用于電力載波輸出的功率放大器的設(shè)計(jì)

　　電力載波通信(Power line comrnunicaTIon，PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞?，F(xiàn)在，PLC除了在遠(yuǎn)程抄表上有所應(yīng)用外，隨著家庭智能系統(tǒng)這個(gè)話題的興起，也給PLC帶來(lái)了一個(gè)新的舞臺(tái)。在電力載波系統(tǒng)輸出級(jí)，需要對(duì)調(diào)制好的信號(hào)進(jìn)行放大，本文使用共射放大電路和OTL電路分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行放大，為了控制輸出信號(hào)的諧波失真率，對(duì)偏置電路和反饋電路進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中考慮溫度影響，使電路可以在室外環(huán)境中正常工作。

　　1 放大器的設(shè)計(jì)要求和基本電路

　　根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，載波信號(hào)的總諧波失真應(yīng)小于O．05％，由于需要在室外工作，所以電路需要能夠在-30℃的環(huán)境中正常工作，輸出功率應(yīng)達(dá)到1 W。在本設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到輸出功率的需求，供電部分采用12 V直流供電，電源內(nèi)阻為10 Ω。信號(hào)源為數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)，頻率為132 kHz，信號(hào)電壓峰值為2．5 V，芯片內(nèi)阻為2 kΩ。負(fù)載為電力線，在仿真中采用如圖1所示的人工電源網(wǎng)絡(luò)模型。

　　基本電路如圖2所示，Q9為前級(jí)放大，Q8，Q12為后級(jí)輸出。輸入與輸出之間引入負(fù)反饋，調(diào)節(jié)增益，使得輸出功率滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，同時(shí)起到降低諧波失真的作用。前后級(jí)直接耦合，以簡(jiǎn)化電路，降低成本。

　　2 溫度影響

　　2．1 溫度降低的影響及解決辦法

　　當(dāng)溫度降低時(shí)，使得晶體管集電極電流降低，而基極電流增大，當(dāng)Q9基極電流增大時(shí)，R5電流增大，兩端壓降也隨之增大，而R5左端電壓為O．7 V基本不變，于是右端電壓上升，使得靜態(tài)工作點(diǎn)高于Vcc／2，于是輸出波形的正半周頂端出現(xiàn)失真。

　　解決方法：

　　(1)被動(dòng)溫度適應(yīng)法。加大負(fù)反饋降低增益，即R7的設(shè)定值降低，使得靜態(tài)工作點(diǎn)的上升不至于使輸出波形失真。缺點(diǎn)是降低了輸出。把R7調(diào)整為3 kΩ，電路可以在-30℃下正常工作，基波3 V，三次諧波為1 mV。

　　(2)主動(dòng)溫度補(bǔ)償法：將R5設(shè)定為可變電阻，當(dāng)溫度降低時(shí)，降低R5阻值，使靜態(tài)工作點(diǎn)保持不變，也就避免了輸出波形的失真。

　　2．2 溫度上升的影響及解決辦法

　　使用推挽式輸出級(jí)通常要通過(guò)偏置電路消除交越失真，最簡(jiǎn)單的方法是使用D7和D8兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，三極管溫度升高，be間電壓降低，而二極管電流并不大，其正向?qū)妷篤e變化不大，這樣，Vbe和Ve之間的電位差使得三極管中流過(guò)的電流加大，溫度進(jìn)一步上升，電位差更大，三極管電流也更大，最終使三極管發(fā)生熱損壞。解決方法：

　　(1)如圖3所示，在2個(gè)三極管射極輸出端串聯(lián)2個(gè)電阻，限制電流。

　　(2)使用如圖4所示的電路，將3個(gè)三極管靠近，使它們熱耦合，則隨著溫度變化，Q3兩端電壓也會(huì)變化，從而抑制了熱擊穿。

　　當(dāng)三極管功率不是太大時(shí)，可以直接使用二極管偏置。

　　3 負(fù)反饋電路的改進(jìn)

　　將基本電路中的R8使用如圖5所示的LC諧振電路代替，可以將132 kHz頻率的信號(hào)正確反饋，而其他頻率信號(hào)則被衰減至很小，從而改善輸出波形。

　　電容和電感的取值由公式來(lái)獲得。諧振頻率相同時(shí)，電容容量越小，電感數(shù)值越大，品質(zhì)因數(shù)越大，選頻特性越好，為了得到合適的負(fù)反饋，加入了電阻來(lái)調(diào)整品質(zhì)因數(shù)。

　　從表1可以看出，使用LC諧振作為負(fù)反饋可以在一定程度上抑制諧波失真。

　　選頻負(fù)反饋的使用使得電路只使用于特定頻率的功率放大，若需要較大范圍的頻率響應(yīng)，則不適合采用選頻電路。

　　4 偏置電路的改進(jìn)

　　使用圖6所示的恒流源代替基本電路中的電阻R1，使得偏置電路中的電流不會(huì)受到輸入端的影響，從而使輸出端更加穩(wěn)定，降低失真。

　　由表2兩者的對(duì)比可以看出，使用恒流源代替電阻可以使諧波失真大大降低，但是溫度特性會(huì)變差，使用中需要注意溫度補(bǔ)償。

　　溫度特性變差，但相對(duì)其對(duì)諧波失真的改進(jìn)來(lái)看，此影響很小，所以在電路中恒流源的引入是非常有意義的。

　　5 提高輸入電阻

　　加入前面所述的選頻負(fù)反饋電路之后，輸入電阻變得很小，大概只有200～300 Ω，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出端波形變化很大，并可能出現(xiàn)嚴(yán)重失真。所以需要采取措施提高輸入電阻，以降低信號(hào)源變化所帶來(lái)的影響。

　　方法1 通?？梢圆捎蒙浼?jí)跟隨電路作為前級(jí)輸入端的方法來(lái)提高輸入電阻，此方法效果好，成本高。

　　方法2 當(dāng)對(duì)輸入電阻阻值要求不是太大時(shí)，可以簡(jiǎn)單的在輸入端串聯(lián)一定數(shù)值的電阻，來(lái)達(dá)到提高輸入電阻的目的，此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低。

　　在本應(yīng)用中，信號(hào)由特定DA芯片提供，信號(hào)源內(nèi)阻變化不大，適合采用第2種方法。

　　6 晶體管的選擇

　　最大管壓降：電源采用了12 V供電，所以晶體管最大管壓降應(yīng)大于12 V；最大電流：經(jīng)PSpice仿真，測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大電流為150 mA，電流源和前級(jí)放大晶體管小于10 mA；最大功耗：經(jīng)PSpice仿真，測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大瞬時(shí)功耗550 mW，前級(jí)放大晶體管最大瞬時(shí)功耗小于60 mW；工作溫度：產(chǎn)品需要能在室外環(huán)境中正常工作；頻率特性：截止頻率大于300 kHz；綜合考慮，選擇2N3904和N3906晶體管。

　　7 改進(jìn)后的電路圖及性能

　　根據(jù)前面所述的方法對(duì)開(kāi)始的基本電路進(jìn)行改進(jìn)，得到最后的實(shí)用電路，如圖7所示。電源：+12 V，內(nèi)阻10 Ω；輸出信號(hào)總諧波失真率約O．05％；輸入阻抗：1．2 kΩ。輸出阻抗：6 Ω；輸出電壓：8．3 V；最低工作溫度：-30℃。

　　8 結(jié)語(yǔ)

　　本文從最基本功率放大電路著手，從多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，獲得了較高的諧波失真性能和較高的輸出功率，最終電路能夠滿足國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求和實(shí)際應(yīng)用的需求。