何汶靜， 祝元仲， 王宇峰

(川北醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 四川 南充 637000)

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功率放大電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

何汶靜， 祝元仲， 王宇峰

(川北醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 四川 南充 637000)

摘要：功率放大電路是電子技術(shù)教學(xué)中的重要內(nèi)容，但其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)卻大多為驗(yàn)證性的。本文設(shè)計(jì)了開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路為主要內(nèi)容，自主分析各種可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，從而深入理解功率放大電路中三極管工作原理，耦合電容、輸入回路和時(shí)間常數(shù)等概念，為開設(shè)電子技術(shù)類實(shí)驗(yàn)課程提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：功率放大器；開放性實(shí)驗(yàn)；電子技術(shù)

0引言

功率放大電路一般用做放大系統(tǒng)中的最后一級(jí)，將信號(hào)功率提高至足夠大以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。其結(jié)構(gòu)、原理和基本參數(shù)的計(jì)算等內(nèi)容是“模擬電路”課程中的重要章節(jié)[2,3]。

在很多高等院校的模擬電路實(shí)驗(yàn)中都有功率放大電路這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4]。然而，其中大多是驗(yàn)證性的，即對(duì)照已知的實(shí)驗(yàn)電路圖連接電路，或用已有的實(shí)驗(yàn)電路板測試參數(shù)[5]。學(xué)生在不清楚實(shí)驗(yàn)原理的情況下，按照實(shí)驗(yàn)步驟也能完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)不到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。

我院近年來開展的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)在夯實(shí)學(xué)生基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，以啟發(fā)性、綜合性和設(shè)計(jì)性為特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。功率放大電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也采用了這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，取得了明顯成果。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)要求：自主設(shè)計(jì)功率放大電路，正確顯示其輸入輸出波形。

(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模荷钊肜斫怆娐返墓ぷ髟恚荒芨鶕?jù)各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析電路的問題；掌握電阻電容值的設(shè)定方法。

考慮到本院學(xué)生掌握知識(shí)的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)難易程度，本實(shí)驗(yàn)推薦學(xué)生采用一級(jí)電路，供電電源可選擇單電源或雙電源。

(3)實(shí)驗(yàn)電路：如圖1所示為單電源供電的甲乙類功率放大電路，多數(shù)教材在理論講解過程中已給出了電路結(jié)構(gòu)，但并未給出具體的阻容值、二極管三極管器件參數(shù)及設(shè)計(jì)方法[7]。本實(shí)驗(yàn)三極管推薦使用2N3904和2N3906，二極管推薦使用1N4148。其它參數(shù)由學(xué)生自主設(shè)定。

圖1　 甲乙類功率放大電路

2參數(shù)設(shè)置與波形分析

本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于正確理解和掌握電路結(jié)構(gòu)，以及對(duì)每個(gè)電阻電容值進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程要求學(xué)生采用Multisim 11.0軟件輔助分析不同參數(shù)情況下的功率放大電路輸出波形[8]。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下四個(gè)方面。

2.1耦合電容的設(shè)計(jì)

耦合電容用于隔離各級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。如果采用雙電源供電，則靜態(tài)P點(diǎn)電壓可設(shè)置為0，此時(shí)無其它特殊情況可以不加入耦合電容。但若采用如圖1所示電路的單電源供電電路，則在靜態(tài)時(shí)P點(diǎn)電壓不為0，實(shí)際上應(yīng)設(shè)置VP≈0.5VCC。因此輸入信號(hào)vi和輸入點(diǎn)P之間必須加入電容進(jìn)行耦合，防止本級(jí)電路和上一級(jí)電路或信號(hào)源之間相互影響，在此設(shè)耦合電容C1為10 μF。否則，若輸入信號(hào)的直流成分為0，則P點(diǎn)靜態(tài)電位會(huì)被拉低至0，使D1-D2不能導(dǎo)通。表1列出了在輸入信號(hào)vi峰峰值為4 V、f=1 kHz時(shí)，不同電阻取值情況下，測量得到的電路靜態(tài)工作點(diǎn)電壓及輸出電壓vo的峰峰值vopp，在表1第一列(b)行所示取值下，只有當(dāng)輸入信號(hào)vi的值足夠大時(shí)才會(huì)得到輸出電壓，否則由于二極管D1-D2截止，輸入信號(hào)無法通過，如圖2(b)所示。

表1 各典型情況下測量的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)輸出電壓

各電阻取值(Ω)測量值R1R2RLVB1VEQVB2vopp(a)正常10k2001k6.66.05.43.7(b)不加C110k2001k0.20.90.30.9(c)R1過小10021k6.86.05.23.7(d)R2過大10k10k1k6.65.95.12.3(e)RL過小10k200103.35.95.41.5

2.2基極偏置電阻R1、R3的考慮

功率放大電路采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)提高電路效率，假設(shè)Q1、Q2參數(shù)對(duì)稱，則應(yīng)取R1=R3。查閱2N3904和2N3906的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，在VCC取12 V的情況下，Q1、Q2不會(huì)超出極限值。但R1、R3的取值還應(yīng)考慮C1—D1—D2—R3實(shí)際上構(gòu)成了濾波器，如果R1取得較小如表1所示，則Vs和Vi間的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)相位差φ。

φ=arctan(1/ωRC)

(1)

其中C=C1，R是從P點(diǎn)向右看過去的對(duì)地等效電阻，正比于R1=R3的值。最終反映在輸出波形上如圖2(c)。

2.3偏置電阻R2的考慮

電路中B1點(diǎn)和B2點(diǎn)之間的電壓差VB1B2為Q1、Q2的發(fā)射結(jié)提供偏置電壓，使Q1、Q2在靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)調(diào)節(jié)R2的值，使R2和D1-D2上的電壓降之和小于微導(dǎo)通電壓時(shí)，可在輸出端觀察到交越失真。如果R2的值增大，則會(huì)使Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)間變長，消除交越失真。如表1第一列(a)行，圖2(a)所示。但如果繼續(xù)增大R2的值，Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)間繼續(xù)增大，則電路效率會(huì)降低，甚至甲乙類電路變?yōu)榧最愲娐?，與實(shí)驗(yàn)要求相悖。同時(shí)，由于R2在電路的輸入回路中，還會(huì)造成輸入信號(hào)過多的消耗在R2上，而不是發(fā)射結(jié)上。如表1第一列(d)行所示情況，使輸出信號(hào)vo的峰峰值減小，如圖2(d)所示。

2.4輸出回路C2、RL的考慮

C2在電路中起到類似于C1的隔離電路靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，同時(shí)在單電源供電的情況下，還為Q2提供直流偏置。因此在C2、RL構(gòu)成的充放電回路的時(shí)間常數(shù)不應(yīng)過小，否則放電過快，C2不能在Q2的工作周期內(nèi)提供足夠的電量，并伴隨出現(xiàn)相位差。在輸出端會(huì)表現(xiàn)出明顯的放電過程，在表1第一列(e)行情況下，如圖2(e)AB段所示。同時(shí)考慮到，三極管ic的最大變化范圍為

2(VCC-VCES)=2Vcem=2IcmRL

(2)

其中，VCES表示三極管飽和壓降，Vcem表示三極管C、E間最大電壓值，Icm表示三極管集電極最大電流。

(a)正常

(b)不加輸入耦合電容C1

(c)R1=R3取值過小

(d)R2過大

(e)RL過小

如果忽略管子的飽和壓降，則

Vcem=IcmRL≈VCC

(3)

RL過小，有可能使三極管超出集電極電流Ic的極限參數(shù)(200 mA)而受損。

圖3所示為學(xué)生開放性實(shí)驗(yàn)“單電源集成運(yùn)算

放大電路仿真”，電路采用直接耦合方式連接各級(jí)放大電路，Q1～Q4為輸入級(jí)，Q9為放大級(jí)，Q7、Q8共射放大的電路組成緩沖級(jí)，單電源供電的甲乙類功率放大電路做為多級(jí)放大電路最后一級(jí)，即Q5、Q6組成單電源供電的甲乙類功率放大電路。

圖3　單電源供電的多級(jí)放大電路

3結(jié)語

本文通過功率放大電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生能自主設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)，借助計(jì)算機(jī)仿真，更深入理解電路，使學(xué)生學(xué)會(huì)分析電路，設(shè)計(jì)電路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和獨(dú)立思考的能力。

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Design of Power Amplifier Circuit Experiment Project

HE Wen-jing， ZHU Yuan-zhong， WANG Yu-feng

(MedicalImageDepartment,NorthSichuanMedicalCollege,Nanchong637000,China)

Abstract:Power amplifier is an important part of electronic technology. But most of the corresponding experiments are verification project. an opening experiment is designed and its principle is that students should design the project independently and should analyze various possible errors on their own, and deepening understand knowledge such as transistor, coupling capacitance, input loop, time constant. New idea is provided for electronic technology experiment.

Keywords:power amplifier; opening experiment; electronic technology

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0686(2016)01-0132-03

中圖分類號(hào)：O6-334

收稿日期:2015-02-04;修回日期:2015-07- 17基金項(xiàng)目：四川省教育廳教改課題(川教函[2014]156號(hào))

第一作者：何汶靜(1983-)，女，碩士，講師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)的教學(xué)和科研工作。E-mail：18990715902@163.com