内容看作自定义变量或表达式。自定义变量也称为通变量 (global) , 变量名可任意取) 。

(2) 在原理图编辑中增加一个预定义参数元件PARAM。打开元件属性编辑对话框, 设置变量名和预定义参数值, 即:NAME1=Ui, VALU E1=0 V。

(3) 打开Analysis Setup对话框, 单击按钮Parametric弹出对话框, 按图中设置好扫描变量。扫描类型和扫描范围及步长, 如图4所示, 然后返回。 (注意:此时Transient也应设置好终结时间 (Final Times=2ms) 。

(4) 仿真后, 进入Probe程序窗口, 选择菜单项Plot|X Axis Settings, 打开X Axis Settings对话框, 选中特性分析选项 (Performance Analysis) , 或在Probe程序窗中直接单击工具栏“”图标。此时, 波形显示框的横轴变成Ui变量。

(5) 选择菜单项T r a c e|A d d, 打开A d d Trace对话框, 对话框中不仅显示出电路中电压、电流变量, 而且还有很多目标函数 (Goal Functions) , 其中包括Max (1) 。在Trace Expression编辑框中输入Max (V (Uo) ) , 便得到如图5所示的传输特性曲线。由图看出, 最大输出电压幅值与前两个结果基本相同。

(注意, 图5的曲线是Uo的最大值与Ui的关系曲线, Max (V (Uo) ) 已将Uo的负值转换为正值, 因此, 曲线中没有Uo的负值部分。)

对于图1所示的功率放大电路如果需要求出电路的输出功率。那么我们分析放大电路功率时就可以采用下面两种分析方法。

(1) 设置直流扫描分析 (DCSweep) 。

通过DC Sweep分析, 可以得到输出功率管耗和电源提供的功率随电压变化的曲线, 从曲线上可以读出它们的最大功率或某一输出幅值下的功率。注意这一方法不能用于有隔直电容的功放电路。

(2) 设置瞬态分析 (Transient) 。

根据功率的定义, 输出功率等于负载上瞬时电压与瞬时电流的乘积在一个周期内积分的平均值, 即:同理, 电源提供的功率利用Transient分析可以得到上述的积分曲线。在t等于周期T时刻曲线上的值, 就是相应的功率值, 从而实现了研究目标。这种方法大大简化了人工演算与推理, 给研究带来了很大的方便。

参考文献

[1]陈梓城.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社, 2003.

[2]张龙兴.电子技术基础[M].高等教育出版社, 2002.

放大电路分析 篇10

进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子产品的一种重要发展趋势,诸如作为通信工具的手机,作为娱乐设备的MP3播放器,工作必备的手提笔记本,以及期望中的便携式电视机与DVD,车载电器等,极大地提升了人们的生活质量。便携式电子产品的一个重要发展特征是采用了低功耗高集成度的数字开关门电路芯片,以IBM的CPU集成芯片为例,目前集成度达到8 000万个门电路(2 inch2上108个门)。所有这些便携式电子产品的一个共同点就是都需要大功率的音频输出,都需要电池供电。目前,上述便携式电子产品大多采用了新型D类功率放大电路,其最大特点就是能够在保持最低的失真情况下得到高的效率[1,2,3]。同时,诸如CPU运算速度仍然缓慢、采用锂电池供电的大屏幕手机待机时间过短等缺点也非常明显。因此,制约便携式电子产品发展的一个首要因素就是其输出功率损耗与使用的电池技术,并直接与人们关注的芯片工作主频(时钟频率)、待机时间(取决于静态功率损耗)与使用时间(取决于动态功率损耗)几个指标相关。

鉴于目前国内“电子技术”高校课堂教学仍然以低频段介绍A类、B类及AB类模拟功率放大电路[4,5,6,7,8,9,10]、高频段介绍C类为主,事实上已经远远滞后于电子技术的发展实际,可检索到的D类功率放大电路文献则主要讨论应用于具体产品中的实际电路[11,12,13],无论对高校师生还是工程技术人员,都缺乏对D类功放基本原理直接学习的渠道。本文以单个数字开关门电路为例,详细分析D类功率放大电路工作原理与总功率损耗,为高校师生全面掌握集成门电路芯片的技术发展提供一定的基础理论参考。

1 单个 NMOS 管门电路

1.1门电路组成

( 1 )电路组成

20世纪80年代以前,受限于P沟道MOS管工艺限制等因素 ,集成芯片 内部的开 关门电路 仍是由单 个NMOS管构成。NMOS管的开关特性与晶体三极管类似但远优于三极管。反相器的基本电路如图1所示。C等效为NMOS门驱动的同类负载门电路的栅极电容集总。

1.2工作原理

工作于开关状态的NMOS门电路输入信号ui是周期为T的方波时钟信号,T1时间为低电平,T2时间为高电平,T1=T2= T2 。输入信号波形如图2所示。

(1)输入信号为低电平T1期间,ui<UGS(th),NMOS管截止 ,等效为断 开的开关 ,电源VDD通过RD给电容C充电。

(2)输入信号为高电平T2期间,ui>UGS(th),NMOS管导通,等效导通电阻为RON,其值很小,电容C通过电阻RON放电。

1.3单管门电路功耗与效率分析

1.3.1低电平 T1期间电源提供的能量

此时,NMOS管断开,假设电容上的初始电位为0 V,则接通电源的瞬间,流过电阻RD上的充电电流为最大值 (VDDRD);经过 (3~5)τ1的充电时间(其中 τ1= RDC ,一般有 τ1≪ T1),电容电位达到最大值VDD,此时电流衰减为0;充电期间,电流值为:

集总电容C上的电压与电阻RD上的电压电流变化如图3(b),图3(c)所示。

T1期间,电阻消耗能量,电容储存能量。其中,电源提供的总能量为:

如果 τ1≪ T1,则:

电容上储存的能量为:

则电阻RD消耗的能量为:

1.3.2高电平 T2期间电源提供的能量

此时NMOS管导通,电容上的能量经过(3~5)τ2的放电时间(其中 τ2= RONC ,一般有 τ2≪ T2)快速放电 完毕。同时,电源在T2时间内提供的能量为:

1.3.3电源提供的总功率

在一个ui时钟周期T内,可计算电源提供的总功率为:

对单NMOS管电路,RD≫ RON,故可得:

式中f为输入信号的频率。进一步,将上述PVDD表达式中的两分量分别记为:

其中:式(7)代表了在一个时钟周期内,电源提供的静态功率(待机功率)损耗;式(8)代表了电路的动态功率(使用功率)损耗。两分量分别决定了人们在日常使用手机等手提设备中所说的待机时间与使用时间。

1.3.4效率分析

由式(7)可知,电源的静态功率损耗与电源电压的平方成正比,与RD成反比。而动态使用功率与电容容值、电源电压平方、以及时钟频率成正比。可见,RD越大,静态功率损耗越小,时钟频率越高,实际使用功率也越大,电路的效率也就越高。比如,目前IBM的CPU集成度最高可达108个门电路,假设其主频(时钟频率)为1 GHz=109Hz,集总电容C=0.1 f F=10-16F,电源VDD=5 V,RD=10 kΩ。则可以算得:Pstatic=125 k W,PDynamic=250 W。

可见,动态使用功率尚在接受范围内,但静态功率达到了不可思议值。即使把门电路的电源从5 V降低为1 V,仍然具有25 k W。要想从根本上降低静态功率损耗,需要大大增加RD,但实际电路中RD的增加也受到一定制约,这就需要找到一个能替代RD作用的有效元器件 。 20世纪80年代 ,随着各种 相关技术 的成熟 ,CMOS反相器门电路应需而生。

2 CMOS 反相器门电路

CMOS反相器的基本电路如图4所示。

VTP是PMOS管,VTN是NMOS管,它们的栅极短接作为输入端,漏极短接作为输出端,VTP的源极接电源VDD,VTN的源极接地。要求VDD>2UGS(th),其中UGS(th)=UGS(th)N=|UGS(th)P|。

3 CMOS 反相器门电路功耗分析

CMOS门电路输入信号ui仍然是图2所示的周期为T的方波信号,C等效为驱动的CMOS负载门电路的栅极电容集总。

(1)低电平T1期间。当输入为低电平,即ui=0 V时,由于UGSN=0 V<UGS(th)N,VTN截止;同时|UGSP|=VDD>|UGS(th)P|,VTP导通,等效导通电阻为RONP,其值很小,几乎为0。电源给集总电容快速充电,且电源提供的总功率为:

式中f为输入信号的频率。

(2)当输入为高电平,即ui=VDD时,由于UGSN=VDD>UGS(th)N,VTN导通,等效导通电阻为RONP,其值很小,几乎为0,故反相器共漏极输出为0。由于|UGSP|= 0 < |UGS(th)P|,VTP截止,电源VDD不工作。电容通过VTN快速放电,电容C在T1期间储存的能量释放完毕。

(3)电源提供的总功率与效率分析。由上述分析可得,在理想情况下,功率器件VTP导通时导通电阻为零,没有电压降,器件不消耗功率,输出电压幅度几乎与电源电压VDD值相同;关断时VTP电阻为无穷大,没有电流流过,器件也不消耗功率,输出电压几乎为零。CMOS反相器无论电路处于何种状态,VTN,VTP中总有一个是截止的,所以它的静态功耗很低,理论上静态功率损耗为0。电源在整个周期T内提供的总功率为CVD2Df ,理论上开关类功率放大器能够将电源功率无损耗地转换输出到负载上,全部转变为负载的动态使用功率 。 所以这类功 率放大电 路的效率 理论上可 达到100%。

4 结语

本文从集成数字门电路芯片内部的单个数字门为例,详述了D类功率放大电路的工作原理与效率,理论上,D类功率放大电路的效率可达到100%,远高于AB类模拟功率放大电路的78.5%。然而,在实际使用中,半导体元器件均有漏电流存在,故开关器件VTP与VTN实际上总要消耗部分功率。此外,可得出:

(1)为了降低电子设备的功率损耗,提高电池供电的使用时间,芯片所需的电压值至关重要,功率损耗随着电源电压VDD的降低成平方倍减小。

(2)为了提高电子设备的快速响应时间,比如笔记本电脑的CPU主频,电源(电池)的功率损耗随着时钟频率f的增加而线性增加。

摘要：当前国内高校的“电子线路”课程无论是从教材编写还是课堂讲授中的功率放大电路仍然以模拟功放为主,对数字功放讲述甚少,而现实中电子产品尤其是笔记本电脑、手机等便携式电子产品大量采用了低功耗高集成度的数字开关门电路芯片,造成大学生课堂学习与电子技术发展实际的脱节。在此结合数字集成开关门(CMOS)电路的发展,详细分析了D类功率放大电路的工作原理;理想状态下,D类功率放大电路的理论效率可达到100%,远高于AB类模拟功率放大电路的78.5%。推导了D类功率放大电路CMOS反相器的功率损耗与芯片工作的时钟频率、栅极集总电容值以及芯片所需的供电电压的平方成正比,并以当前主流的集成度达8 000万个门电路(2 inch2上108个门)的IBM笔记本电脑的CPU芯片为实际案例进行了总功耗分析。实践表明,将数字功率放大电路引入大学生课堂教学,可以贴近实际,增强感性认识,提高课堂教学质量。