基于互補(bǔ)對稱功放的高壓電壓源的研究畢業(yè)論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) [ 論 文 ]</p><p>　　題 目：基于互補(bǔ)對稱功放的高壓電壓源的研究 </p><p>　　Title ： </p><p>　　院 系： 電氣與電子工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化

2、</p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　摘要：本論文所研制的穩(wěn)壓源是一種恒頻、恒壓的交流電流源，由運(yùn)算放大器、互補(bǔ)對稱功率電路和其他基本的電子元件構(gòu)成主電路。該電壓源主要用于穩(wěn)壓。</

3、p><p>　　文中介紹了各種穩(wěn)壓源及他們的原理，可以給讀者提供更多設(shè)計(jì)穩(wěn)壓源的思路。</p><p>　　文中給出了基于互補(bǔ)對稱功放的穩(wěn)壓源的主電路，驗(yàn)證了穩(wěn)壓原理，并給出了主電路的多組仿真波形和結(jié)果。該電路原理十分簡單，設(shè)計(jì)思路卻很獨(dú)特，實(shí)用性很強(qiáng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：互補(bǔ)對稱 穩(wěn)壓源 功率放大器</p><p>　　Abstr

4、act：In this paper, the voltage regulator is a kind of AC current source with constant frequency and constant voltage, the main circuit of which is constituted by the operational amplifier, complementary symmetry power ci

5、rcuits and other basic electronic components. The voltage regulator is mainly used to control the voltage. This paper introduces various kinds of voltage sources and their principles to give readers some ideas of vo

6、ltage regulator designing. In this paper, the main </p><p>　　Keywords: complementary symmetry voltage regulator power amplifier</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b&g

7、t;　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1選題背景1</b></p><p>　　1.1.1我國高壓電壓源的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2互補(bǔ)

8、對稱功放電路的必要性1</p><p>　　1.2幾種交流電壓源的比較2</p><p>　　1.2.1光電反饋型交流穩(wěn)壓電源2</p><p>　　1.2.2新型的高性能交流穩(wěn)壓電源5</p><p>　　1.2.3高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電源8</p><p>　　1.2.4高精度交流高壓穩(wěn)壓電源9</p&g

9、t;<p>　　1.3本文選題與主要研究內(nèi)容10</p><p><b>　　2方案比較11</b></p><p>　　2.1功率放大器兩種實(shí)現(xiàn)方法的比較11</p><p>　　2.1.1分立元件組成功率放大器11</p><p>　　2.1.2集成功率放大器電路12</p>&

10、lt;p>　　2.2開關(guān)式穩(wěn)壓電源13</p><p>　　2.2.1基本電路13</p><p>　　2.2.2單端反激式開關(guān)電源14</p><p>　　2.2.3單端正激式開關(guān)電源14</p><p>　　2.2.4自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源15</p><p>　　2.2.5推挽式開關(guān)電源16<

11、/p><p>　　2.2.6降壓式開關(guān)電源17</p><p>　　2.2.7升壓式開關(guān)電源17</p><p>　　2.2.8反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源18</p><p>　　3主電路參數(shù)設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1互補(bǔ)對稱功率放大電路的設(shè)計(jì)與測試19</p><p>　　3.2主電路原理

12、22</p><p>　　4主電路的Synopsys仿真分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果23</p><p>　　4.1負(fù)載接純電阻仿真模型及仿真結(jié)果23</p><p>　　4.2負(fù)載接純電容仿真模型及仿真結(jié)果25</p><p>　　4.3負(fù)載接純電感仿真模型及仿真結(jié)果25</p><p>　　4.4接容性或感性負(fù)載仿真模

13、型及仿真結(jié)果26</p><p><b>　　5總結(jié)28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>&

14、lt;b>　　1.1選題背景</b></p><p>　　1.1.1我國高壓電壓源的現(xiàn)狀</p><p>　　在無線電通訊、電子測量、自動(dòng)控制、電子計(jì)算機(jī)等許多設(shè)備中，供電電源必須具備穩(wěn)定的電壓。但我國的供電電壓的波動(dòng)范圍相當(dāng)大，這就需要在用電設(shè)備與交流供電電網(wǎng)之間加設(shè)交流穩(wěn)壓設(shè)備，以確保在供電電網(wǎng)的電壓一旦超出規(guī)定范圍后，經(jīng)交流穩(wěn)壓設(shè)備饋送給用電設(shè)備的實(shí)際交流電壓仍穩(wěn)定

15、在規(guī)定范圍內(nèi)。另外，穩(wěn)壓器的電源變壓器在使用過程中，并非連續(xù)有負(fù)載，且空載時(shí)間較長，穩(wěn)壓電源存在無功損耗，日積月累,是不可忽視的能源浪費(fèi)，增加了用戶開支。因此，設(shè)計(jì)節(jié)能型交流穩(wěn)壓電源很有實(shí)際意義[1]。</p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，用電量急劇上升，而電網(wǎng)特別是最底層電網(wǎng)相對老化，同時(shí)電網(wǎng)的污染又日益增多，從而造成用電電壓波動(dòng)大，波形失真等問題。用戶為了得到高品質(zhì)的電源，多采用交流穩(wěn)壓電源。目前的交

16、流穩(wěn)壓電源主要有磁飽和式、可變電抗器式、伺候電機(jī)拖動(dòng)調(diào)壓變壓器式、繼電器切換自耦變壓器式等，這幾種交流穩(wěn)壓電源中除了都需要用到笨重的、高損耗的工頻變壓器外，還存在響應(yīng)慢，有跳變，諧波多，輸出波形差等缺點(diǎn)。晶閘管相控式的交流穩(wěn)壓電源有輸出波形的缺損，從而會(huì)產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。而“交流/直流/交流”電力電子功率變換電路的穩(wěn)壓電源，其電路復(fù)雜，成本較高，在“交流/直流”工程中濾波電容還會(huì)使電路的功率因素下降[2]。</p>&

17、lt;p>　　針對上述穩(wěn)壓電壓源中的問題，本文設(shè)計(jì)了一中新型的交流穩(wěn)壓電源，它無需工頻變壓器，采用直接的“交流/交流”電力電子功率變換電路。電路簡單可靠，在電壓幅值的穩(wěn)定、波形的改善方面有很好的表形，同時(shí)電路有很高的效率，功率因素也比較高。</p><p>　　1.1.2互補(bǔ)對稱功放電路的必要性</p><p>　　利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，制作出高精度、高穩(wěn)定性的交流電壓源。電力電子技

18、術(shù)就是采用功率半導(dǎo)體器件對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、控制和優(yōu)化利用的技術(shù)，它是一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多門學(xué)科的邊緣交叉學(xué)科。按組成來分，電力電子系統(tǒng)主要分為器件、主電路和控制三部分。由于新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件不斷應(yīng)用到開關(guān)功率變換器中，加速了電力電子技術(shù)的發(fā)展，使電力電子裝置具有頻率高、效率高、功率密度高、功率因數(shù)高、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)。近年來，電力電子領(lǐng)域的發(fā)展異常

19、迅速，目前電力電子器件方面的發(fā)展主要表現(xiàn)為MOSFET、IGBT、IGCT等現(xiàn)代電力半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用，電路方面的發(fā)展主要表現(xiàn)為PWM拓?fù)浜蛙涢_關(guān)技術(shù)，控制技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)為數(shù)字控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用[3]。</p><p>　　在模擬電子線路中，功率放大電路時(shí)重要的必不可少的電路形式，是信號處理的多級放大后的必然要求，其主要的表現(xiàn)形式之一就是互補(bǔ)對稱功率放大電路（簡稱OTL功放電路）。由于互不對稱功放

20、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，拓寬了電路的通頻特性，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)對稱功放電路都得到了普遍使用。這樣，互不對稱功放電路也就成了電子線路中研究功放電路的重要實(shí)驗(yàn)。又由于三極管靜態(tài)工作點(diǎn)直接影響了功放電路的工作狀態(tài)，電路性能和最大輸出功率等。因此，熟練掌握這個(gè)電路的調(diào)節(jié)和測試也就變得很重要了[4]。</p><p&

21、gt;　　1.2幾種交流電壓源的比較</p><p>　　1.2.1光電反饋型交流穩(wěn)壓電源</p><p>　　交流電一般用正弦波形式表示，我國市電標(biāo)準(zhǔn)為，穩(wěn)壓電路要將輸出電壓穩(wěn)定在220V，就必須知道輸入或輸出電壓的變化情況， 并和標(biāo)準(zhǔn)樣作比較。如果要穩(wěn)直流電壓，可以直接從輸入和輸出中采樣，與標(biāo)準(zhǔn)樣比較，并作出反應(yīng)。但交流電比較過程中存在一個(gè)相位問題，如果周期或相位不同，也就是如果兩個(gè)比

22、較項(xiàng)不同步，其比較也無意義，所以交流反饋在技術(shù)上有一定難度。</p><p>　　目前市場上的穩(wěn)壓電路大部分采用輸入采樣，通過電子電路作出比較與調(diào)節(jié)，控制輸出。這種方法面臨著兩大技術(shù)難題：一是標(biāo)準(zhǔn)樣無法產(chǎn)生電路中的許多元件與輸入電壓有關(guān)，在其中產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓，非簡單電路能夠?qū)崿F(xiàn)；二是標(biāo)準(zhǔn)樣與反饋信號難同步，雖然完全標(biāo)準(zhǔn)的電壓很難產(chǎn)生，但近似電壓波還是能夠產(chǎn)生，但它未必與輸入或輸出采樣電壓同步。這兩大難題與成本的

23、尖銳矛盾是目前對交流穩(wěn)壓電路的一個(gè)制約。</p><p>　　對輸入采樣，調(diào)節(jié)電路始終與輸入變化同步，不能監(jiān)測輸出變化，即在電路調(diào)節(jié)中出現(xiàn)誤差不能及時(shí)修正。但對輸出采樣，則可根據(jù)輸出變化電路能及時(shí)作出相應(yīng)反應(yīng)，電路處于動(dòng)態(tài)平衡。</p><p>　　交流反饋存在相移問題，而直流反饋在此卻很有優(yōu)勢，我們可以采用橋式整流，消除其相移問題。結(jié)合這兩點(diǎn)改進(jìn)，可以使傳統(tǒng)方式的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)難度有所下降

24、。</p><p>　　半導(dǎo)體發(fā)光二極管是光學(xué)中常用的器件。它通常被用作光源，當(dāng)給半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩端加上大于0.7V的電壓，二極管就開始發(fā)光，而且其分壓始終為0.7V，其光功率與流過電流大小呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。在實(shí)際電路中，發(fā)光二極管旁一般要串聯(lián)一個(gè)限流電阻R，加上電壓與電流是線性關(guān)系，從而可知半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出的功率與所加電壓成線性關(guān)系。</p><p>　　受光照射后，光電二極管的

25、電壓-電流特性曲線將沿電流軸向下平移，平移的幅度與光照強(qiáng)度成正比。在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流大小幾乎與反向電壓高低無關(guān)，而在入射光照度一定的條件下，光電二極管相當(dāng)于一恒流源，其輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大。</p><p>　　交流電橋一般用于整流電路，它可以將正弦交流電調(diào)整成脈沖直流。發(fā)光二極管必須在大于0.7V的直流電壓下才能發(fā)光，因而我們必須先將其整流，這樣才能使交流的正負(fù)項(xiàng)全部反饋，在電路設(shè)計(jì)中，

26、輸出反饋首先經(jīng)過了橋式整流。光電二極管也加了一個(gè)交流電橋，但它不再用作整流。如圖1.1a所示，光電二極管在光激勵(lì)后相當(dāng)于一個(gè)恒流源，即流過橋的電流恒定，但其在橋內(nèi)的流向如何，還與橋的另兩端電壓大小有關(guān)。</p><p><b>　　圖1.1交流電橋圖</b></p><p>　　濾波可控硅控制調(diào)壓電路，電壓輸出波形不再是一個(gè)完整的正弦波，而是一個(gè)被削去左邊一部分的正弦

27、波，如果單用交流電橋整流，反把負(fù)向電壓波翻到正向，這樣的電壓加在發(fā)光二極管上，發(fā)光二極管必然也有一段時(shí)間不發(fā)光，呈光強(qiáng)波形。在其不發(fā)光期間，PIN就失去了控制作用?？傊?，如果僅通過整流和光電反饋來控制穩(wěn)壓，其反饋效果并不好。如果我們采用了濾波技術(shù)，那么輸出電壓以電平形式反饋，使PIN不存在接收暗光的時(shí)間段，這樣，只要輸出端電壓有所變化，則反饋產(chǎn)生階躍性變化，最后使觸發(fā)端電壓以較平形式變化，最終達(dá)到控制目的。</p><

28、;p>　　根據(jù)上述原理，可以粗略地設(shè)想出如圖1.2所示的電路框架。只要輸出端電壓有效值發(fā)生變化，發(fā)光二極管便以電平形式反饋給光電二極管，再通過控制電路及時(shí)對輸出電壓作出修正。</p><p><b>　　圖1.2電路框架圖</b></p><p>　　如圖1.3所示電路，當(dāng)輸出端電壓大時(shí)，發(fā)光二極管的光功率加強(qiáng)，光電二極管上的電流增大，A、B兩點(diǎn)電壓下降很多，可

29、控硅導(dǎo)通角變小，變壓器輸入端 C、D電壓降低，輸出電壓也降低。如此往復(fù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得電路有穩(wěn)定的輸出。</p><p>　　在輸入端加入一定的電壓，在 3種情況下測試其邏輯，即將光電二極管完全避光，用臺燈光照光電二極管和用反饋過來的發(fā)光二極管照射光電二極管。</p><p><b>　　圖1.3實(shí)驗(yàn)電路圖</b></p><p>　　（1）穩(wěn)

30、壓范圍。原電路（圖1.3） 的穩(wěn)壓范圍為175V～320V， 改進(jìn)后其穩(wěn)壓范圍為160V～400V，可控硅正向最大耐壓一般為400V左右。</p><p>　　（2）穩(wěn)定范圍。由于光電二極管很靈敏， 再加上三極管放大信號，使其穩(wěn)定性非常好，誤差基本上是在幾伏范圍內(nèi)，但輸出波形不再是正弦波。</p><p>　?。?）工作范圍。由于光電二極管， 發(fā)光二極管及可控硅有其使用范圍，本電路的工作范

31、圍也就有所確定，一般不得超出400V。</p><p>　?。?）功耗。整個(gè)電路只有3個(gè)電阻消耗功率， 而且功耗很小，一般應(yīng)在幾百mV 左右。</p><p>　　該電路能夠?qū)崿F(xiàn)小功率鐵芯實(shí)現(xiàn)大功率穩(wěn)壓，而且其穩(wěn)定性好，穩(wěn)壓范圍寬，電路成本低，工作效率高，是目前比較理想的家用穩(wěn)壓電路[5]。</p><p>　　1.2.2新型的高性能交流穩(wěn)壓電源</p>

32、<p>　　原理框圖 ,如圖1.4示。</p><p>　　是變壓器的原邊繞組,是副邊繞組。同輸入電壓和負(fù)載串連,顯然改變的阻抗大小就可調(diào)整輸出電壓;我們也可采用如下的方法:在副邊繞組接入一只可變電阻,此電阻會(huì)對變壓器原邊形成反應(yīng)阻抗,改變此電阻的大小同樣可以調(diào)整電壓。</p><p><b>　　圖1.4原理框圖</b></p><

33、p>　　假設(shè)變壓器無損耗和無滯磁則以下公式成立:</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　由以上兩公式可得:</b></p><p><b>　　（1-3）</b>&

34、lt;/p><p>　　對原變壓器原變則的阻抗變化可寫成如下微分型式:</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　此等式表明,變壓器的副邊繞組電阻可以反應(yīng)到原邊繞組；而且原邊繞組電阻與副邊繞組電阻成正比,是線性關(guān)系。比例因子是原邊繞組與副邊繞組的變比的平方。只要足夠大, 的較小變化會(huì)反應(yīng)到原邊有較大的變化。</p&g

35、t;<p>　　式(1-4)又表明:要求不依賴于電流。若 是純電阻,就不會(huì)有諧波生成,當(dāng)然輸出電壓正弦波就不會(huì)失真。</p><p>　　而調(diào)整電阻的產(chǎn)生，原理如圖1.5所示。</p><p>　　此電路由整流橋4、晶體管5、運(yùn)算放大器6、場效應(yīng)管7等組成。</p><p>　　當(dāng)時(shí),假定場效應(yīng)管7的漏源間電壓降很小,同時(shí)忽略整流橋的電壓降,對運(yùn)算放大

36、器可得如下公式:</p><p><b>　　（1-5）</b></p><p>　　是場效應(yīng)管7的漏源電阻,在低阻值范圍內(nèi)使用時(shí),它有非常好的線性。</p><p>　　圖1.5調(diào)整電阻RS的產(chǎn)生</p><p><b>　　當(dāng)時(shí):</b></p><p><b>

37、;　　（1-6）</b></p><p>　　在這個(gè)等式中,場效應(yīng)管FET的漏源電阻,場效應(yīng)管FET的夾斷電壓,漏源飽和電流(漏源飽和壓降)</p><p>　　將公式（1-5） 代入公式（1-6）得到以下式:</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　寫成微分型式

38、:</b></p><p><b>　　（1-8）</b></p><p>　　從此式可以看到:的函數(shù)只是 ,改變就可改變的大小;因?yàn)槠溆嗔慷际浅?shù),此公式說明不依賴于,前面的假設(shè)成立,設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓系統(tǒng)是合理的。得到了一只僅依賴于的直流電壓線性控制器,對交流電來說以上過程是等效實(shí)數(shù)運(yùn)算過程,不含虛數(shù)成份,所以這只電阻是純電阻,此電路不會(huì)有諧波生成,換言之不會(huì)

39、產(chǎn)生正弦波失真。</p><p>　　如前所述,阻抗能通變壓器反應(yīng)至變壓器的原邊側(cè),通過調(diào)節(jié)的大小可控制交流輸出電壓 ,再引入反饋控制網(wǎng)絡(luò) ,就組成了一只高性能高精度的交流穩(wěn)壓器。</p><p>　　實(shí)際證明這種交流穩(wěn)壓電源是高性能的:無失真、高精度、響應(yīng)速度快 ,在需要高指標(biāo)交流穩(wěn)壓電源的場合有廣泛的運(yùn)用前景[6]。</p><p>　　1.2.3高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電

40、源</p><p>　　由三極管作調(diào)整元件構(gòu)成的分立元件穩(wěn)壓電源有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種 ,其特點(diǎn)是負(fù)載電流范圍大 ,輸出電壓范圍寬 ,而且調(diào)節(jié)方便 ,輸出電阻及穩(wěn)壓系數(shù)小 ,穩(wěn)壓性能較好。目前應(yīng)用較多的是晶體管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 ,下面作一介紹。</p><p>　　串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路原理如圖1.6所示。</p><p>　　圖1.6串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路方框圖</

41、p><p>　　典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖1.7,該電路的穩(wěn)壓控制過程如下:當(dāng)輸入電壓增大或負(fù)載電流減小而使輸出電壓增加時(shí) , 經(jīng)、的分壓使上的壓降增大 , 與基準(zhǔn)電壓比較 ,其差值使增加 ,經(jīng)管放大后引起增加 , 下降。由于直接加到調(diào)整管下的基極 ,又由于管的,增大 , 減小 ,使減小 ,因而減小。的減小使增大 ,迫使減小 ,從而維持基本不變[7]。</p><p>　　圖1.7串聯(lián)型晶體管穩(wěn)

42、壓電路</p><p>　　1.2.4高精度交流高壓穩(wěn)壓電源</p><p>　　圖1.8為系統(tǒng)的框圖，其中的80C196單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)工作的核心, 用于產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號，由4個(gè)MOSFET管組成了逆變電路。</p><p>　　圖1.8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　系統(tǒng)的工作原理如下: 操作員通過輸入接口電路向16位微處理器輸

43、入所要得到的正弦電壓幅值,微處理器根據(jù)所輸入的電壓標(biāo)稱值,產(chǎn)生對應(yīng)SPWM信號, 此信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路,便會(huì)在逆變橋的輸出產(chǎn)生功率SPWM波,經(jīng)過濾波電路,就得到正弦波,該正弦波再通過一個(gè)升壓電路升壓,就得到期望的正弦波電壓輸出。由于濾波器造成的信號損失以及市電波動(dòng)等因素的影響,輸出的正弦電壓可能會(huì)偏離期望值,所以從輸出端進(jìn)行電流和電壓取樣,取樣值通過光電隔離電路及A/D轉(zhuǎn)換電路反饋至單片機(jī),單片機(jī)再與設(shè)定的電壓、電流值進(jìn)行比較。如果發(fā)生過

44、流現(xiàn)象,則采取相應(yīng)的保護(hù)措施,停止脈沖輸出。如果偏離電壓期望值,則相應(yīng)改變SPWM波的寬度以調(diào)節(jié)輸出[8]。</p><p>　　1.3本文選題與主要研究內(nèi)容</p><p>　　我國的供電電壓的波動(dòng)范圍相當(dāng)大，這就需要在用電設(shè)備與交流供電電網(wǎng)之間加設(shè)交流穩(wěn)壓設(shè)備，以確保在供電電網(wǎng)的電壓一旦超出規(guī)定范圍后，經(jīng)交流穩(wěn)壓設(shè)備饋送給用電設(shè)備的實(shí)際交流電壓仍穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。主要研究內(nèi)容：（1）調(diào)

45、研國內(nèi)外高壓電壓源研究現(xiàn)狀，分析存在的問題；（2）選擇或設(shè)計(jì)具有高效率、高可靠性，基于互補(bǔ)對稱功放的高壓電壓源，建立數(shù)學(xué)和仿真模型；（3）研究基于互補(bǔ)對稱功放的高壓電壓源的分析和設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　2方案比較</b></p><p>　　2.1功率放大器兩種實(shí)現(xiàn)方法的比較</p><p>　　功率放大電路是一種能量轉(zhuǎn)換電路,

46、 要求在失真許可的范圍內(nèi), 高效地為負(fù)載提供盡可能大的功率, 功放管的工作電流、電壓的變化范圍很大, 那么三極管</p><p>　　常常是工作在大信號狀態(tài)下或接近極限運(yùn)用狀態(tài), 有甲類、乙類、甲乙類等各種工作方式。為了提高效率,將放大電路做成推挽式電路, 功放管的工作狀態(tài)設(shè)置為甲乙類, 以減小交越失真。常見的音頻功放電路在連接形式上主要有雙電源互補(bǔ)推挽功率放大器OCL(無輸出電容)、單電源互補(bǔ)推挽功率放大器OT

47、L (無輸出變壓器)、平衡 (橋式) 無變壓器功率放大器BTL等。由于功放管承受大電流、高電壓, 因此功放管的保護(hù)問題和散熱問題必須重視。功率放大器可以由分立元件組成, 也可由集成電路實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.1.1分立元件組成功率放大器</p><p>　　圖2.1為一個(gè)由分立元件構(gòu)成的直流化的互補(bǔ)對稱OCL電路。電路由差分放大級、電壓推動(dòng)級和復(fù)合輸出級構(gòu)成。本電路引入了直流負(fù)反饋

48、電路, 一般功放中由于存在反饋電容, 限制了低頻響應(yīng), 為了消除這種不利影響, 只有增大反饋電容, 但電容較大, 會(huì)使電路不穩(wěn)定。該電路取消了反饋電容, 徹底解決了這一矛盾。同時(shí), 通過射級電阻引入本級負(fù)反饋, 明顯改善了本級性能并簡化了電路。輸出級工作在甲乙類狀態(tài), 既顧及了效率, 也保證元件的線形工作狀態(tài)。差分管放大倍數(shù)等于200，兩管相差要非常小。電壓推動(dòng)管放大倍數(shù)等于80。</p><p>　　在此條件下

49、, 加以性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源提供能量和偏置, 最后對整個(gè)電路加以調(diào)試?？蓽y得: 當(dāng)前置輸入20mV時(shí), 輸出功率>12W。該電路應(yīng)注意非線形失真及噪聲的減小, 最終調(diào)試較復(fù)雜。但電路只有基本放大電路, 因此功能擴(kuò)展余地很大。</p><p>　　圖2.1由分立元件構(gòu)成的OCL電路</p><p>　　2.1.2集成功率放大器電路</p><p>　　現(xiàn)在市場上有

50、許多性能優(yōu)良的集成功放芯片，如雙運(yùn)放NE5532，TDA 2040，LM 1875，TDA 1514 等。其中TDA 2040 功率裕量不大，TDA 1514 外圍電路復(fù)雜，所以在集成功放設(shè)計(jì)中采用LM 1875。</p><p>　　圖2.2為用LM 1875 構(gòu)成的集成功率放大器，其開環(huán)增益為26 dB，即放大倍數(shù)A = 20。其中20 、1電阻組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)二極管為保護(hù)二極管，輸出端電阻與電容組成防高

51、頻自激電路，正負(fù)電源兩端電容為電源退耦電容。若輸出電阻負(fù)載上功率>10W，加上功率管上壓降2V，則可計(jì)算得輸出效率為66.2% ，最大不失真電壓峰-峰值為25.3 V，輸入信號電壓峰-峰值為2.53 V。該電路仍需對前置放大電路、波形變換電路、穩(wěn)壓電源和保護(hù)電路加以改進(jìn)，前置放大電路可以采用2 級N E5532 典型應(yīng)用電路； 波形變換用高精度運(yùn)放OP07 完成；穩(wěn)壓電源由LM 317和LM 337 組成；保護(hù)電路由繼電器加三極管

52、電路構(gòu)成。該電路以模擬放大為主, 各電路板之間要采用雙芯屏蔽線連接, 防止自激干擾。該電路實(shí)現(xiàn)功放參數(shù)合理, 較為簡單。</p><p>　　功率放大電路還有其他很多形式, 如多級直接耦合式OCL 放大電路, 無論功率放大電路為哪一種類型, 都要注意前置電壓放大級、電源電路的設(shè)計(jì)。最后, 還要注意由于工作升溫引起的工作點(diǎn)飄移現(xiàn)象, 對其做以適當(dāng)補(bǔ)償以減小電路的非線形失真和穩(wěn)定度的提高[9]。</p>

53、<p>　　圖2.2用LM 1875構(gòu)成的集成功率放大器</p><p>　　2.2開關(guān)式穩(wěn)壓電源</p><p><b>　　2.2.1基本電路</b></p><p>　　圖2.3開關(guān)電原基本電路框圖</p><p>　　開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖2.3所示。</p><p>

54、;　　交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈沖成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?lt;/p><p>　　控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的[10,

55、11]。</p><p>　　2.2.2單端反激式開關(guān)電源</p><p>　　單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4單端反擊式開關(guān)電源</p><p>　　電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管處于截

56、止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，變壓器T初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。</p><p>　　單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20－100W，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負(fù)載。</p><p>　　單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管承受的最大反向電壓

57、是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20－200kHz之間[12]。</p><p>　　2.2.3單端正激式開關(guān)電源</p><p>　　單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5單端正激式開關(guān)電源</p><p>　　這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載

58、傳送能量，濾波電感L儲存能量；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感Ｌ通過續(xù)流二極管繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管，它可以將開關(guān)管的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。</p><p>　　由于這種電路在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，通過變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50－200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正

59、因?yàn)檫@個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少[12,13]。</p><p>　　2.2.4自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源</p><p>　　自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6自激式開關(guān)電源</p><p>　　這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。</p><p&g

60、t;　　當(dāng)接入電源后在給開關(guān)管提供啟動(dòng)電流，使開始導(dǎo)通，其集電極電流在中線性增長，在中感應(yīng)出使基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使很快飽和。與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給充電，隨著充電電壓的增高，基極電位逐漸變低，致使退出飽和區(qū)，開始減小，在中感應(yīng)出使基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使迅速截止，這時(shí)二極管導(dǎo)通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在截止時(shí)，中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)給反向充電，逐漸提高基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到

61、飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。</p><p>　　自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源[14]。</p><p>　　2.2.5推挽式開關(guān)電源</

62、p><p>　　推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7推挽式開關(guān)電源</p><p>　　它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個(gè)開關(guān)管和，兩個(gè)開關(guān)管在外激勵(lì)方波信號的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器T次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?lt;/p><p>　　這種電

63、路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100－500W范圍內(nèi)[15-18]。</p><p>　　2.2.6降壓式開關(guān)電源</p><p>　　降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8降壓式開關(guān)電源</p><p>　　當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管截止，輸

64、人的整流電壓經(jīng)和L向C充電，這一電流使電感L中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載和續(xù)流二極管釋放電感L中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在基極上的脈沖寬度確定。</p><p>　　這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)[15,19]。</p><p>　　2.2.7升壓式開關(guān)電源&l

65、t;/p><p>　　升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9升壓式開關(guān)電源</p><p>　　當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感L儲存能量。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源[20]。</p><p>　　2.2.8反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源&

66、lt;/p><p>　　反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖2.10所示。</p><p>　　圖2.10反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源</p><p>　　這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(guān)管之前的脈沖直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。</p><p>　　當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感L儲存能量，二極管截止，負(fù)載靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管截

67、止時(shí)，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管向負(fù)載供電，同時(shí)給電容C充電[21,22]。</p><p><b>　　3主電路參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1互補(bǔ)對稱功率放大電路的設(shè)計(jì)與測試</p><p>　　圖3.1為過去實(shí)驗(yàn)常用的典型的OTL功放電路圖，圖3.3則為修改后的OTL功放電路圖。為了下面的對比分析

68、方便，首先就圖3.1電路進(jìn)行簡單的原理分析。圖3.1中，為前置電壓放大級，、是用鍺材料做成的NPN和PNP型異型管，它們組成輸出級。是級間反饋電阻，形成直、交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋。通過取得直流偏置，其集電極電流流經(jīng)、、，所形成的電壓降作為和基極的偏置電壓，使輸出級工作在甲乙類。同時(shí)，、、又是的負(fù)載電阻，它的大小將直接影響整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)。靜態(tài)時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)、和、，使輸出端O點(diǎn)的電位為，C、D兩端的電壓差略小于1V，即和兩管處于臨界截狀態(tài)

69、。此時(shí)耦合電容和自舉電容上的電壓都將充電到接近。和組成自舉電路，目的是在輸出正半波時(shí)，利用上電壓不能突變的原理，使B點(diǎn)的電位始終比發(fā)射極O點(diǎn)的電位高，以保證在O點(diǎn)電位上升時(shí)仍能充分導(dǎo)通。</p><p>　　當(dāng)有信號輸入時(shí)，集電極輸出放大了的電壓信號，其正半周使趨向?qū)?，趨向截止，電流由?jīng)的集、射極，再通過 (自上而下)流向負(fù)載電阻，并給充電;當(dāng)處于負(fù)半周時(shí)，趨向?qū)?，趨向截止、電容放電，電流通過的發(fā)射極和集電極

70、反向(自下而上)流過負(fù)載。因此，在上形成完整的正弦波形，如圖3.2所示。圖3.2中。</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　（b）</b></p><p><b>　　圖3.2</b

71、></p><p><b>　　圖3.3</b></p><p>　　下面再研究圖3.3與圖3.1的不同之處。圖3.1中的100電位器在圖3.3中被改成了200的固定電阻，原電位器被改成51的固定電阻，原510電阻被改成1000的電位器。這三處的變動(dòng)解決了圖3.1存在的三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的不易解決的難題:(1)因?yàn)镺點(diǎn)的電壓和波形受、和控制，若使O點(diǎn)的電壓接近，同時(shí)又

72、使輸出波形正常，則需要經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)節(jié)，一般也很難達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)改用圖3.3后，這種調(diào)節(jié)變得相當(dāng)容易，僅需微微調(diào)節(jié)即可滿足要求。(2)即使經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)節(jié)，輸出的正弦波形接近正常，但其交越失真也很難消除。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果僅把改成200左右的固定電阻，再去調(diào)節(jié)，也不易改善交越失真，必須完全按照圖3.3電路那樣才能消除此類現(xiàn)象。(3)當(dāng)輸出的正弦波形接近正常時(shí)，O點(diǎn)的電壓若接近，則C、D之間的電壓過大，即流過的電流過大，也即整機(jī)電流過大，

73、容易損壞輸出管。而當(dāng)改用圖3.3后，輸出管可以完全工作在截止?fàn)顟B(tài)，降低了整機(jī)電流。另外，圖3.3與圖3.1之間還有一個(gè)不同之處，那就是圖3.3電路多了一個(gè)100pF的電容。在測試圖3.1電路過程中發(fā)現(xiàn)，如果用一個(gè)萬用表始終監(jiān)視C、D之間的電壓，那么，輸出的正弦波形將</p><p><b>　　3.2主電路原理</b></p><p><b>　　圖3.4主

74、電路圖</b></p><p>　　主電路如圖3.4所示。</p><p>　　分析電路。由運(yùn)放的虛短知，10電阻兩端的電壓為，90電阻兩端的電壓為。再由運(yùn)放的虛斷知，10電阻和90電阻上流過的電流，大小相等，方向相同，得</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　

75、整理，得</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，理論上，輸出電壓不隨負(fù)載的變化而變化，恒定，且為輸入電壓的-9倍。若取,則。</p><p>　　4主電路的Synopsys仿真分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　在Synopsys軟件中，仿真電路。搭建電

76、路如圖4.1所示。</p><p>　　主電路參數(shù)為，電阻從左至右分別為10、90、50、50，運(yùn)算放大器選擇pa26_3,二極管選擇d1n4148，三極管選擇mjl21193_sl和mjl21194_sl，運(yùn)放和三極管驅(qū)動(dòng)電壓分別為+50V和-50V。</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　4.1負(fù)載接純電阻仿真模

77、型及仿真結(jié)果</p><p>　　在負(fù)載處接入變化的純電阻，電阻變化如圖4.2所示。即0，10k；10ms，90k，40ms，5k；90ms，60k。</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　仿真結(jié)果，如圖4.3所示。由仿真圖形可以直觀的看到，無論電阻如何變化，影響的只有流過電阻的電流，電阻兩端電壓恒定不變，為45V。

78、且由輸入電源電壓和輸出電壓的相位差為180°，知道和反向。</p><p>　　圖4.3負(fù)載為純電阻仿真波形</p><p>　　4.2負(fù)載接純電容仿真模型及仿真結(jié)果</p><p>　　在負(fù)載處接入純電容，仿真結(jié)果如圖4.4所示。由仿真圖形可以直觀的看到，雖然負(fù)載由純電阻變?yōu)榱思冸娙荩绊懙闹挥辛鬟^負(fù)載的電流，負(fù)載兩端電壓恒定不變，保持為45V。且由輸

79、入電源電壓和輸出電壓的相位差為180°，知道和反向。</p><p>　　圖4.4負(fù)載為純電容仿真波形</p><p>　　4.3負(fù)載接純電感仿真模型及仿真結(jié)果</p><p>　　在負(fù)載處接入純電感，仿真結(jié)果如圖4.5所示。由仿真圖形可以直觀的看到，雖然負(fù)載由純電容變?yōu)榱思冸姼校绊懙闹挥辛鬟^負(fù)載的電流，負(fù)載兩端電壓恒定不變，保持為45V。且由輸入電源

80、電壓和輸出電壓的相位差為180°，知道和反向。</p><p>　　圖4.5負(fù)載為純電感仿真波形</p><p>　　4.4接容性或感性負(fù)載仿真模型及仿真結(jié)果</p><p>　　在負(fù)載處并聯(lián)接入電容和電阻，仿真結(jié)果如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6容性負(fù)載仿真波形</p><p>　　在負(fù)載處并

81、聯(lián)接入電感和電阻，仿真結(jié)果如圖4.7所示。</p><p>　　圖4.7感性負(fù)載仿真波形</p><p>　　由仿真圖形可以直觀的看到，無論負(fù)載接什么，影響的只有流過負(fù)載的電流，負(fù)載兩端電壓恒定不變，且保持為45V，與輸入電壓反向。</p><p><b>　　5總結(jié)</b></p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，

82、用電量急劇上升，而電網(wǎng)特別是最底層電網(wǎng)相對老化，同時(shí)電網(wǎng)的污染又日益增多，從而造成用電電壓波動(dòng)大，波形失真等問題。用戶為了得到高品質(zhì)的電源，多采用交流穩(wěn)壓電源。交流穩(wěn)壓電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及其周邊裝置、醫(yī)療電子儀器、通訊廣播設(shè)備、工業(yè)電子設(shè)備、自動(dòng)生產(chǎn)線等現(xiàn)代高科技產(chǎn)品的穩(wěn)壓和保護(hù)。</p><p>　　本課題完成的主要工作及成果：</p><p>　?。?）論述了研究基于互補(bǔ)對稱功放的高

83、壓電壓源研究的緊迫性和必要性以及其發(fā)展前景與發(fā)展意義。</p><p>　　（2）分析討論了多種交流穩(wěn)壓電壓源的類型，并選擇了適合互不對稱功放電路，搭建出電壓源主電路。</p><p>　?。?）為驗(yàn)證電路的穩(wěn)壓性，搭建仿真模型，通過Synopsys進(jìn)行仿真，得到了與理論分析較為一致的結(jié)果。最后在搭建實(shí)際電路的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)所得的波形，驗(yàn)證了所采用的電路可行性和合理性。</p>

84、;<p>　　本論文的初衷是找出基于互補(bǔ)對稱功放的電壓源的主電路，并對其合理性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。但是將該電路擴(kuò)展到高壓領(lǐng)域，將會(huì)是后續(xù)工作需要解決的主要難點(diǎn)。不過仿真結(jié)果讓我們看到了樂觀的前景。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 路正蓮.一種節(jié)能型交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào),2002，16（1）：7

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