CN102355201B - 一种放大电路中功放管的动态性能优化方法及优化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种放大电路中功放管的动态性能优化方法及装置，通过增加或减少功放管基极电流，实现放大管动态性能的优化，包括：减去基极电流中造成存储电荷累积和增加有利于存储电荷释放的分量，使其达到不影响正常工作的最小值；或在功放管临近及已经截止的状态下，提供并保持不小于截止电流的基极电流使功放管处于放大区间。相对于传统的处理方法不需要选择价格昂贵且选型范围有限的高性能功放管，降低了功放电路的整体设计难度。大大降低了功放电路对负载特性，工作频段范围等多种因素的苛刻要求，提高了电路的通用性和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明提供一种放大电路中功放管的动态性能优化方法，同时还公布了与该方法相适应的电路装置，属于电子电路技术领域。
背景技术
功率放大电路（功放电路）中，功率放大三极管（功放管）动态性能的好坏，对整个功放电路的性能有决定性的影响。其中，功放电路在输出电流换向时，需要功放管导通和关断。这就会受到功率管自身的存储时间和导通时间的限制，带来响应上的滞后。不但造成输出信号波形的畸变和响应的延时，限制工作频率，还会降低效率。另外如果功放管由于电路结构或负载等因素进入饱和区间，也会在工作时遇到上述同样的问题。
现有的一种较为典型的放大电路，参照图1，由电阻R1，稳压管Z1，NPN功放管Q1和PNP三极管Q2组成，其中，R1一端连接输入信号，另一端连接Q2的基极，Q2的射极连接正电源VCC＋，集电极连接Z1负端，Z1正端则连接Q1的基极，Q1的射极连接电源地，集电极作为输出；其中，驱动信号输入范围是0－VCC＋；通过串联的电阻R1转换为相应的基极电流进入与之相连的三极管Q2的基极，Q2的集电极电流经过稳压管Z1后进入功放管Q1的基极，Q1的集电极电流就成为放大电路的输出。
在实际中，高性能的功放电路往往要依赖性能优良的功放管以及与之特性相匹配的补偿电路来实现。不但实现成本较高，电路设计难度大。而且应用条件比较苛刻，限制了电路的通用性和鲁棒性。在一些特定的应用中，比如脉冲恒流输出的电流源。甚至难以实现频率高，占空比小，幅值大，电流波形是理想方波的输出。因此，需要一种可以优化放大管动态性能的方法。
发明内容
本发明公开一种放大电路中功放管的动态性能优化方法，解决了功率放大电路中因功放管性能不佳造成输出信号的波形畸变和响应延时等问题。
本发明还提供了实现上述功放管优化方法的装置。
为实现本发明放大电路中功放管的动态性能优化方法，采用以下技术解决方案：
通过增加或减少功放管基极电流，实现放大管动态性能的优化，包括：减去基极电流中造成存储电荷累积和增加有利于存储电荷释放的分量，使其达到不影响正常工作的最小值（可以为负值）；或在功放管临近及已经截止的状态下，提供并保持不小于截止电流的基极电流使功放管处于放大区间。
在功放管趋近于饱和区间状态下，在放大电路的功放管基极处连接一个饱和限制电路来分流部分造成存储电荷累积的基极电流，通过反馈控制功放管集电极到射极的电压值，防止这个电压值接近饱和压降。
所述的放大电路中功放管的动态性能优化方法，其特征在于：
在功放管向截止区间过渡状态下，当功放管的基极电流处于驱动电路动态范围的下限时，在放大电路的功放管基极处连接一个关断优化电路来产生有利于存储电荷释放的基极电流（可以为负值），实现功放管关断特性的优化；在功放管基极处提供一个电压幅度和电流强度都不大于功放管可以承受的安全上限的反向脉冲，直到存储电荷被充分释放或者功放管需要再次导通时结束。
所述的放大电路中功放管的动态性能优化方法，其特征在于：
在功放管趋近于或已经进入截止区间状态下；在放大电路的功放管基极处连接一个放大区间维持电路来维持可能提供给基极的电流上限不小于截止电流值，实现功放管导通过程的优化。控制功放管的基极电流不小于基极截止电流值，使功放管在需要输出更大的电流前保持在或者恢复到放大区间。
实现本发明所述放大电路中功放管的动态性能优化的装置，其特征在于：
在放大电路的功放管基极连接一个饱和限制电路，饱和限制电路由二极管Ｄ１、二极管D2、PNP三极管Q3构成；其中，D1的正极连接放大电路驱动管的集电极，负极连接Q3的射极，Q3的集电极连接电源地，Q3基极连接D2的正极，D2的负极连接放大电路功放管的集电极为输出端。
所述放大电路中功放管的动态性能优化装置，其特征在于：
在放大电路的功放管基极连接一个关断优化电路，关断优化电路由单稳态触发模块、电阻R2、稳压管Z2、NPN三极管Q4构成，单稳态模块的输入连接放大电路驱动信号输入，输出串联R2后连接到Z2的负端；Q4的基极连接Z2的正端，Q4的射极连接负电源VCC-，Q4的集电极连接放大电路功放管的基极。
所述放大电路中功放管的动态性能优化装置，其特征在于：
在放大电路的功放管基极连接一个用于维持功放管处于放大区间的电阻R3，其一端连接放大电路驱动管的基极，一端连接电源地。
本发明的积极效果在于：通过增加或减少功放管基极电流，实现放大管动态性能的优化。相对于传统的处理方法，不但不需要选择价格昂贵且选型范围有限的高性能功放管。还降低了功放电路的整体设计难度。大大降低了功放电路对负载特性，工作频段范围等多种因素的苛刻要求，提高了电路的通用性和鲁棒性。
在一些比较苛刻的应用中，甚至可以实现传统方案难以实现的效果。比如，对于脉冲恒流输出的电流源。传统方法就难以实现频率高，占空比小，幅值大，电流波形是理想方波的输出。往往发热严重，波形失真。应用本方法可以较好地解决上述问题。
附图说明
图1为现有技术的基本放大电路原理图；
图2为本发明实施例1电路原理图；
图3为本发明实施例2电路原理图；
图4为本发明实施例3电路原理图；
图5为本发明实施例4电路原理图；
图6为本发明实施例5电路原理图。
具体实施方式
通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
实施例1
根据图2，包括：限制饱和区间，释放存储电荷，维持放大区间，三种优化方法的实例电路；图中电路在原放大电路的基础上增加了饱和限制电路，关断优化电路以及维持放大区间的电阻Ｒ３，其中，饱和限制电路是由二极管Ｄ１、二极管Ｄ２、ＰＮＰ三极管Ｑ３构成；其中，Ｄ１的正极连接Ｑ２的集电极，负极连接Ｑ３的射极，Ｑ３的集电极连接电源地，基极连接Ｄ２的正极，Ｄ２的负极连接Ｑ１的集电极也就是输出；关断优化电路由单稳态触发模块、电阻Ｒ２、稳压管Ｚ２、NPN三极管Ｑ４构成，单稳态模块的输入连接驱动信号输入，输出串联Ｒ２后连接到Ｚ２的负端。Ｑ４的基极连接Ｚ２的正端，射极连接负电源ＶＣＣ－，集电极连接Ｑ１的基极；以及维持放大区间的电阻Ｒ３，一端连接Ｑ２的基极，一端连接电源地；共同组成。
当功放管Ｑ１接近饱和时，集电极电压较低，造成Ｄ１、Ｄ２和Ｑ３导通，Ｑ２的部分输出电流将通过Ｄ１和Ｑ３释放到电源地。造成功放管Ｑ１的基极电流减小，输出电压升高。形成负反馈，最终使输出电压达到适当值。此时功放管Ｑ１处于响应速度较高的放大区间。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的集电极电压上升响应时间缩短约８０％。
当功放管Ｑ１向截止区间过渡时，驱动信号电压接近ＶＣＣ+，触发单稳态触发模块，其输出电压脉冲在Ｒ２和Ｚ２上形成电流流入Ｑ４基极，使Ｑ４导通。其集电极电流是Ｑ１和Ｑ２可承受的安全反向电流，Ｑ４的射极连接的负电源电压ＶＣＣ－是Ｑ１基极可承受的安全负电压。脉冲持续的时间足够功放管Ｑ１释放完存储电荷进入截止状态。单稳态模块输出电压脉冲后，输出电压为零，此时，电压不足以让Ｚ２导通，因此Ｑ４截止。功放电路恢复正常状态。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的关断时间缩短约７５％。
当驱动信号电压接近ＶＣＣ＋，Ｒ１的电流小于Ｑ２的截止电流时，Ｒ３为Ｑ２提供一个偏置电流使Ｑ２和Ｑ１维持在放大区间。在实验中，此结构可以使同等条件下Ｑ１的导通时间缩短约６０％。
实施例2
根据图3，包括：限制饱和区间，释放存储电荷，两种优化方法的实例电路；图中电路在原放大电路的基础上增加了：饱和限制电路，包括：二极管Ｄ１、二极管Ｄ２、ＰＮＰ三极管Ｑ３。Ｄ１的正极连接Ｑ２的集电极，负极连接Ｑ３的射极，Ｑ３的集电极连接电源地，基极连接Ｄ２的正极，Ｄ２的负极连接Ｑ１的集电极也就是输出；以及关断优化电路，包括：单稳态触发模块、电阻Ｒ２、稳压管Ｚ２、NPN三极管Ｑ４；单稳态模块的输入连接驱动信号输入，输出串联Ｒ２后连接到Ｚ２的负端。Ｑ４的基极连接Ｚ２的正端，射极连接负电源ＶＣＣ－，集电极连接Ｑ１的基极；共同组成。
当功放管Ｑ１接近饱和时，集电极电压较低，造成Ｄ１、Ｄ２和Ｑ３导通，Ｑ２的部分输出电流将通过Ｄ１和Ｑ３释放到电源地。造成功放管Ｑ１的基极电流减小，输出电压升高。形成负反馈，最终使输出电压达到适当值。此时功放管Ｑ１处于响应速度较高的放大区间。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的集电极电压上升响应时间缩短约８０％。
当功放管Ｑ１向截止区间过渡时，驱动信号电压接近ＶＣＣ+，触发单稳态触发模块，其输出电压脉冲在Ｒ２和Ｚ２上形成电流流入Ｑ４基极，使Ｑ４导通。其集电极电流是Ｑ１和Ｑ２可承受的安全反向电流，Ｑ４的射极连接的负电源电压ＶＣＣ－是Ｑ１基极可承受的安全负电压。脉冲持续的时间足够功放管Ｑ１释放完存储电荷进入截止状态。单稳态模块输出电压脉冲后，输出电压为零，此时，电压不足以让Ｚ２导通，因此Ｑ４截止。功放电路恢复正常状态。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的关断时间缩短约７５％。
实施例3
根据图4，包括：限制饱和区间，维持放大区间，两种优化方法的实例电路；图中电路在原放大电路的基础上增加了：饱和限制电路，包括：二极管Ｄ１、二极管Ｄ２、ＰＮＰ三极管Ｑ３构成，Ｄ１的正极连接Ｑ２的集电极，负极连接Ｑ３的射极，Ｑ３的集电极连接电源地，基极连接Ｄ２的正极，Ｄ２的负极连接Ｑ１的集电极也就是输出；以及维持放大区间的Ｒ３，一端连接Ｑ２的基极，一端连接电源地；共同组成。
当功放管Ｑ１接近饱和时，集电极电压较低，造成Ｄ１、Ｄ２和Ｑ３导通，Ｑ２的部分输出电流将通过Ｄ１和Ｑ３释放到电源地。造成功放管Ｑ１的基极电流减小，输出电压升高。形成负反馈，最终使输出电压达到适当值。此时功放管Ｑ１处于响应速度较高的放大区间。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的集电极电压上升响应时间缩短约８０％。
当驱动信号电压接近ＶＣＣ＋，Ｒ１的电流小于Ｑ２的截止电流时，Ｒ３为Ｑ２提供一个偏置电流使Ｑ２和Ｑ１维持在放大区间。在实验中，此结构可以使同等条件下Ｑ１的导通时间缩短约６０％。
实施例4
参照图5，包括：释放存储电荷，维持放大区间，两种优化方法的实例电路；图中电路在原放大电路的基础上增加了：关断优化电路，包括：单稳态触发模块，电阻Ｒ２，稳压管Ｚ２，NPN三极管Ｑ４。单稳态模块的输入连接驱动信号输入，输出串联Ｒ２后连接到Ｚ２的负端。Ｑ４的基极连接Ｚ２的正端，射极连接负电源ＶＣＣ－，集电极连接Ｑ１的基极；以及维持放大区间的Ｒ３，一端连接Ｑ２的基极，一端连接电源地；共同组成。
当功放管Ｑ１向截止区间过渡时，驱动信号电压接近ＶＣＣ+，触发单稳态触发模块，其输出电压脉冲在Ｒ２和Ｚ２上形成电流流入Ｑ４基极，使Ｑ４导通。其集电极电流是Ｑ１和Ｑ２可承受的安全反向电流，Ｑ４的射极连接的负电源电压ＶＣＣ－是Ｑ１基极可承受的安全负电压。脉冲持续的时间足够功放管Ｑ１释放完存储电荷进入截止状态。单稳态模块输出电压脉冲后，输出电压为零，此时，电压不足以让Ｚ２导通，因此Ｑ４截止。功放电路恢复正常状态。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的关断时间缩短约７５％。
当驱动信号电压接近ＶＣＣ＋，Ｒ１的电流小于Ｑ２的截止电流时，Ｒ３为Ｑ２提供一个偏置电流使Ｑ２和Ｑ１维持在放大区间。在实验中，此结构可以使同等条件下Ｑ１的导通时间缩短约６０％。
实施例5
根据图6，包括：限制饱和区间，一种优化方法的实例电路；图中电路在原放大电路的基础上增加了：饱和限制电路，包括：二极管Ｄ１，二极管Ｄ２，ＰＮＰ三极管Ｑ３。Ｄ１的正极连接Ｑ２的集电极，负极连接Ｑ３的射极，Ｑ３的集电极连接电源地，基极连接Ｄ２的正极，Ｄ２的负极连接Ｑ１的集电极也就是输出；共同组成。
当功放管Ｑ１接近饱和时，集电极电压较低，造成Ｄ１、Ｄ２和Ｑ３导通，Ｑ２的部分输出电流将通过Ｄ１和Ｑ３释放到电源地。造成功放管Ｑ１的基极电流减小，输出电压升高。形成负反馈，最终使输出电压达到适当值。此时功放管Ｑ１处于响应速度较高的放大区间。在实验中，此部分电路可以使同等条件下Ｑ１的集电极电压上升响应时间缩短约８０％。
Claims (1)
1.一种放大电路中功放管的动态性能优化方法，其特征在于是通过以下方法实现的：通过增加或减少功放管基极电流，实现功放管动态性能的优化，包括：减去基极电流中造成存储电荷累积和增加有利于存储电荷释放的分量，使其达到不影响正常工作的最小值；或在功放管临近及已经截止的状态下，提供并保持不小于截止电流的基极电流使功放管处于放大区间；其中，在功放管趋近于饱和区间状态下，在放大电路的功放管基极处连接一个饱和限制电路来分流部分造成存储电荷累积的基极电流，通过反馈控制功放管集电极到射极的电压值，防止这个电压值接近饱和压降，饱和限制电路由二极管D1、二极管D2、PNP三极管Q3构成，D1的正极连接放大电路驱动管的集电极，D1的负极连接Q3的射极，Q3的集电极连接电源地，Q3基极连接D2的正极，D2的负极连接放大电路功放管的集电极；在功放管向截止区间过渡状态下，当功放管的基极电流处于驱动电路动态范围的下限时，在放大电路的功放管基极处连接一个关断优化电路来产生有利于存储电荷释放的基极电流，实现功放管关断特性的优化，关断优化电路由单稳态触发模块、电阻R2、稳压管Z2、NPN三极管Q4构成，单稳态模块的输入连接放大电路驱动信号输入，单稳态模块的输出端串联R2后连接到Z2的负端，Q4的基极连接Z2的正端，Q4的射极连接负电源VCC-，Q4的集电极连接放大电路功放管的基极，在功放管基极处提供一个电压幅度和电流强度都不大于功放管可以承受的安全上限的反向脉冲，直到存储电荷被充分释放或者功放管需要再次导通时结束；在功放管趋近于或已经进入截止区间状态下，在放大电路的功放管基极处连接一个放大区间维持电路来维持提供给基极的电流上限不小于截止电流值，放大区间维持电路的电阻R3一端连接放大电路驱动管的基极，另一端连接电源地，实现功放管导通过程的优化，控制功放管的基极电流不小于基极截止电流值，使功放管在需要输出更大的电流前保持在或者恢复到放大区间。
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