基于protel的功率放大電路

1、學(xué) 年 論 文本科學(xué)年論文（2008級本科）題目：protel對功率放大電路的制作和分析 學(xué)生姓名： 孫巍 學(xué)生學(xué)號： 08029082 學(xué)院名稱： 物理科學(xué)與技術(shù) 專業(yè)名稱： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 程立英 2010年06月26日protel對功率放大電路的制作和分析電子信息工程專業(yè) 孫巍 指導(dǎo)老師 程立英 （沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 電子信息工程）摘要：理論分析互補對稱功率放大電路中自舉電容的作用,給出用EDA 軟件protel99se仿真分析該電路的方法,仿真分析與理論分析結(jié)果一致,為獲得該類電路的分析設(shè)計提供了EDA 手段和實驗依據(jù)。關(guān)鍵詞： 電子設(shè)計自動化軟件；Protel

2、；功率放大電路；仿真分析；自舉電容。0引言Protel是國內(nèi)最流行、使用最廣泛的一套電子設(shè)計自動化軟件，簡稱EDA軟件（Electronic Design Automatic）。公司2001年正式推出具有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）功能強大EDA綜合設(shè)計環(huán)境protel 99se,該軟件采用客戶機/服務(wù)器模式結(jié)構(gòu)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理，能夠進行電路的電氣規(guī)則檢查，可以電路圖仿真，軟件包括了大多數(shù)常用元件以及這些元件的封裝形式，使用十分方便，它具有原理圖設(shè)計、層次原理圖設(shè)計、報表制作、電路仿真以及邏輯器件設(shè)計等特點，是電子設(shè)計的最常用的電子設(shè)計軟件之一。在模似電子線路中，功率放大電路是重要的必不可少的

3、電路形式，是信號處理和多級放大后的必然要求，其最主要的表現(xiàn)形式之一就是互補對稱功率放大電路（簡稱OTL功放電路）。由于互補對稱功率放大電路僅由阻容元件和晶體管組成，易于集成和實現(xiàn)，又不需要變壓器，從而改善了電路的性能，提高了電路的實用性。因而在家用電器，機電產(chǎn)品中和儀器儀表等中，互補對稱功率放大電路都得到了普遍的使用。這樣互補對稱功率放大電路也就成為了我制作和分析的對象。本論文主要是介紹protel 99se對互補對稱功率放大電路的制作與仿真分析。在仿真原理圖之前必須遵守一些規(guī)則：1所有的元件須引用適當(dāng)?shù)姆抡嬖Ｐ汀?設(shè)計者必須放置和連接可靠的信號源，以便仿真過程中驅(qū)動整個電路。3設(shè)計者在需

4、要繪制仿真數(shù)據(jù)的節(jié)點處必須添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。4如果必要的話，設(shè)計者必須定義電路的仿真初始條件。1.對放大電路的仿真分析1.1、概述仿真分析是使用計算機進行模似和數(shù)值分析的實用方法，通過仿真分析，不必構(gòu)造具體的物理電路，也不必使用實際的測試儀器，就基本上可以確定電路的工作性能。這里我用protel 99se軟件對單電源互補對稱功率放大電路進行仿真分析。功率放大是一種能量轉(zhuǎn)換的電路，在輸入信號的作用下，把電源的能量轉(zhuǎn)換成隨輸入信號變化的輸出功率送給負(fù)載。放大電路的實質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)換電路。從能量觀點來看，功率放大電路與電壓放大電路沒有本質(zhì)區(qū)別。但是，功率放大電路與電壓放大電路所要完成的任務(wù)不同了。對電壓

5、放大電路的主要要求是使負(fù)載的到不失真的電壓信號，討論的主要指標(biāo)是電壓增益、和輸出阻抗等，輸出的功率不一定大。而功率放大電路則不同，它主要要求獲得一定的不失真的輸出功率，通常是在大信號狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包含著一系列在電壓放大電路中沒有出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是：1.1.1輸出功率要大，要增加放大器的輸出功率，必須在晶體管運行的極限的工作區(qū)域附近。1.1.2效率要高，放大器的效率=交流輸出功率/直流輸入功率。1.1.3非線性失真要小，功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真越嚴(yán)重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要的矛盾

6、。1.1.4 BJT的散熱問題，在功率放大電路中，有相當(dāng)大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個重要問題。1.2 仿真分析我們這里主要分析單電源互補對稱電路(OTL 電路)如圖1所示,我們這里輸入信號Vin=0.1V,頻率為1kHz.經(jīng)過仿真得到的圖2所示,我們可以很清楚的看到輸入輸出的電壓波形以及各點的電壓波形,這有利于我更直接有效的分析電路圖.(這里我們V14是作為輸出電壓)對各點的靜態(tài)點進行分析.圖1 單電源互補對稱電路(OTL 電路)圖2 各點的仿真電壓波形圖1.3 參數(shù)掃描分析參數(shù)掃描分析是將電路參數(shù)

7、值設(shè)置為一定的變化范圍,以分析參數(shù)變化對電路性能的影響,這種作用相當(dāng)于對電路進行多次不同參數(shù)下的仿真分析,可以快速檢驗電路性能,對將要投產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計很有意義. 參數(shù)掃描可以有3種分析:DC 工作點分析、瞬態(tài)分析和AC 頻率分析. (1) 對該放大電路中的R1進行DC 工作點分析,這里只分析R1變化對電路中M點電位的影響,以便確定使M點電位為VCC/ 2 時的R1阻值. 分析結(jié)果R1應(yīng)為93340. (2) 該放大電路中的RL進行瞬態(tài)參數(shù)掃描分析,對負(fù)載RL進行瞬態(tài)參數(shù)掃描分析,分析結(jié)果RL=1K時如圖3所示,電路中其他參數(shù)不變的情況下,負(fù)載不同時,輸出亦不同. RL=1K時這時輸出的電壓約為2

8、V. 圖3 電阻RL 的參數(shù)掃描分析結(jié)果這里用protel軟件工具對該功率放大電路不同的輸入信號，測量其輸出電壓值，結(jié)果如表2 所示. 當(dāng)輸入信號為0.156V時,輸出電壓的底部已經(jīng)開始出現(xiàn)失真.最大不失真輸出電壓接近為4.5V。隨著信號源的不斷增加，輸出電壓隨之增大，當(dāng)超過最大不失真輸入電壓時，輸入波形出現(xiàn)不同程度的失真。如圖4所示圖4當(dāng)輸入0.2V電壓時，V14出現(xiàn)失真。我們從圖形4中很容易看出。這是因為當(dāng)輸入電壓vi為負(fù)半周時, T1導(dǎo)電, 因而iB1增加,由于R6和R8上的壓降以及vBE1的存在,當(dāng)M點電位向+ VCC接近時, T1的基流將受限制而不能增加很多,因而也就限制了T1輸向負(fù)

9、載的電流,使RL兩端得不到足夠的電壓變化量, 致使Vom明顯小于VCC/ 2. 通常的辦法是在電路中A ,B間引入電容C4組成的所謂自舉電路,當(dāng)時間常數(shù)R6 C4足夠大時,電容C4兩端電壓將基本為常數(shù),不隨vi而改變. 這樣, 當(dāng)vi為負(fù)時, T1導(dǎo)電, vM將由VCC/ 2 向更正方向變化,隨著M 點電位升高,B點電位vB也自動升高. 因而,即使輸出電壓幅度升得很高,也有足夠大的電流iB1 ,使T1充分導(dǎo)電.2.自舉電容C2的作用與分析2.1提高電壓增益2.1.1不接C2 的電壓增益若圖5 中不接C2 ,其輸入ui 為正極性電壓時Q1 和Q2 導(dǎo)通,Q3 截止,Q1 為共射放大電路,其電壓增

10、益為ÛA ,Q2 為共集放大電路,其電壓增益為ÛA 小于或等于1 ,則電路總的電壓增益為| ÛA| = | ÛA ·ÛA| ÛA| 較小(ui 為負(fù)極性時,結(jié)論相同) 。2.1.2接C2的電壓增益若圖5中接C2 ,其輸入為正極性電壓時Q1 和Q2 導(dǎo)通,Q3 截止, Q1 為共射放大電路,其電壓增益為ÛA ,Q2 也是共射放大電路,其電壓增益為ÛA ,則電路總的電壓增益為| ÛA| = | ÛA ·ÛA|較大(ui 為負(fù)極性時,結(jié)論相同) 。2.1.3結(jié)論式和相比得

11、,接上自舉電容C2 后電路的總的電壓增益大大提高了。2.2 增大動態(tài)范圍在圖1 中,C2 是自舉電容,靜態(tài)電壓Ve = Ec / 2 ,Vf = Ec - Ib2 Rc Ec (Rc 很小) ,Vc3 = VD - VA = Ec -Ec2=Ec2,而C2 容量較大(一般是100F 以上) ,所以當(dāng)加上輸入信號ui ,Ve 變化時,C2 兩端電壓VC2 基本不變。這必然造成在Q2 導(dǎo)通過程中,隨著Ve 增高,Vf 也相應(yīng)增高(Vf = VC2 + Ve ) ,不會出現(xiàn)Vf =Ve 的情況。Q2 的基極電流是由Vf 提供的, Ib2 =Vf - VBE2 - VeR3 12 ·ECR3

12、,顯然, Ib2 與Ve 無關(guān),即Ve 增高時,不會影響Ib2 的大小,只要適當(dāng)?shù)剡x取R3 ,就能給Q2 提供導(dǎo)通的基極電流,使Q2 達到飽和狀態(tài),使Ve 由Ec2 變到EC 成為可能,Ve 的變化量為Ec2,e 點輸出電壓正半周的幅值為Ec2,接入自舉電容C2 后對輸出電壓的負(fù)半周沒有影響,因此動態(tài)范圍變?yōu)?Ec2- +Ec2,即比無自舉電容時增大了動態(tài)范圍。圖5 簡單的對稱電路2.3 利用 protel 99se仿真分析互補對稱電路中自舉電容的作用通過圖1與圖5的分析，我對互補對稱電路進行了修正，也就是帶自舉電容。如圖6所示，通過對修正后的電路進行仿真分析，其中D1、D2、R4、R5、C3

13、是使電路充分導(dǎo)通和限流而加入 ,電路參數(shù)見圖7所示，通過圖我們可以清楚的看到輸出的電壓增大和各點的電流。在測試的相同情況下（Vim=0.1V/1kHz）時，輸出電壓明顯增，圖1仿真得到輸出電壓約為3V，而修正后的電壓達到了3。6V。這都是自舉電容C2的作用。2.4 參數(shù)掃描分析參數(shù)掃描分析是將電路參數(shù)值設(shè)置為一定的范圍 ,以分析參數(shù)變化對電路性能的影響 ,這種作用相當(dāng)于對電路進行多次不同參數(shù)下仿真分析 ,以快速檢驗電路性能 ,對將要投產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計很有意義。參數(shù)掃描有三種分析:DC工作點分析、 瞬態(tài)分析和 AC頻率分析。 對該功放電路中的 R1 進行 DC工作點分析,分析結(jié)果 R1 應(yīng)為 201

14、. 85k, 對該電路中 RL 進行瞬態(tài)參數(shù)掃描分析.圖6 修正后帶自舉電容互補對稱電路圖7，修正后帶自舉電容互補對稱電路仿真4、結(jié)束語綜上分析知 ,在互補對稱功放電路中 ,接入自舉電容 ,輸出級變共集電路為共射電路 ,提高了電壓增益 ,增大動態(tài)范圍; 參數(shù)掃描分析快速校驗和優(yōu)化電路性能。實踐表明 protel 99se軟件是電路與系統(tǒng)設(shè)計的有利工具 ,加速電子系統(tǒng)設(shè)計的步伐 ,對電子技術(shù)課程的教學(xué)也是一種有益的補充. 但是,在不同場合下,對非線性失真的要求不同. 例如,在測量系統(tǒng)和電聲設(shè)備中,這 個問題顯得重要,而在工業(yè)控制系統(tǒng)等場合中,則以輸出功率為主要目的,對非線性失真的要求就降為次要問

15、題了. 如何減小非線性失真,而又得到大的交流功率,提高效率是功率放大電路研究的主要課題.，通過以上用protel對互補對稱功率放大電路仿真分析可以看出,用該軟件可以提高對功率放大電路分析的速度和準(zhǔn)確度,使功率放大電路的設(shè)計更好地滿足實際負(fù)載的需要。9參考文獻: 1.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）。主編： 童詩百 華成英 (高等教育出版社)。2.Protel 99se電路設(shè)計與仿真教程 胡燁 姚鵬翼 江思敏 編著，(機械工業(yè)出版)。3.一種基于multisim 2001互補對稱功率放大電路仿真分析 馬秋明 劉姝延 遲永江 田麗杰 孫文福 (煙臺師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,山東 煙臺 264025)4

16、. Protel 99se在電路設(shè)計中的應(yīng)用技巧 任全會 馬 蕾 5. 實驗用互補對稱功率放大電路的設(shè)計與測試 陳濤 ( 阜陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,阜陽 236013)6.雙差分輸入全對稱全互補直流功率放大電路的分析與設(shè)計 石新峰,宋守云 7互補對稱功率放大電路中自舉電容作用仿真分析 Protel-based Power Amplifier Circuit For the Production and AnalysisWei SunLiying Cheng（Shenyang Normal University ；College of Physical Science and Technology；Electronic and Information Engineering ）Abstract:Theoretical Analysis of complementary symmetry power amplifier circuit in the role of bootstrap capacitor is given by EDA simulation software to analyze the circuit protel99se method, simulation analy