基于protel的功率放大電路

1、本科學(xué)年論文（2008級(jí)本科）題目：protel對(duì)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(hào)： 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(duì)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(yáng)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(bǔ)對(duì)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(jì)提供了EDA 手段和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。關(guān)鍵詞： 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件；Protel；功率放大電路

2、；仿真分析；自舉電容。0引言Protel是國(guó)內(nèi)最流行、使用最廣泛的一套電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，簡(jiǎn)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(qiáng)大EDA綜合設(shè)計(jì)環(huán)境protel 99se,該軟件采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式結(jié)構(gòu)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，能夠進(jìn)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(jì)、層次原理圖設(shè)計(jì)、報(bào)表制作、電路仿真以及邏輯器件設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，是電子設(shè)計(jì)的最常用的電子設(shè)計(jì)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電路形式，是信

3、號(hào)處理和多級(jí)放大后的必然要求，其最主要的表現(xiàn)形式之一就是互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（簡(jiǎn)稱OTL功放電路）。由于互補(bǔ)對(duì)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(shí)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(shí)用性。因而在家用電器，機(jī)電產(chǎn)品中和儀器儀表等中，互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路都得到了普遍的使用。這樣互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路也就成為了我制作和分析的對(duì)象。本論文主要是介紹protel 99se對(duì)互補(bǔ)對(duì)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(jì)者必須放置和連接可靠的信號(hào)源，以便仿真過(guò)程中驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路。3設(shè)計(jì)者在需要繪制仿真數(shù)據(jù)

4、的節(jié)點(diǎn)處必須添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。4如果必要的話，設(shè)計(jì)者必須定義電路的仿真初始條件。1.對(duì)放大電路的仿真分析1.1、概述仿真分析是使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模似和數(shù)值分析的實(shí)用方法，通過(guò)仿真分析，不必構(gòu)造具體的物理電路，也不必使用實(shí)際的測(cè)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(duì)單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路進(jìn)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(hào)的作用下，把電源的能量轉(zhuǎn)換成隨輸入信號(hào)變化的輸出功率送給負(fù)載。放大電路的實(shí)質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)換電路。從能量觀點(diǎn)來(lái)看，功率放大電路與電壓放大電路沒(méi)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(duì)電壓放大電路的主要

5、要求是使負(fù)載的到不失真的電壓信號(hào)，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(hào)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(méi)有出現(xiàn)過(guò)的特殊問(wèn)題，這些問(wèn)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(yùn)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(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)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(duì)主要的矛盾。1.1.4

6、BJT的散熱問(wèn)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(gè)重要問(wèn)題。1.2 仿真分析我們這里主要分析單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL 電路)如圖1所示,我們這里輸入信號(hào)Vin=0.1V,頻率為1kHz.經(jīng)過(guò)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(diǎn)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(duì)各點(diǎn)的靜態(tài)點(diǎn)進(jìn)行分析.圖1 單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL 電路)圖2 各點(diǎn)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)值設(shè)置為一定的

7、變化范圍,以分析參數(shù)變化對(duì)電路性能的影響,這種作用相當(dāng)于對(duì)電路進(jìn)行多次不同參數(shù)下的仿真分析,可以快速檢驗(yàn)電路性能,對(duì)將要投產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)很有意義. 參數(shù)掃描可以有3種分析:DC 工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析和AC 頻率分析. (1) 對(duì)該放大電路中的R1進(jìn)行DC 工作點(diǎn)分析,這里只分析R1變化對(duì)電路中M點(diǎn)電位的影響,以便確定使M點(diǎn)電位為VCC/ 2 時(shí)的R1阻值. 分析結(jié)果R1應(yīng)為93340. (2) 該放大電路中的RL進(jìn)行瞬態(tài)參數(shù)掃描分析,對(duì)負(fù)載RL進(jìn)行瞬態(tài)參數(shù)掃描分析,分析結(jié)果RL=1K時(shí)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(shí),輸出亦不同. RL=1K時(shí)這時(shí)輸出的電壓約為2V. 圖3 電

8、阻RL 的參數(shù)掃描分析結(jié)果這里用protel軟件工具對(duì)該功率放大電路不同的輸入信號(hào)，測(cè)量其輸出電壓值，結(jié)果如表2 所示. 當(dāng)輸入信號(hào)為0.156V時(shí),輸出電壓的底部已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)失真.最大不失真輸出電壓接近為4.5V。隨著信號(hào)源的不斷增加，輸出電壓隨之增大，當(dāng)超過(guò)最大不失真輸入電壓時(shí)，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(shí)，V14出現(xiàn)失真。我們從圖形4中很容易看出。這是因?yàn)楫?dāng)輸入電壓vi為負(fù)半周時(shí), 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(diǎn)電位向+ VCC接近時(shí), 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)載的電流,使R

9、L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(shí)間常數(shù)R6 C4足夠大時(shí),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(shí), T1導(dǎo)電, vM將由VCC/ 2 向更正方向變化,隨著M 點(diǎn)電位升高,B點(diǎn)電位vB也自動(dòng)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(shí)Q1 和Q2 導(dǎo)通,Q3 截止,Q1 為共射放大電路,其電壓增益為Û

10、;A ,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(shí),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(shí)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(shí),結(jié)論相同) 。2.1.3結(jié)論式和相比得,接上自舉電容

11、C2 后電路的總的電壓增益大大提高了。2.2 增大動(dòng)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(hào)ui ,Ve 變化時(shí),C2 兩端電壓VC2 基本不變。這必然造成在Q2 導(dǎo)通過(guò)程中,隨著Ve 增高,Vf 也相應(yīng)增高(Vf = VC2 + Ve ) ,不會(huì)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,顯然, Ib

12、2 與Ve 無(wú)關(guān),即Ve 增高時(shí),不會(huì)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(dá)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(diǎn)輸出電壓正半周的幅值為Ec2,接入自舉電容C2 后對(duì)輸出電壓的負(fù)半周沒(méi)有影響,因此動(dòng)態(tài)范圍變?yōu)?Ec2- +Ec2,即比無(wú)自舉電容時(shí)增大了動(dòng)態(tài)范圍。圖5 簡(jiǎn)單的對(duì)稱電路2.3 利用 protel 99se仿真分析互補(bǔ)對(duì)稱電路中自舉電容的作用通過(guò)圖1與圖5的分析，我對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱電路進(jìn)行了修正，也就是帶自舉電容。如圖6所示，通過(guò)對(duì)修正后的電路進(jìn)行仿真分析，其中D1、D2、R4、R5、C3是使電路充分導(dǎo)

13、通和限流而加入 ,電路參數(shù)見(jiàn)圖7所示，通過(guò)圖我們可以清楚的看到輸出的電壓增大和各點(diǎn)的電流。在測(cè)試的相同情況下（Vim=0.1V/1kHz）時(shí)，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(dá)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(duì)電路性能的影響 ,這種作用相當(dāng)于對(duì)電路進(jìn)行多次不同參數(shù)下仿真分析 ,以快速檢驗(yàn)電路性能 ,對(duì)將要投產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)很有意義。參數(shù)掃描有三種分析:DC工作點(diǎn)分析、 瞬態(tài)分析和 AC頻率分析。 對(duì)該功放電路中的 R1 進(jìn)行 DC工作點(diǎn)分析,分析結(jié)果 R1 應(yīng)為 201. 85k,

14、對(duì)該電路中 RL 進(jìn)行瞬態(tài)參數(shù)掃描分析.圖6 修正后帶自舉電容互補(bǔ)對(duì)稱電路圖7，修正后帶自舉電容互補(bǔ)對(duì)稱電路仿真4、結(jié)束語(yǔ)綜上分析知 ,在互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中 ,接入自舉電容 ,輸出級(jí)變共集電路為共射電路 ,提高了電壓增益 ,增大動(dòng)態(tài)范圍; 參數(shù)掃描分析快速校驗(yàn)和優(yōu)化電路性能。實(shí)踐表明 protel 99se軟件是電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有利工具 ,加速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步伐 ,對(duì)電子技術(shù)課程的教學(xué)也是一種有益的補(bǔ)充. 但是,在不同場(chǎng)合下,對(duì)非線性失真的要求不同. 例如,在測(cè)量系統(tǒng)和電聲設(shè)備中,這 個(gè)問(wèn)題顯得重要,而在工業(yè)控制系統(tǒng)等場(chǎng)合中,則以輸出功率為主要目的,對(duì)非線性失真的要求就降為次要問(wèn)題了. 如何減

15、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(guò)以上用protel對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路仿真分析可以看出,用該軟件可以提高對(duì)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(jì)更好地滿足實(shí)際負(fù)載的需要。參考文獻(xiàn): 1.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）。主編： 童詩(shī)百 華成英 (高等教育出版社)。2.Protel 99se電路設(shè)計(jì)與仿真教程 胡燁 姚鵬翼 江思敏 編著，(機(jī)械工業(yè)出版)。3.一種基于multisim 2001互補(bǔ)對(duì)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(tái)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025)4. Protel

16、 99se在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技巧 任全會(huì) 馬 蕾 5. 實(shí)驗(yàn)用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試 陳濤 ( 阜陽(yáng)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,阜陽(yáng) 236013)6.雙差分輸入全對(duì)稱全互補(bǔ)直流功率放大電路的分析與設(shè)計(jì) 石新峰,宋守云 7互補(bǔ)對(duì)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