功率放大器（精选十篇）
功率放大器 篇1
Hi-Fi功放与AV功放是目前家用功放中的两个主要类别。这两类功放用于不同的用途, 设计的侧重也不同。Hi-Fi功放用于欣赏音乐, 使用者追求的是尽可能的“原汁原味”。而AV功放的使用者追求的是与画面相配合的“现场”效果, 甚至是夸张了的“现场”效果。这两类功放不宜直接比较孰优孰劣, 比如价位同为三千多元的Hi-Fi功放与AV功放, Hi-Fi功放的成本投入只在两个声道上, 而AV功放的成本投入则要兼顾5-6个声道, 还要具有一定的效果处理功能, 如果仅看其两个主声道的投入, 肯定低于Hi-Fi功放两个声道的投入, 其放音效果的差异是显而易见的。但是无论是Hi-Fi功放还是AV功放, 都有高档精品型与超值普及型之分, 比如天龙的AVC-A1型AV功放, 当其用于音乐放音时, 其音效不会比一台四、五千元的Hi-Fi功放逊色。
一般来说, 很难能有一台可以对Hi-Fi、AV全兼容的AV功放, AV功放兼顾Hi-Fi音乐欣赏是有条件的, 这一条件就是使用者欣赏音乐时的要求与标准, 如果使用者仅是用来欣赏一些休闲音乐或是只要求能够听到乐曲的旋律, AV功放是比较容易满足的, 但如果对音乐欣赏有较高的要求, 一般的AV功放就难于满足了。
Hi-Fi欣赏的功放可以分作晶体管功放和电子管功放两大类, 以前还有用集成电路或是模块电路的Hi-Fi功放, 但是现在已经不多见了。晶体管功放和电子管功放并不存在着优劣的差异, 只不过应用的器件不同 (一是晶体管, 另一是电子管) , 其物理基理与电路特点也不相同。电子管的电流是电子在真空中受电场力的吸引, 运动形成的。而晶体管的电流是半导体元素的外层电子在电场力的作用下转移位置形成的。这种物理基理的不同, 造成在实际应用中电路特点也不同。相对来说, 电子管功放的工作电压较高, 但工作电流比较小, 而晶体管功放的工作电压较低, 工作电流比较大。电子管功放与晶体管功放的音色确是有一定的差异, 两者对瞬态信号的响应也不相同。这种不同都又分别适应了不同类别的音乐和不同的音乐欣赏者, 所以目前的Hi-Fi功放中形成了晶体管功放和电子管功放并存的情况。不过, 若是就品牌、型号、数量而言, 晶体管功放所占的份额仍是绝对大于电子管功放。
晶体管功放输出级晶体管的工作状态, 可以分为甲类功放与乙类功放。所谓甲类, 是指使输出级晶体管在正弦交流信号的正负半周时均工作在线性区, 而乙类则是仅使输出级的晶体管在正弦交流信号的正半周 (或是负半周) 工作在线性区。由于输出级晶体管的工作状态不同, 输出级的电源利用效率 (即输出功放与耗电功率之比) 也不同。在实用的输出电路中, 乙类的效率要比甲类的效率高2-3倍。比如马兰士PM80晶体管功放, 在确定的供电电源条件下, 工作在乙类时输出功率有100W, 而在甲类时只有20W。甲类功放不存在交越失真, 而且不论实际输出功率大小, 输出级晶体的内阻均为恒定。而乙类功放总会有一定的交越失真 (尽管这种失真可能极小) , 另外在大输出时输出级晶体管的内阻较小, 但在小输出时输出级晶体管的内阻却比较大。这些不同, 造成听感上也有不同, 甲类功放的声音相对乙类功放而言比较柔和, 另外对音箱的低频控制力也比乙类功放强, 尤其是在小音量时低音的质感要好一些。甲类功放的这些特点, 使得甲类功放在实际应用中不需要很大的输出功率余量, 一台20-30W的甲类功放已经能够把大多数的音箱推动得很不错了。
前面提到了甲类功放的电源效率低, 这一原因造成甲类功放工作时要散发大量的热量。为了使晶体管的工作温度不超过一定限度, 需要较大体积和面积的散热器, 这使得甲类功放的体积、重量都比较大。比如KRELL的KSD-50S甲类功放, 输出为50W+50W, 重量却有近30Kg, 马兰士PM-80在工作状态下输出为20W+20W, 重量也有13Kg。
常见的功放都是把放大小信号的前置放大器 (前级) 与功率放大器 (后级) 做在一个机壳中, 这种功放常被称为“合并功放”。合并功放使用方便, 又有比较好的性价比。但这种合并功放有一些固有的缺点, 其中最不好克服的就是前级与后级之间的相互干扰问题了。为了解决这一问题, 便把前级与后级分别做在两个机壳中, 这样就有了纯后级功放。大多的纯后级功放都是双声道的结构形式, 但这种结构形式使得两个声道相互干扰, 问题又不太好解决, 为了解决两个声道相互间的干扰便又出现了把两个声道分开的单声道纯后级功放。
把功率放大器分割开来, 最主要的目的是要提高功放的素质, 而不是追求这种形式。如果仅仅在形式上实现了相互分开, 尽管可以解决相互干扰问题, 但其他参数并未明显改善, 那么这种分开对功放提高整体素质来说还是有限的。对于大多数的纯后级功放和单声道功放来说, 都需要配接一台前级, 因为纯后级功放与单声道功放是为了提高功放素质出现的, 所以对前级的素质要求也应与其相适应。
功率放大器有晶体管与电子管之分, 前级同样也有晶体管和电子管之分。对于音响爱好者与音乐爱好者而言, 在选用前级与后级上有多种的组合形式, 而不同的组合形式又有不同的音效特点, 这使得用户又多了一些选配组合, 与纯后级功放配接的前级对整个音响系统的优劣影响比较大。首先它必须具有一定的素质, 否则纯后级或是单声道的优点便发挥不出来, 甚至有可能把一台劣质前级的“毛病”突现出来, 使整体音效反而更差了。其次, 不同的前级后级配合其音色特点不同, 使用者可以根据个人的偏爱选择不同的组合配接形式, 比如, 很多音响与音乐爱好者就喜欢用“胆前、石后” (即电子管前级, 晶体管后级) 的组合方式, 觉得这样组合既发挥了晶体管后级功率输出大, 瞬态响应好的特点, 又领略了电子管前级音色甜美、醇厚的“韵味”。不过这种搭配也并不是“金科玉律”, 因为具体的前级与后级都有各自的特点, 而对音色的偏爱又因人而异, 使用者可以依据具体的情况找出自己所喜爱的组合方式。
Hi-Fi功放应有的输出功率受很多因素影响。首先这一输出功率与所配接的音箱关系较大, 其次还与功放的自身素质有关, 最后与所使用的环境空间体积、吸音物体有关。
音箱有一项参数叫做灵敏度, 它的单位是d B/m·W, 所代表的意义是当音箱得到1W的电功率时距离音箱1m处产生的声压 (d B) 。某款音箱的灵敏度是90d B, 在1m处得到90d B的声压需有1W的功率来推动;要得到100d B的声压, 则需要10W的功率。但如果音箱的灵敏度是80d B (如ATC的SCM-10) , 它要想达到100d B的声压, 就需要100W的功率放大器来推动了。现实生活中, 大多数音箱的灵敏度约为85-90d B, 对这些音箱来说, 10-30W的不失真功率就能够提供足够的声压了。
功放自身的素质, 与功放应有的输出功率关系较大。功放的参数中有一项称为阻尼系数, 这是表示对音箱控制能力的一项参数, 但这一参数有一个适度范围, 而且又和具体的音箱有直接关系。一般, 如果一台功放的素质很好, 在30W输出时仍能保持其性能参数在一定的水准。那么就没有必要去要求功放有更大的功率输出。可是如果功放的素质不很理想, 当输出功率增加时会引起其性能参数的劣化, 那么就应当使功放的输出功率有一定的余量, 以保证在实用的输出功率下仍有一定的良好参数。通常情况下, 当功放为甲类输出或是电子管功放, 则不需要有过多的输出功率余量, 20-30W的输出功率已经够用了。但如果是乙类功放或是素质较差的功放, 这时应使功放的输出功率有较大的余量。另外, 如果配接的音箱是大型倒相式, 也应使功放有较大的输出功率余量。在从功放自身的素质考虑功放应有的输出功率时, 将功率余量选得大些确实能改善功放与音箱的适配情况。
但这里还是要明确一下, 选择输出功率较大的功放主要的意义, 不是因为我们需要那样大的声压, 而是要改善功放对音箱的适配状态。如果一台输出功率适度的功放已经能够把音箱控制得得心应手, 那么就没有必要对这台功放提出更高的输出功率要求。
使用环境, 也就是房间的空间体积与功放应输出的功率也有一定的关系, 以上所谈及的输出功率大小, 是以房间的空间体积40平方米以下而言, 如果房间的空间体积较大, 那么功放的输出功率则应加大一些。
吸音物体是指建筑物墙面装饰材料、墙面形状体、人数以及空气中的干湿度都会对音媒产生影响, 这就是人们通常说的“声音吸收”。
电子管功放输出级的特点。电子管功放的功率输出级有三种电路类型, 第一类是有输出变压器的推挽输出电路。这类输出电路类型在电子管功放中占了绝大多数。在推挽电路中的输出变压器中直流成分很少, 二次谐波失真也很小, 这类电路的输出功率可以做得比较大, 所以适用范围也比较大。一般说对胆机音色有兴趣的音响爱好者来说, 这类输出级的胆机很合适。不过这类功放的输出变压器的设计与工艺至关重要, 如果输出变压器的设计与工艺上有不足之处, 往往这类功放的频率响应、瞬态响应就不太理想。另外由于输出变压器的制约, 所以配接音箱的适应范围较小。
第二类功率输出级的电路类型是单端甲类电路。这类电路也有变压器, 但这类电路的输出变压器中有很大的直流成分, 对输出变压器的要求比推挽输出电路中输出变压的要求要高。另外对供电电源的要求也比较高。这类输出电路的特点是二次谐波成分比较多, 尽管这是一种谐波失真, 但对音乐信号来说二次谐波是高度的谐合音, 所以听起来很入耳。这一特点使得这种输出电路的功放在声音的音色上很有特点, 尤其是当功放级采用三极管时人声听起来很甜美, 室内乐中的弦乐听起来也很细腻, 或者说这类功放的声音很有味道。但是这类功放的输出功率不容易做得大, 所以如果配用的音箱灵敏度较低, 在放送大型管弦乐曲时就比较勉强了。这类电子管功放都很受一些音响玩家的欢迎, 往往在备有一台大功率晶体管功放之外, 又备有一台此类功放, 想来是在音色上互有所补, 不过这也说明此类功放的音色特点确有动人之处。第三类电子管功放的输出级电路是OTL电路。所谓OTL电路就是无输出变压器电路。现代的晶体管功放输出级几乎全是OTL电路或是OTL电路的改进型。电子管和晶体管的特性参数与工作状态不同, 晶体管功放很容易适合配阻抗为4-8欧姆的音箱, 而电子管功放要想不需要输出变压器去适配4-8欧姆的音箱就要费些周折了。电子管OTL功放由于去掉了输出变压器, 所以在技术参数上比前面提到的那两类电路有很大的提高, 这类输出电路的功放声音极有特色, 和前面两类输出电路相比, 它有宏伟的气势和宽阔的声场, 和晶体管功放相比它的音色又温暖、细腻。这类功放由于没有输出变压器, 所以能够适应较宽范围的音箱阻抗。但是这类输出级的功放电源效率低, 设计、工艺、调试都比较复杂, 目前这类输出电路的功放仅见于一些高档机种, 很难见到低价位的普及型机种。
参考文献
[1]、王以真.实用扩声技术[M].国防工业出版社, 2004.
高频功率放大器实验 篇2
课程名称：
高频电子线路实验
指导老师：
韩杰、龚淑君
成绩：__________________ 实验名称：
高频功率放大器
实验类型：
验证型实验
同组学生姓名：
_
一、实验目的和要求（必填）
二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）
四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理
六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的
1、了解高频功率放大器的主要技术指标——输出功率、中心频率、末级集电极效率、稳定增益或输入功率、线性动态范围等基本概念，掌握实现这些指标的功率放大器基本设计方法，包括输入、输出阻抗匹配电路设计，回路及滤波器参数设计，功率管的安全保护，偏置方式及放大器防自激考虑等。
2、掌握高频功率放大器选频回路、滤波器的调谐，工作状态（通角）的调整，输入、输出阻抗匹配调整，功率、效率、增益及线性动态范围等主要技术指标的测试方法和技能。
二、实验原理
高频功率放大器实验电路原理图如下图图1所示。电路中电阻、电容元件基本上都采用贴片封装形式。放大电路分为三级，均为共射工作，中心频率约为10MHz。
图1 高频功率放大器
第一极（前置级）管子T1采用9018或9013，工作于甲类，集电极回路调谐于中心频率。第二级（驱动级）管子T2采用3DG130C，其工作状态为丙类工作，通角可调。通角在45°~60°时效率最高。调整RW1时，用示波器在测试点P2可看到集电极电流脉冲波形宽度的变化，并可估测通角的大小。第二级集电极回路也调谐于中心频率。第三级（输出级）管子T3也采用3DG130C，工作于丙类，通角调在60°~70°左右。输出端接有T形带通滤波器和π型阻抗变换器，具有较好的基波选择性、高次谐波抑制和阻抗匹配性能。改变短路器开关K1~K4可观看滤波器的失谐状态，为保证T3管子安全，调整时应适当降低电源电压或减小激励幅度。改变K5、K6可影响T3与51Ω负载的匹配状态。匹配时，51Ω负载上得到最大不失真功率为200mW左右，二次谐波抑制优于20dB，三级总增益不小于20dB，末级集电极到负载上的净效率可达30%左右，考虑滤波匹配网络的插入损耗，集电极效率可达40%以上。开关K8只有在接通后才能使功放达到预定效率，但实验时，为了使R16对末级管子T3起到限流保护作用，K8不要接通，而R16上的电压降也不必扣除，这只使功放总效率略有降低。电源开关K7用于防止稳压电源开机或关机时电压上冲导致末级功放管损坏。
三、主要仪器设备
10MHz高频功率放大器实验板、BT3C（或NW1252）扫频仪、高频信号发生器（QF1056B或EE1461）、示波器、超高频毫伏表（DA22）、直流稳压电源（电压5~15V连续可调，电流1A）、500型万用表（或数字万用表
四、实验内容和步骤
主要测试指标：功率、效率、线性动态范围 实验准备与仪器设置
1、实验板：
开关K7用于防止稳压电源开机或关机时电压上冲导致末级功放管损坏，所以稳压电源开机或关机前，开关K7必须置于关闭（向下）；
短路开关置于K1、K3、K6、K9、K10，否则滤波器失谐，影响T3与51Ω负载的匹配状态，从而影响实验结果。
2、电源：
为保证T3管子安全，电源电压最高不超过+15V，实验时设置为+14.5V~+15V。
实验内容与步骤
4）用信号源及示波器测功放输出功率及功率增益
（1）适当改变信号幅度（200~300mV左右），使51Ω负载上得到额定功率200mW。
（2）在测试点P2观察电流脉冲，宽度应为周期的1/3左右。
（3）从输入输出信号幅度求得功放的（转换）功率增益。
（4）比较滤波器输入输出幅度，估计滤波器插入衰减。
5）用双踪示波器观察电流电压波形
（1）比较功放末级发射极电流脉冲波形和负载上基波电压波形的相位。（2）比较功放第二级发射极电流脉冲波形与集电极电压基波波形的相位，并分别画出波形。
6）高频功放效率（主要是末级）的调试与测量
（1）用示波器观看第二级发射极电阻电流脉冲宽度。
（2）用示波器在第三级功放发射极电阻上观看其电流脉冲波形。
8）功放线性观察
(1)调幅波通过功率放大器
将中心频率为10MHz、调制度为60%的调幅信号电压加到功放输入端，适当调整输入信号幅度（200mV），使51Ω负载上输出调幅波峰值功率不超过功放额定功率200mW，用双踪
示波器比较输入、输出调幅波的波形并加以说明。
(2)调频波通过功率放大器
将中心频率为10MHz的调频波（频偏60KHz）输入功放，调节信号幅度使负载上调频信号功率不超过功放额定功率，比较输入、输出调频波的波形并加以说明。
五、实验数据记录和处理
1、用信号源及示波器测功放输出功率及功率增益
（1）适当改变信号幅度（200~300mV左右），使51Ω负载上得到额定功率200mW。
本次实验采用的电路板，当输入信号幅度为350mv时，51Ω负载上可以达到200mW的额定功率，此时负载两端输出电压峰峰值为9.02V。
当输入信号幅度为350mW时，负载两端波形如下所示：
由图可知此时波形峰峰值为9.02V，与理论计算的9.03V十分接近，所以实验数据可靠。
（2）测试点P2的电流脉冲： 已测：频率为10MHz，周期为T=100ns，电流脉冲宽度为43ns，约为周期的1/3。
（3）功放的（转换）功率增益：
∵VPP-in=300mV*2=0.6V
Vpp-out=9.03V
又输入输出阻抗匹配
2Vpp9.032out∴功率增益：A10lg210lg23.55dB2Vppin0.6
上述结果满足实验原理中三级总增益不小于20dB的结论。
（4）比较滤波器输入输出幅度，估计滤波器插入衰减。
滤波器输入：信号峰峰值= 2.01V
滤波器之后的输出峰峰值=1.27V 插入损耗为：20*lg（1.27/2.01）=-3.99db
2、用双踪示波器观察电流电压波形。
（1）功放末级发射极电流脉冲波形的相位与负载上基波电压波形的相位比较：
由上图可知，两者之间的相位差约为180度。
（2）功放第二级发射极电流脉冲波形与集电极电压基波波形的相位比较：
根据波形比较可知，两者之间的波形相位相差180度。
3、高频功放频率（主要是末级）的调试与测量
（1）第二级发射极电阻电流脉冲宽度：
第二级发射极电流脉冲宽度约为42ns
（2）第三级功放发射极电阻上观察电流脉冲波形：
4、功放线性观察：
（1）输入、输出调幅波的波形：
如图可以看出，输出调幅波与输入调幅波相比较，可知输入调幅波通过高频功放之后波形产生了很大的失真。
（2）输入、输出调频波的波形：
如图所示，通过高频功率放大器之后调频波的输入输出波形并没有太大的差别（均为正弦波），只是输出波形稍微有些失真，但是并不明显。
六、实验结果与分析
1、用信号源及示波器测功放输出功率及功率增益
实验中，通过调节变阻器的值调节电路，最终当输入信号幅度取到300mV时，51Ω负载上得到的功率为200mW。由于实验中T2管子工作状态为丙类，即为C类高频功放，导通角约为60度，因此在发射极P2测试点测得的电流脉冲为周期T的1/3左右（60°/180°=1/3）。比较滤波器的输入输出波形可以看出，功率增益为23.55dB，满足三级功放的功率增益不小于20dB，插入的滤波器可以将C类放大器引起的非线性失真补偿，这是因为T形带通滤波器和π型阻抗变换器具有较好的基波选择性、高次谐波抑制和阻抗匹配性能，但同时付出了增加插入损耗的代价。实验中测得滤波器的插入损耗为
dB。
2、用双踪示波器观察电流电压波形
比较功放第2级发射极P2电流脉冲波形与集电极P3电压基波波形的相位，发现相位差约为180度，这与三极管的反相特性吻合；当比较功放末级发射极P4电流脉冲波形与负载上基波电压波形的相位，发现相差也为180度。
3、高频功放频率的调试与测量
通过观察高频功放末级发射极上电流脉冲波形，发现仍然存在失真，脉冲宽度约为一周期的0.4，但是信号的幅度与第二级发射极电流脉冲来讲已经被放大了。
4、功放线性观察
试验中分别观察了调幅波通过高频功放与调频波通过高频功放之后的失真，发现调幅失真度比调频的失真度要大很多，这是因为实验中T2T3均为C类放大器，是属于非线性放大器，不适合放大为非恒定包络的已调信号。对于普通调幅波信号，C类放大器对幅度不同的输入信号的导通角不同，输出电流基波分量的幅度与导通角成非线性关系，使得输出电压幅度的包络与输入电压包络不成正比，从而产生较大失真，而调频信号适合使用C类高频功放，因此输入输出波形没有太大差别。
八、思考题
1、简述放大器分类以及各类放大器的区别与应用？
答：功率放大器根据输出功率与效率不同，分为A、B、C、D、E等几类。
按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角的大小，功率放大器可分为A、B、C三类。在信号一周期内管子均导通，导通角为180°，称为A类放大器，理想效率为50%，负载为电阻。一周期内只有一半导通的称为B类放大器，导通角为90°，理想效率为78.5%，电路一般采用两个管子轮流导通的推挽形式。AB类放大器介于A、B类两者之间，导通角为90°~180°，理想效率为50%~78.5%，电路同样采用推挽形式。而导通时间小于一半周期的成为C类放大器，即导通角小于90°，理想效率大于78.5%。
如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大类，它们的晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E属于另一类功放，它们的晶体管被等效为受输入信号控制的开关，导通角都近似为90°，都属于高效率的非线性功率放大器。
对于音频功率放大器，目前使用最多的是AB 类功放，这类功放优点是音质较好，缺点是它的平均效率不高，大约40%左右，在大音量时整机温升较高。因此许多电子工作者设计了其他种类的音频功率放大器，如G类功放。G类功率放大器设计基本思想是，当功放输出幅度较小时功放末级供电采用低电压，当输出幅度升高时功放末级供电采用较高一些电压，如输出幅度继续升高时，功放末级供电再用更高一些电压，这样就减小了信号小幅度下的管耗，大大提高了整机效率。采用数字切换电源方式的G类功放的功率管功耗很低，带来的好处是整机发热大大降低，提高了电路的可靠性，减小了电源的功率和功率管散热片的大小，而音质又与AB 类功放差不多，是很值得推广的一种音频功率放大器。
2、当高频功放负载电阻发生短路或开路时，功放管会发生什么危险？
答：当负载短路时会使功放管烧毁，当负载开路时会使功放管击穿。
3、当高频功放集电极回路或滤波器电路严重失谐时，功放管可能出现什么危险，为什么？
答：功放管可能因集电极电流过大而烧毁，也可能因集电极脉冲电压过大而击穿。具体情况与激励幅度、信号频率、回路或滤波器阻抗、Q值、失谐量、阻抗变换比、电源电压等因素有关。
4、当高频功放激励幅度过大或过小时，会产生什么不良后果？
答：若高频功放管激励幅度过小时，则输出功率太小，观察不明显，容易与噪声混淆。若输入信号激励过大时则可能会产生波形的失真、模糊等现象，即出现寄生调制，间歇振荡或高频自激等，从而可能使得功放管烧毁或击穿。
5、调节RW1减小功放第二级导通角时，功放总幅频特性会发生什么变化，为什么？导通角改变对功放管安全性有什么影响？
答：当调节RW1减小功放第二级导通角时，可能使功放总特性输出幅度升高，而带宽变窄，并在中心频率的1/
2、1/
3、1/4……处产生增益。因为导通角减小时，管子阻抗升高，从而使得贿赂的损耗减小，Q值升高，进而使得功放级等效阻抗升高，电压增益升高，线性动态范围减小，因而出现严重非线性失真，即在中心频率1/
2、1/3……处出现明显的高次谐波输出。这会使得末级功放容易被击穿，并可能在带外产生严重的杂波辐射，对其他射频信号产生干扰。
6、高频功放电源电压应如何选定？若外接负载固定为50Ω，为得到最大输出功率，甲类、乙类高频功放的输出阻抗匹配应如何考虑？
答：高频功放电源电压一般小于BVCEO/2（30/2V=15V），并尽可能采用通用标准直流电压，即功放调谐后，电源电压最高不超过15V。为了提高功率，功放末级管子T3采用3DG130C，工作于丙类，通角在60°~70°左右，此时集电极匹配负载阻抗约为（2.5~3）BVCEO/ICM，再将50Ω负载阻抗转换成这个值即可。末级功放甲类、乙类工作时，上述阻抗括号内数字为1和2。
8、如何提高高频功放的稳定功率增益？
答：根据公式
功放管稳定功率增益与管子的工作点及稳定系数大小有关，当满足绝对稳定条件： |K|>
1、|S11|<
1、|S22|<1时，只要输入输出端满足阻抗共轭匹配，即可达到最大稳定功率增益。然而大多数管子不满足绝对稳定条件，因而通常只在输入端实行共轭匹配，而输出端失配，失配负载阻抗可能有两个值，也可能有一个值或者没有值。如有两个值，则可根据其他指标作出选择；如只有一个值，则没有选择余地；如没有稳定失配阻抗值，则应改变工作点，电源电压或跟换管子。稳定失配负载电阻为：
式子中Vsat为管子高频饱和压降（比直流饱和压降大很多，测试方法为：输入额定功率，监视输出电压或功率，逐渐降低VCC至电压或功率开始下跌时，记下VCC值，并测出输出电压幅值Vom，则Vsat=、VCC-Vom。
9、高频功放的实际功率增益如何测量？
答：高频功放的实际功率增益测量,主要是不匹配输入阻抗实部Rin的测量。方法有开路(高阻为近似开路)法,等效 阻抗置换法及电流取样法等。
1）开路法最简单信号源内阻Rs通常为50Ω已知，加上额定激励幅度Uin（注意输入回路调谐），再断开后测信号源开路电势E，则Rin=UinRs/（E-Uin），Pin=Uin/Rin，实际功率增益Kp=Pout/Pin。
2）等效阻抗置换法稍麻烦，既要保证管子输入端回路
调谐，又要调整等效电阻大小，使电阻上电压与管子额定输入电压幅度相等。
3）电流取样法需要在输入端调谐后串接一个小电阻R，测出电阻两端电压差Vin-Vin，求出电流Iin=（Vin-Vin）/R，则Pin=VinIin，实际功率增益Kp=Pout/Pin=PoutR/Uin（Vin-Vin）。
10、怎样防止高频功放自激？
答：预防功放自激措施如下所示。
1）选择合适的管子参数（功率PcM、电流IcM、频率fT、耐压BVce0等； 2）选择合适的工作状态（电源电压、导通角（60~70º））； 3）正确选择电路形式；
4）正确设计电路参数，特别是回路阻抗、带宽及扼流圈电感量等，并根据绝对稳定条件，充分留有稳定性余量；
5）准确测出管子S参数，并适当修正设计参数；
6）正确设计结构布局，充分缩短电路走线和元件引线（特别是管子发射极引线）长度，减少元件之间的分布电容，级间双电容宽带去耦、级间及总体屏蔽，采用大面积地线及就近接地；
7）准确调谐频率和调整信号激励幅度；
8）微带功放要采用较薄、高 εr的氧化铍陶瓷基板，采用加散热器、风冷等稳定措施，进行低频滤波，采用低频短路负载等。
11、用3DG130C管设计一个5MHz高频功放，负载为50Ω，输出功率200mW，功率增益大于20dB，二次谐波抑制优于20dB，末级放大器到负载净效率大于35%，电源电压为12~15V。
答：电路的设计与本次实验及其类似，但是几个元器件的工作参数发生了变换，具体参数如下： 1.第一级
1）管子：9013（fT 300MHz，PcM 700mW，BVce0实测 ≥30V）2）工作状态：甲类 2.第二级
1）管子：3DG130C（fT≥300MHz，IcM≥300mA，PcM≥700mW，BVce0≥30V，实测≥30V）
2）工作状态：丙类-乙类-甲乙类-甲类连续可调。3.第三级
1）管子： 3DG130C（参数同第二级）2）工作状态：
丙类通角：60~70°
集电极负载：300Ω
最大输出功率：约300mW
集电极效率：约35% 3）滤波器 ：
最平型带通T型3级（视谐波抑制指标而定）
中心频率：
5MHz
相对带宽（2Δf/f。）：约0.05~0.1
终端阻抗:
200~300Ω
插入损耗:
约3~5dB 4)π型导纳变换器:
特征阻抗:
音频功率放大器的分类和界定 篇3
【关键词】模拟音频功率放大器；数字音频功率放大器；音响设备
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.005
【Abstract】Digital audio technology is the future development tendency， and pure analog audio equipment must be in the museum. Under this trend， the audio power amplifier was divided into three types of simulation， digital and digital additional simulation entrance， the main definition points of the three were expounded， and the third class is expected to become the mainstream of non-professional audio equipment.
【Key Words】analog audio power amplifier； digital audio power amplifier； audio equipment
音频功率放大器简称音频功放，是扩声系统不可缺少的音响设备。100多年来，它经历了从A类到D类以及T类等类型的发展变迁，经历了从模拟到数字的飞跃。在当前数字技术飞速发展的浪潮中，又出现了“数字功放”、“纯数字功放”的产品。作为消费者，究竟如何认识生产厂商推出的这些类型产品？如何面对和选择这些产品？下文根据模拟和数字技术的基本原理，结合模拟和数字音频功率放大器的发展历程，简要阐述音频功率放大器的分类和分类的界定要点，解答这些问题，供读者参考。
1 认识模拟和数字信号及模数功率放大器界定要点
在自然界中，人们可以感知的，在时间和幅值上都是连续的物理量称为模拟信号，例如声音、温度等；使用传感器将这样的物理量转变成为电信号，这种连续变化的电信号也还是模拟信号，模拟信号的波形如图1所示。将这种模拟电信号进行放大、存储、传输、处理与交换是模拟电子技术；处理模拟信号的电路称为模拟电路。采用传声器将声音转变成的电信号是模拟信号，将它进行滤波、均衡、放大后驱动扬声器，所有处理环节都是模拟电路，这就是模拟音频功率放大器。模拟信号不易传输、计算和存储，很容易受干扰，这是它的不足。
由此可知，模拟信号是时间和幅度都连续的信号，从输入到输出都放大这种连续信号，就是模拟功率放大器。这是界定模拟放大器的依据，其中，从输入到输出的全过程、放大的信号是连续信号和具有放大作用是界定的3个要点。
与模拟信号不同，数字信号是时间与幅度都不连续的离散信号，是一串分离的脉冲数据，如图2所示。将时间和幅度都连续的模拟信号变换为不连续的数字信号，这种变换称为模拟信号数字化，即模数转换，表示为ADC（Analogue Digital Conversion），常用A/D简化表示。将时间和幅度上连续变化的声音信号变换为数字信号，就是音频信号数字化，简称为PCM（Pulse-code modulation），或称脉冲编码调制。当需要把数字信号经解码转换回连续的时间连续变化的幅值的模拟信号，这个变换称为数模转换，即DAC（Digital Analogue Conversion），常用D/A简化表示。数字信号易传输、计算和存储，抗干扰能力强，具有很大的优越性。
由此可知，数字信号是时间和幅度都不连续的离散信号，从输入到输出都放大这种不连续的信号，就是数字功率放大器，这是界定数字功率放大器的依据，其中的从输入到输出的全过程、放大的信号是不连续信号和具有放大作用是界定的3个要点。
以音频功率放大器的信号类型对音频功率放大器进行分类，也就是功率放大器放大的信号是连续的模拟信号还是离散的数字信号，从这个角度分类，则音频功率放大器就是两大类：模拟功率放大器和数字功率放大器。
2 曾经的骄子——模拟音频功率放大器
自从1906年美国人德福雷斯特发明真空三极管开始，模拟音频功率放大器的历史已经有100多年了； 1964年又有晶体管问世，之后出现了集成电路。在这一个多世纪的发展征途中，人类在不断地追求高保真、高功率、高效率和小体积，向着完美的目标孜孜以求。在这种不懈的追求中，模拟音频功率放大器相继出现了A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）等，AB类则是模拟音频功率放大器的顶峰。
1927年贝尔实验室发明了负反馈技术，高保真放大使模拟电子技术进入了一个崭新的时代，也使模拟音频功率放大器得到了长足的发展，至20世纪50年代，电子管音频功率放大器达到了鼎盛时期，因它的音色甜美、圆润，至今仍为一些发烧友所偏爱。这种负反馈技术又应用于晶体管及集成电路中，相继出现了A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）等多种类型的模拟音频功率放大器，尤其是AB类音频功率放大器的优越性能，使模拟功率放大器成为世之骄子，至今还在广泛应用，在专业音响领域仍然占据统治地位。
表1列出了3类模拟音频功率放大器的主要性能比较。B类效率高而失真大，是注定要淘汰的；AB类效率不高、体积大，是其最大缺点。克服这些缺点成为发展的动力，因而促成了数字音频功率放大器的问世。
3 当代的宠儿——数字音频功率放大器
1959年，Baxandall先生开创性地提出了音频功率放大器D类工作模式，打破了电子管模拟音频功率放大器一统天下的正值鼎盛格局，成为人类追求音频功率放大器高效率的一次飞跃，开创了音频功率放大器后起之秀的家族——数字家族。它的优势吸引了世界上一批又一批电声科技工作者从事这一研究，经过50多年前仆后继的努力，形成了D类音频功率放大器，将音频功率放大器从模拟时代推进到了数字时代。
D类音频功率放大器是将输入的模拟音频信号变换成PWM（脉冲调宽信号），然后用PWM去控制大功率开关晶体管的通/断，实现PWM的功率放大，其脉冲输出通过一个低通滤波器以后，可以将音频信号还原重现。这种功率放大器的理论效率为100%，由于晶体管器件原因，为保证高保真，实际的功放效率85%以上，现有92%的产品问世[1]。其高效率使其体积大大降低。因为其输入口是模拟信号，输入级要放大或处理模拟信号，如果信号过大，可能会产生失真。依据界定要点，其从输入到输出的全过程不是都放大不连续的数字信号，其输入级是放大连续的模拟信号，因此并不是真正的数字音频功率放大器。1998年10月，成都天奥公司在“第四届国产音响器材大展”上推出了这种产品，称之为“数字功放”。同年，美国TACTaudio公司也发布了这种产品[2]，本文中依据这种音频功率放大器的起源，将其称为“D类数字音频功率放大器”，图3为其工作原理方框图。
1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字音频功率放大器的基本结构，技术要点是如何把PCM信号变成PWM[2]。这是数字音频功率放大器发展史上的里程碑，PCM与PWM放大相结合，才产生了真正的数字功率放大器。生产厂商将其称之为“全数字功放”、或“纯数字功放”，以区别于前者。2000年4月， 在第八届上海国际影视展览会上，成都天奥公司和美国TACTaudio公司两家展出了全数字音频功放的产品，成为那次大展技术创新的亮点[2]。本文中依据这种音频功率放大器的起源，也为了区别于模拟入口的D类数字音频功率放大器，将其称为“PCM数字音频功率放大器”，图4为其工作原理方框图。
由于数字音频功率放大器的诸多优点，如效率高、功率大、高保真、体积小、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传输干扰等，在PCM数字音源已经大量普及的今天，数字音频功率放大器的出现，自然会取代现有的模拟音频功率放大器，成为当代的宠儿。
数字音频功率放大器不仅仅能应用在家庭影院系统、高保真重放系统；同时也可应用到特别需要省电、体积小的地方，如数字电视、汽车音响设备、便携听音设备、甚至是移动电话等设备。可以说，数字音频功率放大器的应用十分广泛，既可用来做上千瓦功率输出的专业功率放大器，也可以用来做几十毫瓦的便携机。
4 当代的主流——数字附加模拟入口的音频功率放大器
人耳是模拟器件，也是数字器件。当两个时间相差30 ms以内的不连续的声音信号进入人耳时，耳朵是分辨不出先后的，认为信号是连续的，这是哈斯效应，也可以说人耳具有接收数字信号的功能。人的声带是模拟器件，发出的声音是连续的信号。音响技术离不开声带的发声和耳朵的听觉，也就是离不开模拟信号。因此，音响系统的入口是模拟信号，出口还是模拟信号。这种现场环境就决定了音响系统的数字技术只能存在于入口与出口之间，是一种中间应用技术，与数字音源、数字设备连接的“纯数字功放”只适用于专业音响领域。
许多中小型扩声现场，如会议室、多功能厅、卡拉OK、家庭娱乐等，都离不开传声器，离不开模拟入口。这些场所的最佳选择是数字音频功率放大器附加模拟入口，其PCM数字入口可以和各种数字设备、数字音源连接，其模拟入口可以和传声器、模拟设备、模拟音源直接连接，使用非常方便。因此，数字音频功率放大器附加模拟入口需求量很大，成为主流产品，具有广阔的市场，图5为其原理方框图。基于这种原因，本文中将其另列一类，称为“PCM-D数字音频功率放大器”，以区别于PCM纯数字音频功率放大器。
5 结语
集成功率放大器及其应用 篇4
集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的, 其内部电路与集成运放相似, 但是其安全、高效、大功率和低失真的要求, 使得它与集成运放又有很大的不同。集成功率放大器电路内部多施加深度负反馈。
由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小, 并有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能, 所以使用非常广泛。集成功率放大器广泛应用于收录机、电视机、大功率电路、伺服放大电路中, 输出功率由几百毫瓦到几十瓦。
集成功率放大器的种类很多。按照制造工艺分为薄膜混合集成功率放大器和厚膜集成功率放大器;按照芯片内部的电路构成分为单通道功率放大器和双通道功率放大器;按照频率高低分为高频功率放大器和低频功率放大器;按照使用场合分为通用型和专用型两大类, 通用型是指可以应用于多种场合的功率放大器, 专用型是指只应用于某种特定场合的功率放大器, 如电视机、音响设备等集成功率放大器。
2 集成功率放大器的特点
集成功率放大器的芯片和集成运放的芯片一样, 对于不同规格、型号的集成功率放大器, 其内部组成电路千差万别, 但其内部总体上主要包括前置级、中间级、输出级、偏置电路等四部分电路。主要有LM386、TDA2030A、LA4100等单片集成音频功率放大器。
TDA2030A是一块性能十分优良的功率放大集成电路, 其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小, 在目前流行的数十种功率放大集成电路中, 规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030A在内的几种。
TDA2030A集成电路的另一特点是输出功率大, 而保护性能比较完善。根据掌握的资料, 在各国生产的单片集成电路中, 输出功率最大的不过20W, 而TDA2030A的输出功率却能达18W, 若使用两块电路组成BTL电路, 输出功率可增至35W。
TDA2030A集成电路的第三个特点是外围电路简单, 使用方便。在现有的各种功率集成电路中, 它的管脚属于最少的一类, 总共才5个。TDA2030A的实物图和引脚排列图如图1所示, 1脚是正向输入端;2脚是反向输入端;3脚是负电源输入端;4脚是功率输出端;5脚是正电源输入端。
3 TDA2030A的典型应用电路
3.1 TDA2030A OCL应用电路
如图2所示, 输入信号ui从同相端输入, R2、R3和C2构成交流电压串联负反馈。
3.2 TDA2030AOTL应用电路
如图3所示, R1、R2组成分压电路, 因为R1=R2, 所以A点电位为VCC/2, 静态时, 同相输入端、反向输入端和输出端的电位均为VCC/2, 其他元件的作用与OCL电路中的相同。对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统, 可采用单电源供电的OTL方式。
摘要：功率放大器的发展经历了早期的晶体管功放, 随着半导体工艺的逐渐成熟, 大电流、高耐压的晶体管品种日益增加, 越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。最后发展到现在的主流功放———集成功率放大器。TDA2030是许多音频功放产品所采用的Hi-Fi功放集成块。它接法简单, 价格实惠, 使用方便。
关键词：TDA2030A,OCL应用,OTL应用
参考文献
[1]邓木生.模拟电子电路分析与应用.高等教育出版社, 2008.
[2]杨燕.模拟电子技术应用.机械工业出版社, 2012.
功率放大器・什么是浪涌保护 篇5
功率放大器・什么是浪涌保护
浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的.一种剧烈脉冲，。可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。
浪涌保护器，也叫信号防雷保护器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
功率放大器 篇6
内部结构及引脚功能
AD1990/92/94/96芯片内部结构框图如图1所示。
AD1990/92/94和AD1996分别采用64引脚LFCSP和36引脚PSOP封装，其中64引脚LFCSP封装的引脚排列如图2所示。
表1为AD1990/92/94/96的引脚功能。
主要性能与特点
AD1990/92/94/96采用低成本DMOS工艺制作，具有以下几方面的性能与特点：（1）集成了带有立体声∑△调制器的功率级，∑△调制器接受1Vrms的输入信号产生一个开关信号去直接驱动扬声器，功率级由4对MOSFET组成两个H桥，每个MOSFET的导通态电阻RDS（ON）<0.3Ω；（2）一个数字和微控制器兼容接口提供复位、静音、PGA增益及过热与过电流输出信号控制；（3）内置静音和咔嗒声抑制电路；（4）提供短路、过热和过电流保护；（5）输出级电源电压PVDD范围为8~20V，模拟与数字电源电压AVDD/DVDD均为5V；（6）THD+N可低至0.005%，动态范围（DNR）达102dB，信噪比（SNR）≥102dB，效率（η）达84%；（7）四种芯片输出功率范围为10~80W。
应用电路
AD1990/92/94/96在立体声应用中的电路如图3所示。
左/右通道的模拟信号（峰值约为1.25V）分别从IC的AINL和AINR脚输入。IC内部放大器将输入信号偏置到参考电平。
AD1990/92/94/96应由256fs（fs为采样率）的时钟驱动。连接在脚CLKI与CLKO之间的晶体（XTAL）用作时钟源。
为使IC正常工作并避免可能的闭锁，应该在脚和保持低电平时加电。一旦电源电压稳定，可以使脚为高电平，脚为高电平。
AD1990/92/94/96每个通道的输出级是一个H桥电路，如图4所示。
在H桥（即全桥）配置中，当一个对角线上的两只MOSFET导通时，另一个对角线上的两只MOSFET截止。IC输出脚（OUTx+和OUTx-）外部连接的肖特基二极管（D1、D2和D3、D4），用作减小高端和低端MOSFET之间非交叠（即死区）时间期间的功率损耗。
IC脚NFx+及NFx-上的电阻分压器（R1与R2及R3与R4）用作设置芯片内部调制器增益（Gain）,Gain=（R1+R2）/R2=(R3+R4)/R4。
调制器增益的选择，应保证在1Vrms的输入信号下，输出信号峰-峰值不超过0.9PVDD。
AD1990/92/94/96内的PGA有4种不同的增益设置，具体数值如表2所列。
当芯片结温超过130℃时，在脚上输出热告警信号。当芯片温度达150℃以上时，芯片被关闭。如果结温降至120℃以下，IC恢复正常工作。
IC的过电流保护门限电平为4A。只要通过MOSFET的电流超过4A，IC将进入静音模式，并在脚上产生输出。一旦IC复位，将恢复正常工作。
音频功率放大器的设计 篇7
由于音频功率放大器的组件与器件有不同的选择, 所以设备组合完成以后, 会形成多种性能间的差异, 设备会出现阻抗、声音失真、频响、信噪比等, 这些最终会对音响的音质产生巨大的影响。在这种情况下, 我们对音频的功率放大器进行研究的时候, 更加倾向于宽阔平坦的频响, 这样音频的平衡度会有一个完整的控制, 较好的控制电路的失真问题。
根据我们的实践研究可知, 场效应管的主要特点如下:输入的阻抗高、噪音系数小、动态范围大等。在这种情况下, 现代保真音响的组成主要由三级管与场效应管共同组成。音频功率放大器的互补对称放大器是通过不同极性的放大器组件相互构成的, 高保真的放大器从而形成。在设备的运行阶段, 会产生对称放大的功能, 可以抵消失真的偶次谐波, 对场音的失真度进行降低。通过研究我们可知, 在充电过程晶体管的两级电容, 会延迟系统功放输出的信号, 从而使输出信号在输入信号之后。产生的负反馈会引发低瞬态互调失真, 由于晶体管的两级电容较小, 所以高频段的影响较大, 所以, 要减小低瞬态互调失真, 就要降低电路的相移量。
2 音频功率放大器的设计
音频放大器在改进以前具有耗电大、体形笨重、工作效率低、具有失真性等特点, 其晶体管始终处于导通的状态, 其开关存在失真的情况。本文中所设计的音频功率的设计框架如图1所示, 这种设计可以满足现代的音频放大器需求。音频功率放大器通过接收音频信号, 将其传输至前端低放电路, 数据经过沃尔漫电路、共源共基电路、恒压源电路传输至推动级, 推动级通过反馈电路与沃尔漫电路互通, 最后由推动级将音频传送至末级进行功放。
2.1 音源切换电路
进行音频功率放大器的切换过程中, 我们对音频的质量应该进行控制, 使用小型的继电器, 对信号的传输路径进行缩小, 如图2所示。对音源电路的切换我们可以使用5档开关, 通过开关对5路继电器进行控制。其中电路中所使用的电压为12V, 电阻为700欧姆, 我们通过采用稳压器对继电器两端的电压进行控制, 这样可以保证其他电路与5路继电器可以同时使用。
2.2 末级功放电路
我们使用2SC5200的大功率管做为音频功率放大器的末级功放三极管, 特征频率为大于等于30赫兹, C-E之间的击穿电压大于等于160伏特, CM之间允许的电流大于等于15安培, 两级之间最大的耗散功率大于等于150瓦特。这样可以使输出的功率有所提高。
2.3 前置低放电路
前置的低放电路在使用过程中的最大优点是, 在使用的过程中其音频的失真度较低, 而且频响较宽, 具有增益与线性好的特点。在前置的低放电路中, 进行串联的电阻可以构成分压电路, 为基极提供相应的电压。对于漏极电压结型场效应管中的电压应该控制在11.2伏左右, 保证电路中结型场效应管在运行过程中的安全可靠性, 保证与地面连接工作正常进行。由于结型场效应管中的两端电压较低, 不能在高压的环境中工作, 所以兼作输入中点电位对输入电路的静态电流、电阻进行调节, 在进行设计的系统中, 我们将电流控制在1.4毫安左右, 通过这样的方式, 电压就变成了偏置电压。我们将静电电流控制在一定的范围内, 可以得到10瓦特的功率, 如果需要更高的功率时, 就需要对末极功率的电源电压进行更改, 将场效应管的两端电流进行控制, 其控制在100毫安左右。这样设计, 就可以在大功率的条件下, 使场效应管电压控制器件的栅极阻抗高, 当静态电流变大时, 会伴随振荡的产生。我们对前级电路的放大倍数, 常规为10倍左右。而音频的放大器中, 一般会使用专业的高音频专用管。这样音响可以在整体上对信噪比与频率转换速率进行提升, 减少因开关失真所产生的一些其他不良后果。本文中所使用的专用管为2SJ77, 通过对工作点的调节, 使其呈现在最佳工作状态下。
3 结束语
音响成为我们生活中必不可少的设备之一, 从电脑音频播放器到大的场馆会所放映厅, 都需要不同的音频设备, 音响根据人们的生活水平、文化层次、音乐修养、欣赏水平的不同而有所差异, 高保真的音质是所有音响使用者所共同追求的。在上文中主要就频响与电路二者间的关系进行分析, 对音频功率放大器的设计进行阐述, 笔者从三个方面进行了分析, 首先从其音源切换电路, 其次是末级功放电路, 最后是前置低放电路, 通过图片以更加直观的方式对其特点进行表述, 使得读者可以更加直观的对音频功率放大器的设计方式进行了解, 希望本文对相关的读者有一定的借鉴作用。
参考文献
[1]来新泉, 韩艳丽, 李俊.驱动死区时间控制及其对D类音频功率放大器稳定性的影响[J].中国集成电路, 2010 (22) :130-135.
[2]朱樟明, 过伟, 杨银堂.CMOSPWMD类音频功率放大器的过流保护电路[J].固体电子学研究与进展, 2010 (24) :271-275.
[3]张平, 朱贵宪.D类音频功放知多少——谈D类放大器在音频功放领域中的应用[J].电子制作, 2012 (25) :149-150.
短波高线性射频功率放大器 篇8
1 电路设计
一个采用2SK241GR构成的83 MHz射频小信号放大器电路如图1所示。该电路的输入阻抗为50Ω, 输出阻抗为50Ω, 中心频率为83 MHz, 功率增益为20 d B (min) , 噪声系数NF为3 d B (max) , 最大工作温度为60℃, 输入带宽和输出带宽为10 MHz, 电源电压为10 V。
通常继电器约有0.3d B的功率损耗 (在509系统中) , 但如果将继电器电感作为谐振回路或匹配网络元件的一部分, 则继电器的功率损耗可以减至最小。但是, 这样做会使继电器电感限制匹配网络的最高工作频率。C3、C4为补偿电容, 其作用就是用来抵消功率管输入、输出阻抗中的电抗部分, 使功率管输入端呈现纯阻RL, 输出端呈现纯阻RS。这种补偿只能在窄带匹配时有效。在宽带匹配时, C3、C4只能抵消功率管的部分电抗, 此时功率管的基极和集电极仍属于电感性的。
2 短波高线性射频功率放大器的结构分析
在射频集成功率组件电路中, 功放电路的输入输出匹配网络常用微带结构, 其中输入匹配网络采用了一个直线律渐变线性的喇叭状微带线, 进行从信源到功率管输入端的阻抗变换。渐变线宽边开口尺寸越大对应其阻抗越低, Q值也越低, 工作频带则越宽。渐变线两端开口尺寸不同, 其阻抗也就不同, 这适合于进行阻抗变换。输出匹配网络采用宽窄线不同交替连接的微带型低通匹配网络, 窄线 (高阻线) 具有感抗性质, 宽线 (低阻线) 具有容抗性质, 两者结合等效为一个LC低通滤波器 (具体尺寸大小应根据滤波器频响要求, 计算出各节微带线的尺寸) 。在功放集成组件中, 除了功放电路微带结构和功率管贴片安装外, 其他元件几乎都采用平面集中元件, 常用的平面集中元件有平面电容、平面电感和平面电阻等。
2.1 注意防止输出信号反馈至输入电路。
尤其应该注意防止线圈彼此之间引起的耦合。为防止印刷电路板上线圈之间的电磁耦合, 两个线圈应呈直角, 并减小耦合系数。还可以采用立隔离板的方法。电路输入回路的线圈L, 采取平放安装, 输出回路的线圈L。则竖立安装, 以使线圈彼此之间不致发生电磁耦合;并且采用竖起的0.1 mm的黄铜板 (可以采用印制电路板) 当作隔离板, 用以防止经由静电电容所引起的耦合。
2.2 如果没有此测试仪器, 也可以采用自制的简易型标准信号产生器, 以及附有调谐电表的
FM收音机。为防止在调试时受到外来电波与噪声等的影响, 可以将射频小信号放大器置于
由印刷电路板作成的隔离盒内。本电路需要调整的元器件有可变电容器C1、C2和C3。
2.2.1 电路调试
首先, 将C3的电容量旋置1/2位置, SSG的频率设定为83 MHz, 输出电平设定为+20 d Bμ, 然后调整C1与C2, 使电场强度指针摆动至最大。接着再调整3, 使电场强度计的摆动为最大。然后逐步将SSG的输出电平降低0~10 d Bμ后再对C1、C2和C2做2~3次的反复调整。通过以上调整, 可以使本电路功率增益与NF调整到一个比较理想的指标。
2.2.2 功率增益测试
首先, 将SSG的输出电平设定为0d Bμ, 直接连接电场强度计, 调整电场强度计的增益 (GAIN) 旋钮, 使电场强度计的衰减器也位于0 d Bμ。
接着, 调整电场强度计的衰减器, 使其成为0 d Bμ, 此时衰减器当前值就是功率增益值。所制作射频小信号放大器测得的功率增益为22~25 d B (@83MHz) 。
2.2.3 频率特性的测试
改变频率, 分别求出各频率的功率增益值, 可以观察其频率特征响应。频带响应带宽BW等于在中心频率83 MHz的功率增益值下降3 d B的2个点间的频率差。
输入回路与输出回路的频带宽分别设计为10 MHz。由于整个电路采用LC谐振回路, 因此电路的整体选择性指标Q会增高, 使带宽BW变窄。本电路在实际制作时, 如果放大元器件使用Ca As型的FET, 则可以使信噪比指标进一步提高。
传输线变压器的两种工作方式分别在不同的频段起作用, 在高频率时, 传输线模式起主要作用, 此时初次级之间的能量传输主要依靠线圈之间分布电容的耦合作用;在低频率时, 变压器模式起主要作用, 初次级之间的能量传输主要依靠线圈的磁耦合作用。为了扩展低频响应范围, 应该加大初级线圈的电感量, 但同时线圈总长度又不能过大, 因此采用高频磁芯来解决圈数少, 而初级线圈电感量又足够大的问题。
摘要：设计射频放大器时, 必须考虑电路的稳定性, 这一点与低频电路的设计方法完全不同。由于反射波的存在, 射频放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向, 不再发挥放大器的作用, 因此必须分析射频放大器的稳定性, 稳定性是指放大器抑制环境的变化 (如信号频率、温度、源和负载等变化时) , 维持正常工作特性的能力。本文将主要探讨一种短波高线性射频功率放大器的设计。
关键词：短波,高线性,射频功率放大器
参考文献
[1]韩红波, 郝跃, 冯辉, 任媛媛.用于雷达的LDMOS微波功率放大器设计[J].火控雷达技术, 2007 (01)
[2]黄继伟, 王志功, 廖英豪等.一种应用于W-CDMA的单片InGaP/GaAs HBT功率放大器 (英文) [J].Journal of Southeast University (English Edition) , 2011 (02)
数控功率放大器的设计与实现 篇9
在电路系统中,功率放大器是不可或缺的组成部分。作为信号源与换能器之间的桥梁,功率放大器对信号进行滤波、功率放大等处理,将信号源产生的微小、带有噪声的信号转换为稳定、大功率的满足换能器要求的信号。本文所设计的数控功率放大器运用于水声信号发生系统,该系统以具有PCI接口多功能数据采集接口板作为信号源,并运用CVI编写界面驱动数据采集接口板产生信号。该信号源产生的信号,具有稳定性好、精度高、修改容易、通用性强等特点。但由于信号源直接产生正弦形式信号具有较大难度,并且在传输过程中极易受到干扰,使最终放大的信号产生失真。故该系统采用信号源产生矩形形式信号,经过初步放大、滤波后再将矩形信号转换为正弦信号进行功率放大的方式。在信号由矩形转换为正弦信号的同时,滤除了大量的干扰噪声,避免了信号的失真。同时,本文设计的数控功率放大器还具有与PC机进行通信的能力[1,2]。
1 电路组成
数控功率放大器包括通信模块、Butterworth滤波模块及功率放大模块3部分。系统框图如图1所示。信号源所产生的信号包括信源信号(Signal)以及参考信号(Fi),两路信号为矩形形式信号,其中参考信号频率为信源信号频率的100倍或50倍。两路信号同时传入Butterworth滤波模块,在参考信号的帮助下,经处理,将信源信号转换为同频率的正弦信号。同时,Butterworth滤波模块的放大增益由通信模块接收到的信息确定。通信模块完成与PC机的通信。当PC机发送码值后,通信模块接收并按照事先约定协议进行解码,设定相应的放大增益,实现对功率放大器放大增益的实时控制。最后,将处理后得到的正弦信号传入功率放大模块转换为大功率的信号,用以驱动换能器。
2 硬件电路及相关软件设计
2.1 Butterworth滤波模块
Butterworth滤波模块如图1所示,其中包括前置放大电路、Butterworth滤波器和后置放大电路。
任何一个周期信号都可通过傅里叶级数展开表示为各整数倍频率正弦信号加权相加。对于矩形信号:
undefined
将其展开为傅里叶级数:
undefined
再对其进行傅里叶变换,结果可以写成:
undefined
Cn为整数序列,由式(3)可以得出结论:周期函数具有离散傅里叶变换频谱,并且周期信号的傅里叶变换为在各谐波频率处是一个无限长的等间距的冲击序列[3]。如果能将滤波器的截止频率设在信号一倍频与二倍频之间,并且满足带内幅频特性足够平坦、带外抑制足够大的条件,就能在无明显失真的情况下滤出基频分量,将矩形信号转换为同频率的正弦信号。
Butterworth滤波器被称为最平的滤波器,具有通带内极大平坦、过渡带与阻带单调性良好、随着阶数的增加其特性更接近理想状况等优点,成为信号处理中应用最广泛的几种滤波器之一[4]。因此,该电路选用Butterworth滤波器完成矩形信号向正弦信号的转换。
该电路采用6阶Butterworth低通滤波芯片MF6实现Butterworth滤波器。MF6采用了交换电容技术,所需要的外设非常简单。作为一个低通滤波器,其截止频率通过从CLK引脚输入的参考信号的频率来设定的,若芯片型号为MF6-100,截止频率即为输入参考信号频率的1/100。参考信号必须是符合TTL或CMOS电平的时钟信号,并可通过控制引脚LSH设置参考信号电平类型。图2为参考信号频率为125 kHz时实测得到的幅频特性,此时截止频率为1.25 kHz。从图中可见,带内平坦,带外衰减明显,符合设计要求。
同时,该模块还包括在Butterworth滤波器之前以及之后的两级放大电路。放大电路采用运算放大器LF353与电阻、电容构成的放大电路,如图3所示。放大增益由R2/R1确定,通带的起止频率分别为:f1
综上所述,信号源产生两路矩形信号后,首先经过前置放大电路的预处理,滤出其中的低频与高频段的杂波成分并进行放大调整,再将两路信号中的参考信号Fi(要求为满足TTL或COMS电平的时钟信号)以及需要进行滤波处理的信源信号(见图1)送入MF-6相应引脚。参考信号Fi设置Butterworth滤波器的截止频率。通常滤波器的截止频率设置在信号一倍频与二倍频之间,保证基频正弦信号不被衰减,此时MF-6输出端的输出信号为与信源信号同频率的正弦信号。由于矩形信号抗干扰能力比较强,不易产生失真,并且经过Butterworth滤波器滤波后能很有效保留信号的基频成分,因此能够有效保证最终信号的不失真。最后,再经过两级运放电路进一步滤除杂波分量。
2.2 通信模块
作为数控功率放大器,一个重要功能就是外界能够实时地对系统的放大增益进行控制。通信模块的主要功能在于与PC机进行通信。当PC发送出一个事先约定的码值后,模块完成接收、识别功能,最后将码值所传达的信息反映在Butterworth滤波模块的放大增益上。
通信模块通过标准RS-232接口完成通信。RS-232标准是一种广泛运用简单易行的通信协议。在电气特性上,RS-232采用负逻辑,即逻辑“1”在-5 V～10 V,逻辑“0”在+5 V～+10 V,最大作用距离15 m[5]。由于在该电路中需要传输的信息量不大,所以采用RS-232标准完全可以实现稳定可靠的通信。通信模块采用以ATMEL公司单片机AT89C52为核心,辅以电平转换芯片MAX202及多路选通开关4066的结构。单片机AT89C52带有一个UART(通用异步收发器),通过UART实现串口通信非常容易,其收发协议与标准RS-232接口一致,只是UART采用CMOS电平。因此,为了在单片机与PC机串口之间进行通信,该系统采用MAXIM公司的MAX202实现电平转换。MAX202为多通道RS-232接收/发送转换器,能将信号在RS-232与CMOS电平之间进行转换。实现电平转换后,只需将单片机UART的输入输出端口与PC机串口的输入输出端口交叉连接便可实现通信。
为了将PC机所发送的信息反映到电路的放大增益上,单片机不仅要完成与PC机的通信,同时还对3个4路模拟开关4066(共12路)进行控制。每一路模拟开关的输入端都与Butterworth滤波模块中前置放大电路的输出端相连。此外,每一路模拟开关的输出端通过电阻再与放大电路反相输入端相连,如图4所示。这样,通过控制模拟开关4066的控制位CON,选通不通的通路,相当于将不同的电阻取代R2的位置。从而达到调整放大增益的目的。
软件流程图见图5,各项初始化完成后,单片机进入循环状态。一旦串口接收到信号则跳入串口中断服务程序。串口中断程序处理结束后再返回循环状态。
为了与上位机保持一致,单片机初始化为:波特率9 600 bit/s,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验,串行口工作在方式1。上位机分别传送数据为0x0A1～0x0AC分别代表选择12个不同通路的通断。当单片机接收上述数据后,回传0x01表示接收成功,并将相应的控制位CON拉高,选通一个通路。当上位机接收到接收成功标志0x01后,立即停止发送,否则将以5 ms的间隔循环发送以确保接收。如果单片机接收的数据不在0x0A1-0x0AC范围内,单片机将退出中断相应程序,不做任何操作。由于传输的数据量不大,这种机制的建立能有效减少信道中各种干扰信号的影响,提高信号传输的可靠性与准确性。
2.3 功率放大模块
功率放大模块作为数控功率放大器的重要组成部分,将最终处理得到的信号转换为大功率信号。该功率放大模块是以集成大功率运算放大器LM12为核心,加上由电阻、电容构成的外围电路组成。
功率运算放大器最大输出功率80 W,失真度小于0.01%,具有输入保护、温度限制保护、过载保护等功能。并且其外围电路简单,得到了广泛的运用。
该部分通过电路仿真软件multisim10.0仿真,结果如图6所示。从图中可以看出,该电路具备将小信号不失真的转换为大功率信号的能力。
3 测试结果与结论
根据以上原理,设计相应电路,并做出实物电路,经反复调试达到预想效果。经测试,电路工作正常稳定。当输入为0.1 kHz～10 kHz的矩形信号时,输出端输出为同频率的正弦信号。输出信号稳定,除小于0.5 kHz的低频段外无明显失真,信号最大增益大于54 dB,达到设计要求。Butterworth滤波器幅频特性通带内平滑,衰减带内单调性良好, PC机与电路通信正常,能够根据需要设置放大增益。功率放大电路能够提供稳定大电流输出,该电路满足设计要求。
摘要：介绍了数控功率放大器的设计与调试结果。该数控功率放大器的作用在于对前级电路产生的信号进行转换、滤波、功率放大等处理,将其转换为换能器所需的大功率正弦信号,并通过PC机在外部控制其放大增益。该电路以单片机、集成6阶Butterworth低通滤波芯片以及大功率运算放大器为核心,通过标准RS-232接口与PC进行通信,具有信号放大增益实时可调、对干扰信号具有良好的抑制作用等优点。经调试,该电路工作稳定,输出波形无失真,在输出功率、放大增益以及波纹系数等方面均满足设计要求。
关键词：Butterworth滤波器,数控功率放大器,RS-232,单片机
参考文献
[1]田坦,刘国枝,孙大军.声纳技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2004.
[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.
[3]张殿龙,王福文.巴特沃思低通滤波器在电机测试中的应用[J].电测与仪表,2001,38(4):41-43.
[4]刘艳芳,高国伟.胎心音检测系统中滤波电路的设计[J].传感器与微系统,2006,25(12):46-47.
一种功率放大器预失真技术 篇10
2G通信系统中,信号采用恒定包络调制(GMSK) 方式,功率放大器常常工作在效率较高的临近饱和区, 并且线性能够满足要求,而在3G和4G通信系统中,为了提高频带资源的利用率,采用了新的信号调制技术, 如四相相移键控调制(QPSK)以及正交频分复用调制 (OFDM)等,此类信号具有较高的峰均比(PAR),如果功率放大器也工作在临近饱和区,将会产生严重非线性失真,导致频谱拓宽,造成相邻频带干扰,并且带内会引起信号失真,误码率增加。为了满足线性要求,则功率放大器要从饱和区大幅度回退,使系统效率降低,造成通信网络运营成本升高,稳定性降低。为此,线性改善技术已成为通信系统中功率放大器设计领域的一个研究热点。
常见的功率放大器线性改善技术有功率回退技术、前馈技术和预失真技术。功率回退技术是较早的线性改善技术,它是通过输出功率回退改善线性,由于成本高、效率低、性能差等特点,这种技术现在已经不采用。前馈技术是另外一种线性改善技术,该技术是通过两个环路对消改善线性,特点是成本高、效率低、对消性能好。预失真技术是目前应用最为广泛的线性改善技术,它是通过在功率放大器前级产生预失真信号实现系统链路前后级对消来改善线性,根据产生预失真信号电路形式的不同,又分为模拟预失真和数字预失真技术。模拟预失真技术是采用模拟电路实现预失真信号的产生,通常在射频域实现线性改善,特点是成本低、效率低、对消性能一般。数字预失真技术是采用数字电路实现预失真信号的产生,通常在基带部分实现线性改善,特点是成本高、效率高、对消性能较好。
本文从模拟预失真技术和数字预失真技术自身特征出发,重点借鉴了模拟预失真技术成本低和数字预失真技术对消性能较好的特点,提出了一种新型的功率放大器预失真技术,该技术是通过模拟电路和数字电路相结合的方式产生预失真信号来改善线性,最终实现功率放大器在线性较好的情况下,成本大幅度降低。
2 基本原理和分析
2.1 系统原理
本文提出的预失真技术实现的原理如图1。包括射频声表滤波器、包络检波器、矢量调制器、模数转换器、数模转换器、可编程逻辑器件(FPGA)、处理器 (DSP)、功率放大器、混频器等9部分。从图1可以看出,以数模转换器和模数转换器为分界点,整个系统电路分为模拟和数字部分。预失真信号级联对消是在射频域实现,省去了数字预失真技术中射频至基带、基带至射频的转换,降低系统成本,预失真信号中关键分量计算在基带域进行,最终合成在射频域,使对消性能不会大幅度降低。
图1的工作原理是,在FPGA中实现经过本文改进的记忆多项式,该多项式的自变量是经过包络检波器得到的射频输入信号幅度值,由FPGA计算后的多项式结果经过数模转换后,与矢量调制器共同产生谐波预失真信号,这部分谐波预失真信号与主通路信号合路后产生完整的预失真信号,实现与后级功率放大器级联对消,改善线性。系统运行中,由DSP实时检测功率放大器输入端和输出端信号,根据两路信号误差大小自适应调整FPGA中记忆多项式的系数,从而保持整个系统线性指标稳定。图1中射频声表滤波器的主要作用是实现谐波失真信号和主通路信号合成产生预失真信号时,两路时延匹配。
2.2 理论推导及分析
为了实现预失真技术,必须对功率放大器非线性模型进行建模,而Volterra级数被认为是理想的功率放大器非线性模型建模方法。如下式[2]:
式(1)中: x(n) 和y(n) 分别代表输入和输出, hk(q1,...qk) 为k阶的Volterra核,K和Q分别为最大非线性阶数和最大记忆深度。Volterra级数模型的优点在于可以准确描述系统的各阶非线性失真,但缺点是模型的系数随着K和Q的增加成指数级增长,运算量大,实际电路实现困难。
在数字预失真技术中,采用了一种记忆多项式模型,提取了Volterra级数模型的对角项,在减少Volterra级数模型系数的同时,有效地捕捉到记忆效应。故公式
(1)变为如下公式(2)[3,4]:
式(2)中:akq表示记忆多项式系数, ︱x(n)︱ 表示输入信号幅度值。
公式(2)中对每个输入信号都进行了时延操作以体现记忆深度,这些计算在基带域实现比较容易,但需要耗费较多FPGA资源,若把该部分计算去掉。公式(2)就变为如下公式(3):
图2(a)为预失真前功率放大器线性,约-42dBc、图2(b)为预失真后功率放大器线性,约-70dBc,线性改善了28dB。
4 实验结果和分析
为了证明本文所提出的预失真技术方案的可实现性,根据实现原理图1搭建了实验平台。矢量调制器采用AD8340、模数转换器采用AD9142、数模转换器采用AD9445、可编程逻辑器件采用XC6SLX75T、处理器采用AT91-SAM9260、功率放大器采用MRFE6S9060。测试信号采用WCDMA连续四载波信号,峰均比为8dB,由于功率放大器饱和功率为49.5dBm,故最终输出功率为41.5dBm,结果如图3。
如图3,(a)为功率放大器无预失真时线性,偏移边带载波中心频点±5MHz处ACPR值最差为-31.63dBc,图3(b)为功率放大器预失真后线性,偏移边带载波中心频点±5MHz处ACPR值最差为-53.49dBc,线性改善了约22dB。另外,根据硬件实现时器件价格来看,成本与现有模拟预失真技术相比增加接近1倍,与现有数字预失真技术相比降低接近50%。
5 结论