【正文】 題 目： 功率放大器的設(shè)計(jì)與版圖繪制 指導(dǎo)者： 教授 評(píng)閱者： 副教授 2021 年 6 月 5 日 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文 畢業(yè) 設(shè)計(jì)中文摘要 功率放大器的設(shè)計(jì)與版圖繪制 摘要： 功率放大器 , 是 在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載的放大器 ,它分為甲類、乙類、丙類等。 本課題首先 分析各類 功率 放大器的 放大原理 ， 利用 PSpice AD 分別 繪制甲類、乙類、丙類放大器的電路圖， 其次 分析電路， 對(duì)電路中各個(gè)器件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定， 優(yōu)化電路， 然后 對(duì)電路進(jìn)行仿真，進(jìn)行瞬態(tài)分析 、 直流 掃描 分析 、 交流掃描 分析 ，對(duì)各類功率放大器的性能進(jìn)行比較。 功率放大器 在現(xiàn)實(shí)中 有 廣泛 的 應(yīng)用 ， 對(duì)功率放大器的性能進(jìn)行分析具有重要的 現(xiàn)實(shí) 意義。 simulation。功率放大電路的功耗性能影響了整個(gè)電路系統(tǒng)的效率，設(shè)計(jì)高效率功率放大器并優(yōu)化器件參數(shù)具有一定的使用價(jià)值 ??2,1 。由于功率放大器處在大信號(hào)狀態(tài)，放大過(guò)程中難免產(chǎn)生非線性失真，在設(shè)計(jì)中必須著重考慮。 本課題的工作就是進(jìn)行功率放大器的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，并進(jìn)行集成電路版圖繪制。 甲 類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn) Q 設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近 ,晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有 50％，且有較大的 非線性失真 。 乙 類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在 (VCC， 0)處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。 但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是 交越失真 較大。 丙 類 (數(shù)字 音頻 功率 )放大器是一種將輸入模擬 音頻信號(hào) 或 PCM 數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬 度調(diào)制 )或 PDM(脈沖密度調(diào)制 )的脈沖信號(hào) ,然后用 PWM 或 PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率 開關(guān) 器件通 /斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2021 年 張呂彥 在論文《基于鏡像電流源與電壓源偏置的功率放大器》中講述了為了進(jìn)一步提高音響功放的工作穩(wěn)定性和性能 ,可采用鏡像電流源代替輸入級(jí)、推動(dòng)級(jí)的集電極負(fù)載電阻 ,能提高功放電路的電壓轉(zhuǎn)換速率 ,采用電壓源代替輸出級(jí)的偏置電阻 ,使輸出級(jí)工作于甲 乙類狀態(tài) ,有利于提高工作的穩(wěn)定性 ,降低非線性失真 ,功放的性能得到顯著提高。 2021 年 牛旭 等在論文《一款新型基于推挽式結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器》中講述了基于推挽式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款新型射頻功率放大器 ,分析了推挽式結(jié)構(gòu)的工作原理 ,構(gòu)建了輸入輸出無(wú)損耗匹配網(wǎng)絡(luò)。 2021 年董元等在論文 《 一種記憶功率放大器自適應(yīng)線性化仿真 》 中 對(duì)兩種常用的描述功率放大器的記憶效應(yīng)和非線性特征的模型 ——— W H 模型和記憶多項(xiàng)式模型進(jìn)行了自適應(yīng)線性化仿真 ,采用 AM/ AM 和 AM/ PM 失真特性對(duì)由于功放特性不理想而引起的放大信號(hào)的振幅畸變及相位偏移進(jìn)行描述 ,運(yùn)用自適 應(yīng)預(yù)失真處理方法 ,進(jìn)行記憶預(yù)失真的模擬 ,并用誤差矢量值 ( EVM) 衡量這種自適應(yīng)預(yù)失真方法的效果。 2021 年 陳波 等在論文《一種自偏置預(yù)失真線性功率放大器》中提出了一種用中芯國(guó)際 m 工藝設(shè)計(jì)的自偏置預(yù)失真 AB 類功率放大電路電路結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)采用 Agilent 的 ADS 軟件對(duì)電路進(jìn)行模擬 ,在 頻率下 ,1dB 壓縮點(diǎn)的輸出功率為 ,此時(shí)的 PAE 是 %??15 。功率放大部分采用 D 類功放 ,將 FPGA 處理后的數(shù)據(jù)通過(guò) DA 芯片轉(zhuǎn)化為模擬波形再與 FPGA產(chǎn)生的高頻三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生 PWN波 ,再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制 MOS管 ,使其工作在開關(guān)狀態(tài) ??16 。 2 繪制 甲類放大器的 電路 圖并 進(jìn)行參數(shù)設(shè)定 繪制甲類放大器的電路 圖 在 Capture 中創(chuàng)建電路 具體步驟如 下 ? ?19~17 ： 1) 打開 OrCAD Capture CIS Lite Edition。 3) 輸入項(xiàng)目的名字，甲類。 4) 選擇 Analog or MixedAD 模擬或混合 AD。點(diǎn)擊 OK。一個(gè)新的頁(yè)將在 Project Design Manager 中打開。 2) 用 Place Part 命令放置元件或點(diǎn)擊 Place Part 圖標(biāo) 3) 選擇包含所需元件的庫(kù)。第一次使用Capture 時(shí)如果沒(méi)有庫(kù)可用，你必須點(diǎn)擊 Add Library 添加庫(kù)按鈕，打開Add Library 窗 口 將 ， 選 擇 需 要 的 庫(kù) 。 4) 從庫(kù)中選擇電阻、電容和直流電壓以及電流源。如果要放置相同元件的另一個(gè)實(shí)例，可以再次點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵?？梢越o電容器添加初始化條件；雙擊該元件將打開看起來(lái)像電子表格的 Property 屬性窗口，在 IC 列的下面輸入初始化條件的值 5) 在放置好所有 的元件后，你需要點(diǎn)擊 GND 圖標(biāo)放置 Ground 地端子（在右邊的工 具欄中 ）。 6) 現(xiàn)在用從菜單用 Place Wire 命令或點(diǎn)擊 Place Wire 圖標(biāo)連接元件。你也可以改變電阻的名字。 2) 保存項(xiàng)目。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文 5 圖 甲類功率放大器電路圖 . 生成網(wǎng)表 網(wǎng)表用簡(jiǎn)單的格式給出所有元 件的列表： R_name node1 node2 value C_name nodex nodey value, etc. 具體步驟如下： 1) 用 PSpice Create Netlist 菜單命令產(chǎn)生網(wǎng)表。 圖 甲類功率放大器的網(wǎng)表 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文 6 指定分析和仿真 類型 偏置或直流 分析 1) 打開原理圖，在 PSpice 菜單上選擇 New Simulation Profile。 3) 從 Inherit From 列表中選擇 none 并點(diǎn)擊 Create。 5) 現(xiàn)在 已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行仿真了： PSpice Run。 7) 為了看到直流偏置點(diǎn)的仿真結(jié)果， 可以打開 仿真輸出文件或返回原理圖并點(diǎn)擊 V圖標(biāo)（偏置電壓顯示）和 I 圖標(biāo)（偏置電流顯示） 以及 W 圖標(biāo)（ 消耗 功率 顯示） 顯示電壓和電流 和 功率 。 圖 甲類放大器偏置電流顯示 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文 7 圖 甲類放大器偏置電壓顯示 圖 甲類放大器 消耗 功率 顯示 瞬態(tài)分析 1) 設(shè)置瞬態(tài)分析：從菜單選擇 PSpice New Simulation Profile 命令。 2) 當(dāng)仿真設(shè)置窗口打開時(shí)，選擇 Time Domain (Transient)時(shí)域瞬