低电压下高效音频功率放大器的仿真与分析_胡方
- 格式：pdf
- 大小：1.30 MB
- 文档页数：4
3) 三 极 管 的 非 线 性 限 制 了 最 大 不 失 真 输 出 电压．当低功放的输出电压接近或达到最大值 时 ，其 工 作 点 接 近 饱 和 区 ，此 时 放 大 器 件 的 非 线 性 程 度 表 现 明 显 ，即 输 出 电 压 幅 度 越 高 ，非 线 性 失真越大．
所 以 ，因 三 极 管 的 饱 和 管 压 降 、非 线 性 失 真 及 负 载 的 影 响 ，限 制 了 实 际 输 出 电 压 的 幅 度 ，降
自举电路的本质是一种特殊形式的正反
馈．其工作原理是利用电容两端电压瞬间不能
突 变 的 特 点 来 改 变 电 路 中 某 一 点 的 瞬 时电位 ，即
利用电容一端电位的提高来控制另一端电位．
图 3 所 示 双 自 举 OCL 电 路 中 ，C1 、R1 、R3 组 成
VT1 的 自 举 电 路 ，C2 、R2 、R4 组 成 VT2 自 举 电 路 ．
PD = 2Ic0UCC
(4)
集电极效率
ηC = Po/PD
(5)
用 Pspice 软 件 对 图 1 所 示 OCL 电 路 进 行 仿
真 实 验 ． 当 输 入 信 号 为 1 kHz 的 正 弦 波 时 ，不 同
幅度的输入信号激励下输出电压波形如图 2 所
示 ；对 输 出 信 号 进 行 傅 立 叶 分 析 ，其 结 果 如 表 1
UA
=
UCC R1 +
UBE3 R2
R1
+
UBE3
=
3UCC + UBE3 4
(6)
而 故 自 举 电 容 上 的 直 流 电 压 UC1 = UA ． 只 要 时
间 常 数 C1R3 足 够 大 ，即 C1 的 容 量 足 够 大 ，在 信 号
的 一 个 周 期 内 UC1 将 保 持 基 本 不 变 ．
Ｒ４
５０ Ω
-ＵＣＣ
１．５ Ｖ
图 1 OCL 放 大 电 路
幅 度 ，Uo1m 为 基 波 输 出 电 压 幅 度 极 电 流 直 流 分 量 的 平 均 值 ． 则 基 波 的
５００
输出功率为
电压 ／ ｍＶ
P1
=
U2 o1m
2RL
(1)
０
Ｕｉｍ ＝ ０．６ Ｖ Ｕｉｍ ＝ ０．８ Ｖ Ｕｉｍ ＝ １．０ Ｖ
所示．
Ｒ１ １５０ Ω
Ｒ３ ５０ Ω
ＶＴ３ Ｑ２Ｎ２２２２
ＵＣＣ １．５ Ｖ ＶＴ１ Ｑ２Ｎ２２２２
1 OCL 电路的仿真及分析
1.1 OCL 电路仿真 在 图 1 所 示 OCL 电 路 中 ，设 Uim 为 输 入 电 压
ＶＴ４
Ｑ２Ｎ２９０７
ｕｉ
Ｒ２ １５０ Ω
ＶＴ２ Ｑ２Ｎ２９０７
ＲＬ ８ Ω
综 上 所 述 ，在 OCL 电 路 中 要 想 减 小 非 线 性 失 真 ，就 要 限 制 输 出 电 压 的 幅 度 ，即 要 限 制 激 励 信 号 的 幅 度 ；此 时 ，OCL 电 路 的 实 际 最 大 不 失 真 输出功率和效率明显低于理论分析值． 1.2 影响输出功率和效率的因素
1) 三 极 管 的 饱 和 管 压 降 不 可 忽 略 ． 一 般 UCE(sat) = 0.1~ 0.3 V ，当 电 源 电 压 较 高 (UCC >10 V) 时 ， 其 影 响 可 忽 略 不 计 ． 但 在 低 电 压 运 用 时 ，如 在 OCL 电 路 中 UCC = ±1.5 V 时 ，UCE(sat) 的 影 响 则 不 可 忽 略 ，此 时 的 Pomax 及 ηC 明 显 降 低 ．
Ｕｉｍ ＝ １．２ Ｖ Ｕｉｍ ＝ １．４ Ｖ
按 非 线 性 失 真 系 数 THD 的 定 义 [2] ，有
-５００
∞
∑ THD = Uo2nm /Uo1m
(2)
-７００ ２０．００
２０．２５
２０．５０ ２０．７５ ２１．００
n=2
时间 ／ ｍｓ
可得总输出功率
图 2 OCL 电 路 输 出 电 压 波 形
理 论 分 析 中 ，理 想 情 况 下 OCL 电 路 的 电 压
( ) Po = P1 1 + THD2
(3)
增 益 为 1 ，且 三 极 管 的 饱 和 管 压 降 UCE(sat) 和 非 线 电 源 供 给 功 率
性 失 真 均 可 忽 略 ，其 最 大 输 出 功 率 、集 电 极 最 高 效 率 和 非 线 性 失 真 系 数 [1] 分 别 为 UC2C/2RL 、78.5% 和 0 ． 实 际 应 用 中 ，由 于 受 三 极 管 UCE(sat) 、非 线 性 及负 载 等 因 素 的 影 响 ，其 实 际 最 大 不 失 真输出功 率和集电极最高效率应该均低于上述理想情况 下 取 得 的 结 论 ． 而 且 电 源 电 压 UCC 越 低 ，UCE(sat) 的 影 响 就 越 明 显 ；负 载 电 阻 越 小 ，电 压 增 益 越 低；实 际 最 大 不 失 真 输 出 功 率 和 效 率 都 会明显低 于 理 想 值 ． 本 文 通 过 OCL 电 路 的 仿 真 及 分 析 ， 提 出 双 自 举 OCL 的 电 路 形 式 ，以 解 决 因 三 极 管 的饱 和 管 压 降、非 线 性 以 及 负 载 等 因 素 的影响使 实际 输 出 电 压、输 出 功 率 和 效 率 降 低 的 问题 ．
Ａ
Ｃ１
１００Ｆ ＵＣＣ
Ｒ１ １５０ Ω
Ｒ３ ５０ Ω
１．５ Ｖ
ＶＴ１
Ｑ２Ｎ２２２２
ＶＴ３
Ｑ２Ｎ２２２２
Ｏ
ＶＴ４
Ｑ２Ｎ２９０７
ｕｉ
Ｒ２ １５０ Ω
Ｒ４ ５０ Ω
ＶＴ２ Ｑ２Ｎ２９０７
-ＵＣＣ
ＲＬ ８ Ω
Ｃ２ １００Ｆ１．５ Ｖ
图 3 自 举 OCL 放 大 电 路
2.2 自举 OCL 电路的基本原理
(空军预警学院 三系，武汉 430019)
摘 要：当对非线性失真有一定要求时，低频功率放大器的实际最大输出功率和效率均低于理想状态时的理
论分析值，特别在电源电压较低时，其影响更为明显．依据自举电路可扩大放大器的动态输出范围的原理，提出
了一种双自举电路的 OCL 低功率放大器，以提高电路的输出电压，从而提高最大输出功率和效率．仿真结果表
R1 、R2 为 隔 离 电 阻 ，其 作 用 是 防 止 输 出 信 号 通 过
C1 、C2 短 路 ． 由 于 电 路 对 称 ，静 态 时 O 点 电 位 为
0 V ． 以 VT1 管 为 例 ，引 入 自 举 电 容 C1 后 ，静 态 时
A 点 电 位 为 R3 与 R1 、UBE3 的 分 压 ，即
2.3 自举 OCL 电路的仿真分析
1) 输 出功 率 和 效 率
用 Pspice 软 件 对 图 3 所 示 自 举 OCL 电 路 进
行 仿 真 分 析 ，在 与 普 通 OCL 电 路 条 件 相 同 时 ，若
要 求 THD ≤ 2% ，仿 真 结 果 为 ：当 Uim = 1.4 V 时 ，对 输 出 信 号 进 行 傅 立 叶 分 析 ，知 Uo1m =1.23 V ，Ic0 = 65.6 mA ，THD = 1.998% ． 由 此 可 得 P1 、Po 、PD 、 ηC ，如 表 2 所 示 ．
/V /V /mA /% /mW /mW /mW /%
低了输出功率和效率．特别是在低电源电压条 件下尤为明显．
0.60 0.478 19.30 1.69 14.28 14.28 57.91 24.7 0.77 0.605 24.30 1.92 22.88 22.89 72.90 31.4 0.80 0.623 25.03 2.65 24.26 24.28 75.10 32.3 1.00 0.690 28.25 10.32 29.76 30.07 84.74 35.5 1.20 0.720 30.05 16.38 32.40 33.27 90.16 36.9 1.40 0.736 31.27 20.75 33.86 35.31 93.81 37.6
动 态 时 ，在 输 入 信 号 的 正 半 周 ，VT1 管 导 通 ，
142
空军雷达学院学报
2012 年
随 输 入 信 号 幅 度 的 增 大 ，O 点 的 电 位 将 从 静 态 时
的 0 V 向 UCC 值 上 升 ，输 出 电 压 的 幅 度 随 之 增 大 ． 由 于 uA = uO + UC1 = uO + UA ，即 A 点 的 动 态 电位会随 O 点电位的升高而抬高．当输入信号
明：电源电压较低时，在非线性失真系数低于 2%的条件下，与 OCL 电路相比，双自举 OCL 电路的最大输出电压提
高了约 1 倍，最大不失真输出功率提高了约 3 倍，效率提高了近 20%．
关键词：低频功率放大器；自举电路；电路仿真
中图分类号：TN722
文献标志码：A
DOI: 10.3969/ j.issn.1673-8691.2012.02.017
2) 负 载 较 小 时 功 放 级 的 电 压 增 益 小 于 1． OCL 电 路 的 实 质 是 两 个 轮 流 导 电 的 射 极 输 出 器 ． 一 般 情 况 下 ，射 极 输 出 器 的 电 压 增 益 小 于 1 且 接 近 1[2] ． 但 当 负 载 较 小 时 ，如 负 载 为 8 Ω 的 扬 声 器 ，其 电 压 增 益 会 明 显 低 于 1，即 最 大 不 失 真 输出 电 压 的 幅 度 将 明 显 低 于 激 励 信 号 幅度 ，所以 Pomax 及 ηC 会 进 一 步 降 低 ．
第 26 卷 第 2 期 2012 年 04 月
空军雷达学院学报 Journal of Air Force Radar Academy
所 以 ，因 三 极 管 的 饱 和 管 压 降 、非 线 性 失 真 及 负 载 的 影 响 ，限 制 了 实 际 输 出 电 压 的 幅 度 ，降
自举电路的本质是一种特殊形式的正反
馈．其工作原理是利用电容两端电压瞬间不能
突 变 的 特 点 来 改 变 电 路 中 某 一 点 的 瞬 时电位 ，即
利用电容一端电位的提高来控制另一端电位．
图 3 所 示 双 自 举 OCL 电 路 中 ，C1 、R1 、R3 组 成
VT1 的 自 举 电 路 ，C2 、R2 、R4 组 成 VT2 自 举 电 路 ．
PD = 2Ic0UCC
(4)
集电极效率
ηC = Po/PD
(5)
用 Pspice 软 件 对 图 1 所 示 OCL 电 路 进 行 仿
真 实 验 ． 当 输 入 信 号 为 1 kHz 的 正 弦 波 时 ，不 同
幅度的输入信号激励下输出电压波形如图 2 所
示 ；对 输 出 信 号 进 行 傅 立 叶 分 析 ，其 结 果 如 表 1
UA
=
UCC R1 +
UBE3 R2
R1
+
UBE3
=
3UCC + UBE3 4
(6)
而 故 自 举 电 容 上 的 直 流 电 压 UC1 = UA ． 只 要 时
间 常 数 C1R3 足 够 大 ，即 C1 的 容 量 足 够 大 ，在 信 号
的 一 个 周 期 内 UC1 将 保 持 基 本 不 变 ．
Ｒ４
５０ Ω
-ＵＣＣ
１．５ Ｖ
图 1 OCL 放 大 电 路
幅 度 ，Uo1m 为 基 波 输 出 电 压 幅 度 极 电 流 直 流 分 量 的 平 均 值 ． 则 基 波 的
５００
输出功率为
电压 ／ ｍＶ
P1
=
U2 o1m
2RL
(1)
０
Ｕｉｍ ＝ ０．６ Ｖ Ｕｉｍ ＝ ０．８ Ｖ Ｕｉｍ ＝ １．０ Ｖ
所示．
Ｒ１ １５０ Ω
Ｒ３ ５０ Ω
ＶＴ３ Ｑ２Ｎ２２２２
ＵＣＣ １．５ Ｖ ＶＴ１ Ｑ２Ｎ２２２２
1 OCL 电路的仿真及分析
1.1 OCL 电路仿真 在 图 1 所 示 OCL 电 路 中 ，设 Uim 为 输 入 电 压
ＶＴ４
Ｑ２Ｎ２９０７
ｕｉ
Ｒ２ １５０ Ω
ＶＴ２ Ｑ２Ｎ２９０７
ＲＬ ８ Ω
综 上 所 述 ，在 OCL 电 路 中 要 想 减 小 非 线 性 失 真 ，就 要 限 制 输 出 电 压 的 幅 度 ，即 要 限 制 激 励 信 号 的 幅 度 ；此 时 ，OCL 电 路 的 实 际 最 大 不 失 真 输出功率和效率明显低于理论分析值． 1.2 影响输出功率和效率的因素
1) 三 极 管 的 饱 和 管 压 降 不 可 忽 略 ． 一 般 UCE(sat) = 0.1~ 0.3 V ，当 电 源 电 压 较 高 (UCC >10 V) 时 ， 其 影 响 可 忽 略 不 计 ． 但 在 低 电 压 运 用 时 ，如 在 OCL 电 路 中 UCC = ±1.5 V 时 ，UCE(sat) 的 影 响 则 不 可 忽 略 ，此 时 的 Pomax 及 ηC 明 显 降 低 ．
Ｕｉｍ ＝ １．２ Ｖ Ｕｉｍ ＝ １．４ Ｖ
按 非 线 性 失 真 系 数 THD 的 定 义 [2] ，有
-５００
∞
∑ THD = Uo2nm /Uo1m
(2)
-７００ ２０．００
２０．２５
２０．５０ ２０．７５ ２１．００
n=2
时间 ／ ｍｓ
可得总输出功率
图 2 OCL 电 路 输 出 电 压 波 形
理 论 分 析 中 ，理 想 情 况 下 OCL 电 路 的 电 压
( ) Po = P1 1 + THD2
(3)
增 益 为 1 ，且 三 极 管 的 饱 和 管 压 降 UCE(sat) 和 非 线 电 源 供 给 功 率
性 失 真 均 可 忽 略 ，其 最 大 输 出 功 率 、集 电 极 最 高 效 率 和 非 线 性 失 真 系 数 [1] 分 别 为 UC2C/2RL 、78.5% 和 0 ． 实 际 应 用 中 ，由 于 受 三 极 管 UCE(sat) 、非 线 性 及负 载 等 因 素 的 影 响 ，其 实 际 最 大 不 失 真输出功 率和集电极最高效率应该均低于上述理想情况 下 取 得 的 结 论 ． 而 且 电 源 电 压 UCC 越 低 ，UCE(sat) 的 影 响 就 越 明 显 ；负 载 电 阻 越 小 ，电 压 增 益 越 低；实 际 最 大 不 失 真 输 出 功 率 和 效 率 都 会明显低 于 理 想 值 ． 本 文 通 过 OCL 电 路 的 仿 真 及 分 析 ， 提 出 双 自 举 OCL 的 电 路 形 式 ，以 解 决 因 三 极 管 的饱 和 管 压 降、非 线 性 以 及 负 载 等 因 素 的影响使 实际 输 出 电 压、输 出 功 率 和 效 率 降 低 的 问题 ．
Ａ
Ｃ１
１００Ｆ ＵＣＣ
Ｒ１ １５０ Ω
Ｒ３ ５０ Ω
１．５ Ｖ
ＶＴ１
Ｑ２Ｎ２２２２
ＶＴ３
Ｑ２Ｎ２２２２
Ｏ
ＶＴ４
Ｑ２Ｎ２９０７
ｕｉ
Ｒ２ １５０ Ω
Ｒ４ ５０ Ω
ＶＴ２ Ｑ２Ｎ２９０７
-ＵＣＣ
ＲＬ ８ Ω
Ｃ２ １００Ｆ１．５ Ｖ
图 3 自 举 OCL 放 大 电 路
2.2 自举 OCL 电路的基本原理
(空军预警学院 三系，武汉 430019)
摘 要：当对非线性失真有一定要求时，低频功率放大器的实际最大输出功率和效率均低于理想状态时的理
论分析值，特别在电源电压较低时，其影响更为明显．依据自举电路可扩大放大器的动态输出范围的原理，提出
了一种双自举电路的 OCL 低功率放大器，以提高电路的输出电压，从而提高最大输出功率和效率．仿真结果表
R1 、R2 为 隔 离 电 阻 ，其 作 用 是 防 止 输 出 信 号 通 过
C1 、C2 短 路 ． 由 于 电 路 对 称 ，静 态 时 O 点 电 位 为
0 V ． 以 VT1 管 为 例 ，引 入 自 举 电 容 C1 后 ，静 态 时
A 点 电 位 为 R3 与 R1 、UBE3 的 分 压 ，即
2.3 自举 OCL 电路的仿真分析
1) 输 出功 率 和 效 率
用 Pspice 软 件 对 图 3 所 示 自 举 OCL 电 路 进
行 仿 真 分 析 ，在 与 普 通 OCL 电 路 条 件 相 同 时 ，若
要 求 THD ≤ 2% ，仿 真 结 果 为 ：当 Uim = 1.4 V 时 ，对 输 出 信 号 进 行 傅 立 叶 分 析 ，知 Uo1m =1.23 V ，Ic0 = 65.6 mA ，THD = 1.998% ． 由 此 可 得 P1 、Po 、PD 、 ηC ，如 表 2 所 示 ．
/V /V /mA /% /mW /mW /mW /%
低了输出功率和效率．特别是在低电源电压条 件下尤为明显．
0.60 0.478 19.30 1.69 14.28 14.28 57.91 24.7 0.77 0.605 24.30 1.92 22.88 22.89 72.90 31.4 0.80 0.623 25.03 2.65 24.26 24.28 75.10 32.3 1.00 0.690 28.25 10.32 29.76 30.07 84.74 35.5 1.20 0.720 30.05 16.38 32.40 33.27 90.16 36.9 1.40 0.736 31.27 20.75 33.86 35.31 93.81 37.6
动 态 时 ，在 输 入 信 号 的 正 半 周 ，VT1 管 导 通 ，
142
空军雷达学院学报
2012 年
随 输 入 信 号 幅 度 的 增 大 ，O 点 的 电 位 将 从 静 态 时
的 0 V 向 UCC 值 上 升 ，输 出 电 压 的 幅 度 随 之 增 大 ． 由 于 uA = uO + UC1 = uO + UA ，即 A 点 的 动 态 电位会随 O 点电位的升高而抬高．当输入信号
明：电源电压较低时，在非线性失真系数低于 2%的条件下，与 OCL 电路相比，双自举 OCL 电路的最大输出电压提
高了约 1 倍，最大不失真输出功率提高了约 3 倍，效率提高了近 20%．
关键词：低频功率放大器；自举电路；电路仿真
中图分类号：TN722
文献标志码：A
DOI: 10.3969/ j.issn.1673-8691.2012.02.017
2) 负 载 较 小 时 功 放 级 的 电 压 增 益 小 于 1． OCL 电 路 的 实 质 是 两 个 轮 流 导 电 的 射 极 输 出 器 ． 一 般 情 况 下 ，射 极 输 出 器 的 电 压 增 益 小 于 1 且 接 近 1[2] ． 但 当 负 载 较 小 时 ，如 负 载 为 8 Ω 的 扬 声 器 ，其 电 压 增 益 会 明 显 低 于 1，即 最 大 不 失 真 输出 电 压 的 幅 度 将 明 显 低 于 激 励 信 号 幅度 ，所以 Pomax 及 ηC 会 进 一 步 降 低 ．
第 26 卷 第 2 期 2012 年 04 月
空军雷达学院学报 Journal of Air Force Radar Academy
