模拟功放

模拟功放（精选4篇）

模拟功放 篇1

0 引言

DAB (数字音频广播) 已经在近36个国家得到广泛使用, 英国和欧州的一些国家覆盖率已经达到非常高的水平, 目前全球共有超过5亿人能够收听数字广播。在去年我国又通过了调频频段数字音频广播技术 (CDR) 标准, 表明我国的数字广播发展从战略规划和准备阶段, 正式转入战略实施阶段。

为适应广播发展趋势, 我台于2013年初购置国内首台美国哈里斯新型调频发射机FAX 10K。该发射机可以工作在FM (模拟) 、FM+HD (混合) 、HD (数字) 三种模式, 既满足当前模拟调频广播发射的需求, 也为以后向数字广播过渡乃至数字广播提供了解决方案。本文主要对其核心功放模块进行研究, 着重分析了不同工作模式的具体实现方法以及功放设计中的一些先进理念。

1 功放模块

FAX 10K发射机功放模块主要由射频放大电路、控制电路、监测保护电路、散热器组成。下文主要对射频放大电路、控制电路以及该功放其它的一些先进设计理念进行分析。

1.1 射频放大电路

每个功放模块的射频放大电路由两个电路相同但相互独立的放大单元“A”和“B”构成。每个单元均使用一个型号为MRFE6VP61K25H的LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体) 管进行放大, 该管额定输出功率为800W (最大1250W) , 效率高达75%。与传统晶体管相比, 这种新型的放大管在增益、线性度、开关性能、散热性能等方面优势很明显, 并可在高于双极型晶体管3倍驻波比的高反射功率状态下运行。

射频放大单元原理如上图1所示, 与一般功放电路类似, RF信号由电路板引脚输入, 通过3d B耦合器一分为二, 经耦合、阻抗匹配后供给放大管Q1栅极放大, 后经阻抗匹配、功率合成、滤波后输出。

1.2 功放控制电路

功放控制电路主要完成以下二个功能:一是控制放大单元的开关;二是按发射机运行模式调整功放管的放大状态。当发射机工作在FM模式时, 放大管工作在C类放大状态, 此时放大效率最高;当处于HD或FM+HD模式时, 放大管工作在AB类放大状态, 这样就可以更好的满足数字信号线性放大的需要, 失真最小。

放大管工作状态控制电路如上图2所示, 放大管工作状态主要是通过调整放大管的栅极偏置电压VG来实现的。为确保放大管工作状态稳定, 该电路采用热敏电阻RT1、电阻R8、电阻R36进行温度补偿。

1.2.1 功放开/关

功放控制信号主要对晶体管Q5进行控制。当PA ON CTL (功放控制信号) 为开时, 将-5V送至Q5栅极使其截止, 此时VG由+12V分压电路决定。根据工作模式的不同从而选择不同的电压, 使放大管工作在需要的状态。当功放控制信号为关时, 将0V送至Q5栅极使其导通, 此时VG电压为-5VDC, 放大管截止。

1.2.2 功放AB类放大

当机器运行在FM+HD或HD模式下时, BIAS_MODE (偏置模式) 信号将+5V送至晶体管Q4栅极使其导通, 从而将地送给晶体管Q3的栅极使其截止。则此时VG由电阻R40、电阻R103、电阻R38组成的分压电路和温度补偿电路决定。经实测, 正常工作时VG约为+2.64V。

1.2.3 功放C类放大

当机器运行在FM模式下, BIAS_MODE信号将0V送至Q4栅极使其截止。此时+12VDC经电阻R28、电阻R48分压后送至Q3栅极使其导通。此时在原有AB类放大状态控制电路起作用的基础上, 由电阻R104、二极管CR22、电阻R109组成的分压电路进一步对VG电压进行调整。经实测, 正常工作时VG为+2.24V。

图中ANALOG_ALC (模拟自动增益控制) 信号主要用来实现发射机自动功率控制, 且仅在C类放大状态下起作用。因功放模块与中功放模块是完全一致的, 当其作为中功放模块使用时, 发射机可以通过调节中功放模块的输出功率来实现整机功率控制。此时, ANALOG_ALC信号会根据需要在-5V至0V之间调整, 从而实现对中功放放大管的增益的改变。

1.3 故障保护电路

每个功放模块中还集成了相应的监测和故障保护电路, 可以实时的对功放模块的输入功率、驻波比、功放电压、功放电流、散热器温度进行监测, 当功放发生异常时, 可立即对其进行封锁保护。此外, 功放内每个放大单元还提供直观的LED状态指示灯, 当发生故障时LED指示灯会由绿色变为红色, 方便维护人员进行故障判断。

1.4“热插拔”防电弧设计

该功放模块支持“热插拔”, 并设计有防电弧电路, 可以有效减少因插拔造成设备损坏的可能。如下图3功放实物图所示, 其左端为该功放输入输出端子, 从图中可以看到其金手指的长度是不一致的。射频及信号输入、输出端子的金手指较长, 这样可以在插入时先进行良好的接触;而电源金手指较短, 且串联三个10欧姆的电阻, 这样插入时就可以实现其它端子良好接触后再进行供电, 并有效限制了插入和拔出时的瞬时电流, 阻止了电弧的产生, 保证了设备安全。

2 功放模块的维护

功放模块作为发射机的重要组成部分, 是进行射频功率的放大基本单元, 也是维护的重点。日常工作中, 要注意监测其运行参数的变化, 通过对比功放模块的温度、电压、电流等来判断否存在异常。

此外, 还应定期对功放进行清洁维护。由于该功放采用风冷, 内部易积灰, 严重时会造成放大电路短路, 并影响散热效果, 缩短了功放的使用寿命。在维护时, 应使用毛刷、吹气机、吸尘器等对电路板和散热片进行清洁。对于模块的镀金引脚应使用99%的纯酒精进行清洁, 因为橡皮擦或通用的清洁剂会损坏镀金层引脚。清洁后, 应将功放模块循环插拔两三次, 使引脚与插槽接触更加良好。

3 结论

自FAX 10K发射机于2013年1月投入使用以来, 该发射机功放模块运行稳定, 在多次突然断电及雷击中均未出现异常, 其理论平均无故障时间更是高达600000小时。其高效的能量转化效率, 直观便捷的故障判断及处理方式, 先进的设计理念与技术均具有很好的参考和借鉴意义。因作者水平有限, 文中的不当之处还请批评指正。

参考文献

[1]Freescale Semiconductor, MRFE6VP61K25H[EB/CD]http://pdf1.alldatasheetcn.com/datasheet-pdf/view/535488/FREESCALE/MRFE6VP61K25HR5.html, 2013-03-04/2014-9-21.

[2]Harris Corporation, Platinum Z10 CD?FM Transmitter Manual[z]America, Harris Corporation, 2003.

[3]Harris Corporation, TECHNICAL MANUAL Flexiva?FAX 5/10/20/30/40K Transmitter Series[z]America, Harris Corporation, 2012.

模拟功放 篇2

1工作原理上的区别

1.1 D类变压器耦合推挽功率放大器

D类变压器耦合推挽功率放大器是最为常用的一种功放。D类功放属于开关功放, 顾名思义功率管Q1和Q2在一对互为反相的开关信号的驱动下, 轮流处于饱和区和截止区。电路具体分析过程如下:Q1栅极为高电平 (电平要足够高使Q1饱和导通) 时, Q1导通;与此同时Q2栅极为低电平, Q2截止。Q1栅极为低电平时, Q1截止;与此同时Q2栅极为高电平, Q2导通。两只功率管在一对互为反相的开关信号的驱动下一推一挽地工作, 从而将直流电压变换成交流电压驱动负载。

1.2甲乙类变压器耦合推挽功率放大器

甲乙类变压器耦合推挽功率放大器属于线性功放, 它也是通过变压器耦合推挽工作, 和D类不同之处在于栅极驱动信号为正弦信号。电路中包含直流电路和交流电路。分别介绍如下:

直流电路为功率管Q1和Q2提供一个很小的静态偏置电压, 使Q1和Q2进入微导通状态, 这样Q1和Q2就可以工作在甲乙类状态。直流电路包括VCC, R7~R12部分。R7, R11和R8, R12对电源VCC分压, 提供偏置电压, R9和R10增加输入阻抗。

交流电路完成信号的线性放大。功率管Q1和Q2栅极输入端为一对互为反相的正弦信号。在Q1栅极信号为正半周期间, Q2栅极信号为负半周, Q2栅极负半周信号使Q2栅极电压低于直流电路提供的偏置电压, Q2截止。此时Q1栅极受正半周信号激励处于导通, 放大状态, 其漏极信号电流经过B和A点之间的线圈流过T1初级线圈, 通过T1的耦合作用在负载上得到正半周信号。在Q1栅极信号为负半周期间, 情况类似。Q1截止, Q2栅极受正半周信号激励处于导通, 放大状态, 其漏极信号电流经过B和C点之间的线圈流过T1初级线圈, 通过T1的耦合作用在负载上得到负半周信号。

2器件选择上的区别

可以看到两种电路都有栅极电阻, 其作用却不尽相同。D类功放的作用是抑制驱动信号开通瞬间的过冲, 但过大却会造成信号开通时间的增加, 一般阻值很小。当频率大于100KHz时此电阻可考虑不用。甲乙类功放栅极电阻起到保护栅极的作用, 要大一些, 可以防止驱动信号失真。甲乙类功放源级比D类功放多了一个反馈电阻。栅极驱动信号的回路是:R1->Q1栅极->Q1源级->R3->低端->驱动电路部分的某个对地电容->驱动信号。可以看出R3, R4是源级负反馈电阻, 它对交流信号存在负反馈作用。因为源级电流很大, 所以R3, R4阻值要很小, 否则负反馈量太大。栅极电压增大->源级电流增大->R3, R4上压降增大->栅源电压Vgs减小。可以看出当驱动信号增大时, 栅源电压Vgs不会变化很剧烈, 从而有效抑制了功率管进入饱和区。功率管的选型上, D类功放主要关注功率管的容量, 即漏源级最大电压Vces, 漏极最大电流Ie, 而甲乙类功放除了考虑功率管的容量, 还要选择线性工作区宽的管子, 也就是功率管的转移特性曲线上斜率比较小的。D类功放比甲乙类多了C1, R5和C2, R6。他们的作用是吸收开关瞬间产生的过冲, 因为甲乙类不是工作在开关状态, 没有开关过冲, 自然可以不用。D类功放在次极端比甲乙类功放多了L1和C4, 这是因为开关功放输出的方波信号需要LC谐振回路滤波, 而甲乙类功放的输出已经是正弦波, 不需要再滤波。

3变压器作用的区别

两种电路中变压器都起到了耦合推挽, 阻抗变换的作用, 但具体作用却不尽相同。在D类功放中, 可以理解变压器是对电压的变换, 在计算变比时, 可按照n=输出电压/输入电压的公式计算。在甲乙类功放中, 变压器把负载阻抗变换成和功率管导通电阻Rce一样, 此时可以最大效率地输出功率, 也可以理解为它是对电流的变换。所以, 对D类功放来讲, 增加直流电压或者增加变压器变比可以提高输出功率;而甲乙类却不可以, 它还要同时增加驱动信号的幅度。

4效率的区别

Psw是开关损耗, Pcond是导通损耗, Pgd是栅极驱动损耗。考虑到变压器, 电感, 电容等储能元件对功率的损耗, D类功放的效率一般在80%~85%之间。与D类功放不同, 甲乙类功放功率管工作在线性放大区, 功率管担当线性调整器来调整输出电压。功率管工作时漏极源级间的阻抗远大于其在开关工作时的阻抗, 当经过变压器变换后的负载阻抗和漏极源级间的阻抗相等时, 此时功放可输出最大功率, 但此时的效率也只有50%。

结束语

开关功放与线性功放各有优缺点, 开关功放效率比较高, 功率比较大, 但它的缺点在于调整功率比较困难, 虽然对于PWM功放而言可以通过调整信号的调制度来调整功率, 但是受限于调制频率等因素, 想要大范围线性地调整功率很困难。这一点恰恰线性功放可以很好地解决, 而且线性功放谐波相对较小。但线性功放的效率比较低, 功率也很难做大。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础模拟部分 (第四版) [M].北京:高等教育出版社, 1999.

重低音功放电路的制作 篇3

听歌时, 我比较喜欢听重低音的感觉, 就自己做了个重低音功放, 感觉效果还不错, 放在宿舍, 听起来很好。用的片子是TDA2822, 虽然有点低端了, 但是效果很好。我在它的前级加入低音提升电路后, 可以听到高保真的音响效果, 特别是重低音效果, 逼真感很强。该电路中, 前级采用无源衰减式音调控制电路, 后级用功放芯片TDA2822做的功率放大器。电路中C1～C4这四个电容本应该使用涤纶电容, 但我手头没有, 就用独石电容代替了。电源由USB口提供, 直接插在笔记本电脑或USB充电器上就可以工作。我在滤波电路处使用了470μF的电解电容和104的瓷片电容, 以达到很好的滤波效果。

具体电路如图1所示, 该电路还可以推动耳机, 只要你的耳机够好, 就能将该电路输出的音效发挥得淋漓尽致, 听感也更加自然。而有些耳机本不具备很宽的频率响应, 再怎么提升音源的低音成分都听不到很明显的效果, 这种耳机不要使用。

该电路的PCB如图2, 每个接地点, 我都采用了单点接地。使信号地与电源地没有发生混合, 否则必将引发很强的交流声:电源地由于滤波和退耦电容充放电电流较大 (相对信号地电流) , 在电路板走线上必然存在一定压降, 信号地与该电源电地重合, 势必会受此波动电压影响, 也就是说, 信号的参考点电压不再为零。

VHF频段宽带功放设计 篇4

随着微波通信和军事领域新标准新技术的发展, 图像或大容量信息传输越来越普遍, 而且也需要在有限的频带内传输更多的不同信息, 这必然需要通信系统满足宽频带要求。这就对功率放大器的各项指标, 如工作频带、线性度、增益平坦度、输出功率、效率和可靠性等提出了更高的要求［1］。以前的功率放大器或功率不足, 或工作带宽不够, 已难以满足通信系统的需求, 故需设计一款较大功率的, 宽频带的功率放大器。作为大功率模块, 要求在较小的尺寸内实现宽频带内的大功率输出, 它的设计是有一定难度的。

1 方案设计

本文设计的功率放大器的主要技术指标如下: 频率: 70 MHz ~ 300 MHz; 输出功率≥20 W; 增益≥33 dB; 增益平坦度 ±0. 5 dB; 三阶交调≤ -30 dBc。在VHF频带, 考虑到高功率, 高宽带和一定线性度的要求, 选择了三级功放管级联的方式实现, 它们分别是SEMELAB的D2002UK、D2004UK和D1008UK。整个电路需要系统提供一路28 V电源, 一路8.5 V电源。

1. 1 信号流程及增益分配

功率放大器的方案设计图及增益分配如图1 所示, 射频输入信号由第一级A1/D2002UK放大, 信号电平由10 dBm放大到23 dBm, 然后进入第二级放大器A2/D2004UK, 信号电平由23 dBm放大到33 dBm, 功率约为1. 5 W, 最后进入到第三级放大器A3 / D1008UK, 信号电平由33 dBm放大到43 dBm, 输出功率达到20 W。

1. 2 各级功率放大器的基本设计思路

每一级功率放大器的设计均包括直流偏置电路和输入输出匹配电路。此三级功放管均为是N沟道增强型LDMOS管, 根据器件资料需要在器件外部设计输入输出匹配电路。作为第三级即末级功放管, D1008UK的指标直接决定了此功率放大器的整体指标, 因此D1008UK输入输出匹配非常重要。对于末级功率管D1008UK的设计采用了传输线变压器进行匹配, 输入采用1∶ 4 变压器, 输出采用1∶ 9 变压器设计［2］。由于工作频率覆盖多个倍频程, 因此采用变压器匹配的同时采用并联负反馈技术来拓宽频带。

宽带电路中常采用电感来隔离交流信号。本次设计的电路中, 三级功率管的栅极均存在门限电压, 其栅极偏置是电位器分压之后通过插装高阻值电阻来馈电的。漏极偏置28 V是通过漆包线绕制的电感线圈来馈电的［3］。注意: 在偏置电路的设计过程中要做好电源的滤波, 尤其是漏极偏置是高电压, 大电流, 因此在滤波的时候要用到大容量的胆电容, 偏置电路会对匹配电路产生影响, 应该作为匹配电路的一部分来设计。

2 宽带匹配设计

根据射频理论, 要实现最大的功率输出, 必须要使负载阻抗和源阻抗相匹配, 实现匹配的一般方法是在源和负载之间插入一个无源网络, 这个网络成为匹配网络, 它的用途是把给定的阻抗值变为其他更合适的阻抗值［4］。

2. 1 同轴电缆变换器匹配

同轴电缆变换器可为射频功率放大器提供宽频带工作, 同轴电缆变换器结构如图2 所示。

同轴电缆变换器是由套上铁氧体磁芯的一段同轴电缆或同轴电缆直接绕在铁氧体磁芯上构成的。 同轴电缆变换器的等效电路如图3 所示, 一般称为 “巴仑 ( balun) ”。由于它的实际结构, 同轴电缆变换器的位置处于集中参数和分布参数之间。因此, 在低频端, 它的等效电路可用传统的低频变换器描述, 而在较高频段, 它是特性阻抗为Z0的传输线［5］。

2. 2 宽带匹配电路设计

宽带放大器的匹配电路设计与窄带放大器有所不同, 宽频带放大器电路结构主要可分为以下几种: 平衡式放大器、反馈式放大器、行波式放大器、有损匹配式放大器和有源匹配式放大器等。以上这些宽带匹配电路设计各有优缺点, 现将它们的性能做简单比较［6，7］, 如表1 所示。

负反馈结构又分为源极串联负反馈和漏极并联负反馈, 综合考虑之后, 选定了并联负反馈宽带放大器结构。并联负反馈可以减小功放管S参数的S11和S22的幅度, 使得宽带匹配更容易实现, 提高增益平坦度, 尤其是能够增强低频段的稳定性; 在改善增益平坦度的同时, 也使放大器的输入输出驻波比得到改善, 还可以降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响［8］。并联负反馈的增益是由反馈电阻决定, 而不是功放管的S参数。其电路如图4 所示, 它的小信号电路的简化模型如图5 所示。

忽略源栅电容Cgs的影响, 其S参数:

式中, Z0为特征阻抗, Rfb为并联负反馈电阻的阻值。

在理想匹配的情况下, S11= S22= 0, 即输入、输出VSWR =1, 则:

由式 ( 2) 可以看出, 并联负反馈放大器的增益由Rfb决定, 与频率无关［9］。这样可以通过并联负反馈电路来获得平坦的增益, 拓宽放大器的带宽。

未采用宽带匹配设计时, 放大器的增益曲线如图6 所示。

采用宽带匹配设计后, 放大器的增益平坦度得到较大改善, 如图7 所示。

由图7 可知, 采用并联负反馈电路之后, 放大器的增益平坦度得到了很好的改善。

3 测试结果与分析

3. 1 功放调试

功放的调试在整个功率放大器的设计过程中非常重要。调试的手段主要是调整匹配电路, 偏置电路。通过调试使得功放的各个指标达到要求［10］。

功放调试时, 首先对各级功率管的静态工作点进行调试。各功率管的静态工作点调试完毕后即可进行加激励调试。加激励调试时, 必须逐级对功率管进行调试, 第一级功率管调试完毕后方可进行第二级功率管的调试, 依此类推。

3. 2 测试结果

完成调试后, 进行详细的指标测试, 具体测试数据如表2 所示。

3. 3 结果分析

功率放大器的调试需要注意很多因素。首先要熟悉测试仪器的操作使用, 其次要注意功放管的过流、过压和自激振荡。LDMOS管的栅极很容易发生静电击穿而导致器件损坏, 因此在调试的时候注意防静电, 在焊接时电烙铁保证接地良好, 防止功放管损坏。通过认真的设计, 仔细的调试, 使得最终的功率放大器基本达到了预期的指标要求。

4 结束语

此次设计的70 ~ 300 MHz的功率放大器是根据系统需求而设计, 难点在于在较小的体积和超宽频带内实现大功率输出。在电路的设计中, 功率管的外围匹配电路布局非常重要, 而且由于是大功率器件, 需要充分考虑各级功率管之间的空间干扰及自激效应, 必要时采用分腔结构设计或金属挡板隔离设计。确保各器件接地良好。通过对电路进行精心设计, 合理选择器件, 准确的仿真最终实现了该功率放大器, 满足了系统的指标要求。通过此设计, 总结出了一些大功率条件下的超宽带匹配电路的经验。

参考文献

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