用于电力载波输出的功率放大器设计

电力载波通信(power line comrnunication，PLC)是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。现在，PLC除了在远程抄表上有所应用外，随着家庭智能系统这个话题的兴起，也给PLC带来了一个新的舞台。在电力载波系统输出级，需要对调制好的信号进行放大，本文使用共射放大电路和OTL电路分别对电压和电流进行放大，为了控制输出信号的谐波失真率，对偏置电路和反馈电路进行了改进，同时在设计中考虑温度影响，使电路可以在室外环境中正常工作。

1 放大器的设计要求和基本电路
根据国家电网标准的要求，载波信号的总谐波失真应小于O．05％，由于需要在室外工作，所以电路需要能够在-30℃的环境中正常工作，输出功率应达到1 W。在本设计中，为了达到输出功率的需求，供电部分采用12 V直流供电，电源内阻为10 Ω。信号源为数／模转换芯片的输出信号，频率为132 kHz，信号电压峰值为2．5 V，芯片内阻为2 kΩ。负载为电力线，在仿真中采用如图1所示的人工电源网络模型。

基本电路如图2所示，Q9为前级放大，Q8，Q12为后级输出。输入与输出之间引入负反馈，调节增益，使得输出功率满足实际应用的需要，同时起到降低谐波失真的作用。前后级直接耦合，以简化电路，降低成本。

2 温度影响
2．1 温度降低的影响及解决办法
当温度降低时，使得晶体管集电极电流降低，而基极电流增大，当Q9基极电流增大时，R5电流增大，两端压降也随之增大，而R5左端电压为O．7 V基本不变，于是右端电压上升，使得静态工作点高于Vcc／2，于是输出波形的正半周顶端出现失真。
解决方法：
(1)被动温度适应法。加大负反馈降低增益，即R7的设定值降低，使得静态工作点的上升不至于使输出波形失真。缺点是降低了输出。把R7调整为3 kΩ，电路可以在-30℃下正常工作，基波3 V，三次谐波为1 mV。
(2)主动温度补偿法：将R5设定为可变电阻，当温度降低时，降低R5阻值，使静态工作点保持不变，也就避免了输出波形的失真。
2．2 温度上升的影响及解决办法
使用推挽式输出级通常要通过偏置电路消除交越失真，最简单的方法是使用D7和D8两个二极管来实现。当负载电流较大时，三极管温度升高，be间电压降低，而二极管电流并不大，其正向导通电压Ve变化不大，这样，Vbe和Ve之间的电位差使得三极管中流过的电流加大，温度进一步上升，电位差更大，三极管电流也更大，最终使三极管发生热损坏。解决方法：
(1)如图3所示，在2个三极管射极输出端串联2个电阻，限制电流。
(2)使用如图4所示的电路，将3个三极管靠近，使它们热耦合，则随着温度变化，Q3两端电压也会变化，从而抑制了热击穿。

当三极管功率不是太大时，可以直接使用二极管偏置。

3 负反馈电路的改进
将基本电路中的R8使用如图5所示的LC谐振电路代替，可以将132 kHz频率的信号正确反馈，而其他频率信号则被衰减至很小，从而改善输出波形。