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(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò),，只要有電線,，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。現(xiàn)在,，PLC除了在遠(yuǎn)程抄表上有所應(yīng)用外,，隨著家庭智能系統(tǒng)這個(gè)話題的興起，也給PLC帶來(lái)了一個(gè)新的舞臺(tái),。在電力載波系統(tǒng)輸出級(jí),，需要對(duì)調(diào)制好的信號(hào)進(jìn)行放大，本文使用共射放大電路和OTL電路分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行放大,，為了控制輸出信號(hào)的諧波失真率,，對(duì)偏置電路和反饋電路進(jìn)行了改進(jìn),，同時(shí)在設(shè)計(jì)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(jì)要求和基本電路

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求,，載波信號(hào)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(dá)到1 W,。在本設(shè)計(jì)中,，為了達(dá)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(hào)源為數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)，頻率為132 kHz,，信號(hào)電壓峰值為2．5 V,，芯片內(nèi)阻為2 kΩ。負(fù)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(jí)放大,，Q8,，Q12為后級(jí)輸出。輸入與輸出之間引入負(fù)反饋,，調(diào)節(jié)增益,，使得輸出功率滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，同時(shí)起到降低諧波失真的作用,。前后級(jí)直接耦合,，以簡(jiǎn)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(shí),，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(shí),，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(diǎn)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(dòng)溫度適應(yīng)法,。加大負(fù)反饋降低增益，即R7的設(shè)定值降低,，使得靜態(tài)工作點(diǎn)的上升不至于使輸出波形失真,。缺點(diǎn)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(dòng)溫度補(bǔ)償法：將R5設(shè)定為可變電阻,，當(dāng)溫度降低時(shí)，降低R5阻值,，使靜態(tài)工作點(diǎn)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(jí)通常要通過(guò)偏置電路消除交越失真,，最簡(jiǎn)單的方法是使用D7和D8兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn),。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，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(guò)的電流加大，溫度進(jìn)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(gè)三極管射極輸出端串聯(lián)2個(gè)電阻，限制電流,。



(2)使用如圖4所示的電路,，將3個(gè)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(huì)變化，從而抑制了熱擊穿,。



當(dāng)三極管功率不是太大時(shí),，可以直接使用二極管偏置。

3 負(fù)反饋電路的改進(jìn)

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(hào)正確反饋,，而其他頻率信號(hào)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(lái)獲得,。諧振頻率相同時(shí),，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(fù)反饋,，加入了電阻來(lái)調(diào)整品質(zhì)因數(shù),。

從表1可以看出，使用LC諧振作為負(fù)反饋可以在一定程度上抑制諧波失真,。



選頻負(fù)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(yīng),，則不適合采用選頻電路,。

4 偏置電路的改進(jìn)

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(huì)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(duì)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(huì)變差，使用中需要注意溫度補(bǔ)償,。



溫度特性變差,，但相對(duì)其對(duì)諧波失真的改進(jìn)來(lái)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(fù)反饋電路之后，輸入電阻變得很小,，大概只有200～300 Ω,，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出端波形變化很大,，并可能出現(xiàn)嚴(yán)重失真,。所以需要采取措施提高輸入電阻，以降低信號(hào)源變化所帶來(lái)的影響,。

方法1  通?？梢圆捎蒙浼?jí)跟隨電路作為前級(jí)輸入端的方法來(lái)提高輸入電阻，此方法效果好,，成本高,。

方法2  當(dāng)對(duì)輸入電阻阻值要求不是太大時(shí),，可以簡(jiǎn)單的在輸入端串聯(lián)一定數(shù)值的電阻，來(lái)達(dá)到提高輸入電阻的目的,，此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，成本低。

在本應(yīng)用中,，信號(hào)由特定DA芯片提供,，信號(hào)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(yīng)大于12 V；最大電流：經(jīng)PSpice仿真,，測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大電流為150 mA,，電流源和前級(jí)放大晶體管小于10 mA；最大功耗：經(jīng)PSpice仿真,，測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大瞬時(shí)功耗550 mW,，前級(jí)放大晶體管最大瞬時(shí)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(jìn)后的電路圖及性能

根據(jù)前面所述的方法對(duì)開(kāi)始的基本電路進(jìn)行改進(jìn),，得到最后的實(shí)用電路，如圖7所示,。電源：+12 V,，內(nèi)阻10 Ω；輸出信號(hào)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(yǔ)

本文從最基本功率放大電路著手，從多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),，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(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求和實(shí)際應(yīng)用的需求。