用于電力載波輸出的功率放大器設(shè)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(shù)。最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞?，F(xiàn)在，PLC除了在遠程抄表上有所應(yīng)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(shè)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(shè)計要求和基本電路
根據(jù)國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，載波信號的總諧波失真應(yīng)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(yīng)達到1 W。在本設(shè)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(luò)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)法。加大負反饋降低增益，即R7的設(shè)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(shè)定為可變電阻，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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。