用于電力載波輸出的功率放大器的設計

　　電力載波通信(Power line comrnunicaTIon，PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g。最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞。現(xiàn)在，PLC除了在遠程抄表上有所應用外，隨著家庭智能系統(tǒng)這個話題的興起，也給PLC帶來了一個新的舞臺。在電力載波系統(tǒng)輸出級，需要對調(diào)制好的信號進行放大，本文使用共射放大電路和OTL電路分別對電壓和電流進行放大，為了控制輸出信號的諧波失真率，對偏置電路和反饋電路進行了改進，同時在設計中考慮溫度影響，使電路可以在室外環(huán)境中正常工作。

　　1 放大器的設計要求和基本電路

　　根據(jù)國家電網(wǎng)標準的要求，載波信號的總諧波失真應小于O．05％，由于需要在室外工作，所以電路需要能夠在-30℃的環(huán)境中正常工作，輸出功率應達到1 W。在本設計中，為了達到輸出功率的需求，供電部分采用12 V直流供電，電源內(nèi)阻為10 Ω。信號源為數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號，頻率為132 kHz，信號電壓峰值為2．5 V，芯片內(nèi)阻為2 kΩ。負載為電力線，在仿真中采用如圖1所示的人工電源網(wǎng)絡模型。

　　基本電路如圖2所示，Q9為前級放大，Q8，Q12為后級輸出。輸入與輸出之間引入負反饋，調(diào)節(jié)增益，使得輸出功率滿足實際應用的需要，同時起到降低諧波失真的作用。前后級直接耦合，以簡化電路，降低成本。

　　2 溫度影響

　　2．1 溫度降低的影響及解決辦法

　　當溫度降低時，使得晶體管集電極電流降低，而基極電流增大，當Q9基極電流增大時，R5電流增大，兩端壓降也隨之增大，而R5左端電壓為O．7 V基本不變，于是右端電壓上升，使得靜態(tài)工作點高于Vcc／2，于是輸出波形的正半周頂端出現(xiàn)失真。

　　解決方法：

　　(1)被動溫度適應法。加大負反饋降低增益，即R7的設定值降低，使得靜態(tài)工作點的上升不至于使輸出波形失真。缺點是降低了輸出。把R7調(diào)整為3 kΩ，電路可以在-30℃下正常工作，基波3 V，三次諧波為1 mV。

　　(2)主動溫度補償法：將R5設定為可變電阻，當溫度降低時，降低R5阻值，使靜態(tài)工作點保持不變，也就避免了輸出波形的失真。

　　2．2 溫度上升的影響及解決辦法

　　使用推挽式輸出級通常要通過偏置電路消除交越失真，最簡單的方法是使用D7和D8兩個二極管來實現(xiàn)。當負載電流較大時，三極管溫度升高，be間電壓降低，而二極管電流并不大，其正向?qū)妷篤e變化不大，這樣，Vbe和Ve之間的電位差使得三極管中流過的電流加大，溫度進一步上升，電位差更大，三極管電流也更大，最終使三極管發(fā)生熱損壞。解決方法：

　　(1)如圖3所示，在2個三極管射極輸出端串聯(lián)2個電阻，限制電流。

　　(2)使用如圖4所示的電路，將3個三極管靠近，使它們熱耦合，則隨著溫度變化，Q3兩端電壓也會變化，從而抑制了熱擊穿。

　　當三極管功率不是太大時，可以直接使用二極管偏置。

　　3 負反饋電路的改進

　　將基本電路中的R8使用如圖5所示的LC諧振電路代替，可以將132 kHz頻率的信號正確反饋，而其他頻率信號則被衰減至很小，從而改善輸出波形。

　　電容和電感的取值由公式來獲得。諧振頻率相同時，電容容量越小，電感數(shù)值越大，品質(zhì)因數(shù)越大，選頻特性越好，為了得到合適的負反饋，加入了電阻來調(diào)整品質(zhì)因數(shù)。

　　從表1可以看出，使用LC諧振作為負反饋可以在一定程度上抑制諧波失真。

　　選頻負反饋的使用使得電路只使用于特定頻率的功率放大，若需要較大范圍的頻率響應，則不適合采用選頻電路。

　　4 偏置電路的改進

　　使用圖6所示的恒流源代替基本電路中的電阻R1，使得偏置電路中的電流不會受到輸入端的影響，從而使輸出端更加穩(wěn)定，降低失真。

　　由表2兩者的對比可以看出，使用恒流源代替電阻可以使諧波失真大大降低，但是溫度特性會變差，使用中需要注意溫度補償。

　　溫度特性變差，但相對其對諧波失真的改進來看，此影響很小，所以在電路中恒流源的引入是非常有意義的。

　　5 提高輸入電阻

　　加入前面所述的選頻負反饋電路之后，輸入電阻變得很小，大概只有200～300 Ω，當信號源內(nèi)阻變化時，會導致輸出端波形變化很大，并可能出現(xiàn)嚴重失真。所以需要采取措施提高輸入電阻，以降低信號源變化所帶來的影響。

　　方法1 通?？梢圆捎蒙浼壐S電路作為前級輸入端的方法來提高輸入電阻，此方法效果好，成本高。

　　方法2 當對輸入電阻阻值要求不是太大時，可以簡單的在輸入端串聯(lián)一定數(shù)值的電阻，來達到提高輸入電阻的目的，此方法實現(xiàn)簡單，成本低。

　　在本應用中，信號由特定DA芯片提供，信號源內(nèi)阻變化不大，適合采用第2種方法。

　　6 晶體管的選擇

　　最大管壓降：電源采用了12 V供電，所以晶體管最大管壓降應大于12 V；最大電流：經(jīng)PSpice仿真，測得輸出級的2個三極管最大電流為150 mA，電流源和前級放大晶體管小于10 mA；最大功耗：經(jīng)PSpice仿真，測得輸出級的2個三極管最大瞬時功耗550 mW，前級放大晶體管最大瞬時功耗小于60 mW；工作溫度：產(chǎn)品需要能在室外環(huán)境中正常工作；頻率特性：截止頻率大于300 kHz；綜合考慮，選擇2N3904和N3906晶體管。

　　7 改進后的電路圖及性能

　　根據(jù)前面所述的方法對開始的基本電路進行改進，得到最后的實用電路，如圖7所示。電源：+12 V，內(nèi)阻10 Ω；輸出信號總諧波失真率約O．05％；輸入阻抗：1．2 kΩ。輸出阻抗：6 Ω；輸出電壓：8．3 V；最低工作溫度：-30℃。

　　8 結(jié)語

　　本文從最基本功率放大電路著手，從多個方面對其進行改進，獲得了較高的諧波失真性能和較高的輸出功率，最終電路能夠滿足國家電網(wǎng)標準的要求和實際應用的需求。