功率放大器设计教材

功率放大器设计教材（精选12篇）

1.功率放大器设计教材 篇一

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：功率放大器的设计与版图绘制

适用专业：电子科学与技术

学生信息： 学号：，姓名：，班级： 指导教师信息：姓名：，职称：教授 下达任务日期：2011年3月1日

内容要求：（阐明与毕业设计（论文）题目相关、需要通过毕业设计解决、或通过毕业论文研究的主要问题。后面应列出建议学生在毕业设计（论文）前期研读的重要参考资料（书目、论文、手册、标准等）

功率放大器经常使用在微波发射电路和低频输出电路中，射频功率放大器作为无线通信系统的重要模块，为发射级末端的天线或输出提供足够的功率，并抑制天线或其他模块干扰等。功率放大电路的功耗性能影响了整个电路系统的效率，设计高效率功率放大器并优化器件参数具有一定的使用价值。

本课题首先研究功率放大器的结构，设计放大器各个器件的参量，仿真放大器的工作特性，研究器件参量对功率放大器的影响，并根据设计电路结果绘制集成电路版图。

参考文献

1.谢佳奎．电子线路．北京：高等教育出版社，2004．

2.魏廷存，陈莹梅，胡正飞．模拟CMOS集成电路设计[M]．北京：清华大学出版社，2010（3）：35~45．

3.李志群，王志功著．射频集成电路与系统[M]．北京：科学出版社，2008．

4.戴心来．电路仿真软件PSPICE的应用，锦州师范学院学报(自然科学版)，2001(12)，22(4)：52-54．

5.王福林．PSPISE仿真软件在电路设计中的应用，声学与电子工程，2002，65：46~49． 6.池保勇，余志平，石秉学．CMOS射频集成电路分析与设计．北京：清华人学出版社，2006．

7.EI-Gamal，Lee K H，Tsang T K．Very low-voltage(0.8V)CMOS receiver frontend for 5GHz RF applications．Proceedings Circuits Devives and Systems，2002，149：355~362． 方法要求：（阐明与毕业设计（论文）问题解决和研究相关的实验、设计、调研方法和技术路线。）

设计调研方法就技术路线：

1)2)3)

要求基本的知识和实验条件：

1）模拟电子线路电路知识。

2）电路仿真设计软件好电路CAD技术。

3）计算机或工作站安装集成电路软件的环境，绘制集成电路版图知识。

过程要求：（提出毕业设计（论文）的周工作进度、工作质量、阶段成果要求。）第1，2周 查阅文献等准备工作，完成前期报告。

第3~6周 分析功率放大电路原理，电路整体设计，利用对功率放大器中电路部分仿真。第7周 完成中期检查。

第8~12周 优化放大器的器件参数，完成功率放大器集成电路版图。第13周完成初稿。第14周设计（论文）定稿。

第15周、第16周设计（论文）成果评审、成绩管理、论文修改和评优 分析功率放大电路原理，电路整体设计。

利用Tanner对功率放大器进行仿真，探索多个参数对器件性能的影响。利用L-Edit绘制功率放大器集成电路版图。

2.功率放大器设计教材 篇二

近年来,在无线通信领域中,为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道,提高频带利用的有效性,需要采用利用率更高的线性调制方式,如QPSK、16QAM等。这些正交调制信号的包络不是恒定的,包络的起伏经功率放大器后,产生交调失真,从而使功率放大器的输出信号产生频谱再生。这就对发射通道提出了更高的线性要求,而发射信道的非线性主要使由功率放大器所造成的,因此追求更高的频谱利用率就必须保证发信通道和射频末级放大器工作在线性区,线性化技术正是顺应这一要求而产生的。射频功率放大器的线性化技术包括:负反馈、前馈和预失真等,其中预失真技术具有成本低、功耗小、电路结构简单的特点,特别适用于直放站等较低功率的线性放大器。在预失真射频功率放大器中,放大器性能的好坏主要取决于预失真器的特性,好的预失真器可以大大提高功率放大器的线性度,更好地抑止频谱再生。本文将介绍一种工作于WCDMA频段,基于美信公司MAX2009模拟预失真器的射频功率放大器的设计方案。

2. 基本原理

在功率放大器中,影响功放线性度的是两个物理现象,即功率放大器的幅度-幅度(AM-AM)转换和幅度-相位(AM-PM)转换。

幅度-幅度(AM-AM)转换如下图所示。当功放的输入功率超过一定值时,功放的增益|S21|开始下降,增益开始下降的这个点叫做幅度转折点。这是一个理想模型,实际的AM-AM转换曲线要复杂一些,在大信号输入状态下,中间的那段直线只是一条理想的直线,实际的情况是增益值在这条直线上下波动。

幅度-相位(AM-PM)转换如下图所示。当功放的输入功率增加时,功放的相移由开始的恒定值变成一个随输入功率变化的值,开始变化的这个点叫做相位转折点。当功放的输入功率小于幅度转折点和相位转折点的功率时,功放的输出保持线性,当输入功率超过转折点的功率时,就会出现幅度和相位的压缩,产生非线性失真。

随着无线通信技术的发展,非恒包络调制技术得到了广泛应用,这使得信号的峰均比(PAR)进一步提高,在WCDMA系统中,峰均比可以达到10d B,这就对射频功率放大器的线性度提出了更高的要求。预失真技术可以采取控制措施(或者称其为补偿措施)来控制功率放大器的AM-AM转换和AM-PM转换,从而提高线性度。

预失真技术的基本原理如图3,即是在射频功率放大器前加入一个预失真器,预失真器的特性刚好与放大器的特性相匹配,对放大器的非线性畸变进行实时的补偿,通过电路网络或者其它技术手段,对放大器的非线性特性进行校正,使得输出信号为完全无失真信号,从而到达线性化的目的,其结构框图如图4。根据预失真器所处的位置,通常可将预失真线性化技术分三种类型,第一种是射频预失真,也叫微波预失真,它是对射频信号进行纠正;第二种是中频预失真,这种方法是把预失真使用在中频上,它的效率高但是精度没有第一种高;第三种是基带预失真,即对基带输入信号进行预失真,主要采用了DSP技术,把预失真技术存储在DSP中,并且引入反馈,构成自适应预失真方法。本文所采用的是射频预失真。

3. 预失真功率放大器设计

本方案针对WCDMA设计一个工作频段为2110MHz~2170MHz,功率输出39d Bm的功率放大器,通过引入预失真器,改善功放的线性度(具体表现在ACPR的提高上),使其能工作WCDMA直放站系统中。

3.1 预失真器

预失真器采用的是美信公司的模拟预失真器MAX2009,它相当于包含了上图中的移相器、衰减器等部分,通过外围电路调整其内部的可调衰减器和移相器,引入与功率放大器幅度和相位压缩相反的幅度和相位扩展,使功率放大器最终能够得到线性的输出,其原理如图5。

MAX2009可工作于1200MHz-2500MHz,可提供7d B的增益扩展和24o的相位扩展来抵消功率放大器所引起的增益和相位压缩。其主要控制引脚为:GPB、GCS、GFS、PBIN、PDCS1、PDCS2、PFS1、PFS2。由信号源产生的WCDMA信号,经隔离器后加到推动放大器上,然后进入MAMIX2009的相位控制部分,调节PBIN、PDCS1、PDCS2、PFS1、PFS2上的控制电压产生与主功率放大器相反的相位转折点和相位扩展,进入补偿放大器,补偿MAXIN2009相位和增益控制部分所引入的插损,以更好地改善ACPR指标。然后进入MAXIN2009的增益控制部分,调节GPB、GCS、GFS上的控制电压产生与功率放大器相反的增益转折点和增益扩展。这样就可以得到与功率放大器相对应压缩转折点和相反的特性曲线,与功率放大器一起实现线性输出。

3.2 功率放大器

为了实现所需的39d Bm的输出,本方案采用三级放大,即前置级、驱动级和功率输出级。在本设计中,考虑到电路实现的难易和成本等问题,采用了Freescale半导体公司的LDMOS功率管MHPA21010N、MRF6S21100HR3分别作为驱动级和主功放用晶体管。介质基片的选择主要考虑工作频率和介电常数的稳定性,另外结合电路的尺寸、成本等因素,选择Taconic TLX8-0300作为介质基片。该介质基片相对介电常数为2.55,厚度为30mil。

首先要进行功放管的阻抗匹配工作。本功放模块工作在大信号状态下,小信号特性下的匹配电路设计方法不再实用,设计中将采用大信号设计方法进行设计。大信号特性下常用的设计方法有:

(1)动态阻抗法:要求在给定的大信号工作条件下,测出功率管的动态源和负载阻抗,以此为依据设计匹配电路。

(2)大信号S参数法:可以进行功率放大器的功率增益、稳定性的分析和增益、平坦度的设计。

通常对于大功率晶体管而言,厂家多给出功率晶体管的动态源阻抗和负载阻抗值,故文中的匹配电路也采用动态阻抗法来设计。

接下来采用ADS对功放管进行静态工作点和S参数的仿真。

3.3 其它电路设计

作为一个完整的功率放大器,本着要实现系统指标的考虑,还要对馈电电路、功率检测电路、耦合器、辅助放大器、衰减器、隔离器等相关电路进行设计和选取,这里不再累述。

4. 实验测试结果

本方案使用如下测试仪器:信号发生器为Rohde&Schwarz SMJ100A,100k Hz~30GHz;频谱分析仪为Rohde&Schwarz FSP30,30Hz~30GHz。测试结果如图6,可以看出其测试结果在一个信道3.84MHz内的带内波动为1.77dB,满足3GPP相关标准带内波动小于2d B的要求,在输出为39d Bm时,ACPR值优于-51dB,较之前不加预失真器的-46d B有较大程度改善。

5. 结论

实验结果证明,采用预失真技术的功率放大器能有效地对功率放大器产生的AM-AM和AM-PM失真进行改善并较大程度提高线性度。在本文提出的方案中,预失真补偿电路结构简单,调整方便,易于实行,可工作于WCDMA直放站当中。

将预失真技术和自适应算法相结合,使功率放大器具有自适应预失真线性化的功能,这将是未来功放发展的必然趋势,也是我们下一步研究的重点。

摘要：本文介绍了一种WCDMA频段模拟预失真功率放大器的设计。在设计中采用预失真技术对幅度-幅度(AM-AM)和幅度-相位(AM-PM)曲线进行校正,以补偿功率放大器的非线性失真。实现了在输出功率为39dBm时信号带宽内偏离第一个5MHz信道的ACPR值优于-53dB。

关键词：功率放大器,非线性失真,预失真,WCDMA

参考文献

[1]RF Power Amplifier Linearization Through Amplitude and Phase Predistortion,Aldo N.D’Andre,1996.

[2]Yong-Chae Jeo.Linearzing principles on high power amplifier.Chonju Chonbuk National University,2004.

[3]3GPP TS25.143(V6.2.0).A repeater conformance testing.

[4]Rienhold Ludwig.Pavel Bretchko,RF Circuit Design:Theory and Applications[M].北京,电子工业出版社,2002.

[5]胡树豪.实用射频技术[M].北京:电子工业出社,2004.

3.电功、电功率教学设计 篇三

将学生从抽象、虚拟的课本知识中解脱出来，给学生感受自然、社会、事实、事件，人物、过程的机会，使学生在与生活、世界的接触、交流中产生对世界、对生活的爱，从而自发地、主动地去获取知识。

构建“在生活中发现物理→在课堂中分析原理→到生活中实践物理→提升学生物理素养”的学习体系，为本校全面推行新课程改革、促进学生全面发展提供指导性理论，总结出具有本校物理教学的特色——“教学内容生本化，教学过程活动化，教学评价多元化”，对我校的物理教学产生“整体效应”。

【教材分析】

本节前言中以每个家庭都有电能表的测量物理量为题，引发学生对电功的思考，同时让他们知道学习电功的实际意义。

本节有三个主要内容，电功、电功率和焦耳定律，都是围绕电能的转化与守恒问题展开讨论的。电功的概念抽象难懂，但是牢牢地抓住“能量”这条主线，以消耗电能转化为什么形式的能入手就可以化难为易；对于焦耳定律也是如此，不管哪种情况下都有热能出现，可以让学生清楚地明白焦耳定律。

【学情分析】

注重从学生的认知水平出发，紧密联系学生的实际生活，创设一系列的物理情境，培养学生分析讨论和综合概括的能力。

【教学目标】

1.知识目标

①了解电功和电功率的概念；

②理解焦耳定律；

③知道电流做功时能量的转化和守恒。

2.能力目标

①通过对电功的学习，能够估算家庭的电量月耗；

②通过对电功率的学习，会估算常用电器的电功率；

③通过对焦耳定律的学习，会估算常用电器产生的热量。

3.情感目标

①通过本节课的学习，使学生意识到科学对技术进步和社会发展的影响；

②通过本节课的学习，增强学生环境保护和可持续发展的意识。

【教学重点】

重点是电功和焦耳定律的理解

一、新课引入

【设计意图】让学生在交流中体会：电流通过导体要引起各种变化，或牵引物体运动，或发热、发光、发声，或引起化学反应；电流通过电烙铁，电能转化为内能；电流通过电动机，电能转化为机械能；给蓄电池充电，电能转化为化学能等。用多媒体放水流可以做功的动画：如水流推动水轮机做功；类比电流：多媒体放映电荷在导体中不断运动的动画，电流是否可以做功呢？（不要深究，只是留给学生一个正确的印象，等进入后面电场继续学习）电流做功的过程，实质上是电能转化为其他形式能的过程。电流做了多少功，就消耗了多少电能，就有多少电能转化为其他形式的能。凡是电流引起的任何变化，都是电流做了功，消耗了电能，转化为了其他形式的能。

教师：用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程。电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢？本节课我们学习关于电功和电功率的知识。

二、新课小结

【设计意图】总结课堂内容，培养学生概括、总结的能力。

教师活动：请同学们概括总结本节的内容。每个小组讨论后派个代表上来，我们共同打分。

学生活动：认真总结、概括本节内容，讨论后每个小组派出一个代表。

三、生活探究

【设计意图】通过一些实用的或者有兴趣的生活问题，让物理回到生活中去，提高学生的兴趣，从而达到学习物理知识为生活服务的目的。

生活处处有物理，勤于思考皆学问。只要你善于观察，你就可以发现许多与物理有关的现象和问题。请你用学过的物理知识进行解答：

1.关于电费。一只100W的白炽灯泡，价格为2元；一支20W的节能灯，价格为12元，但能提供与100W白炽灯泡一样的亮度。假设每盏灯每天使用2h，每年以360天计算，电价是0.5元/（kW？h）。请计算一年内的总花费，并回答购买哪种产品更合算？

2.关于电脑。一天，李明配置了一台主流电脑，配置如下：cpu：i5 2500，最大功耗95w；显卡：微星gtx460，最大功耗150w； 微星gtx470，最大功耗215w；电源：海韵 S12II（SS-330GB）330W 铜牌台式机。

李明在犹豫选哪个显卡，请你帮他参考一下。

4.功率教学设计[模版] 篇四

史凤来

教学目标： 1．知识与技能

（1）知道功率的概念。

（2）结合实例理解功率的概念。了解功率在实际中的应用。2．过程与方法

通过观察和联系生活实际了解功率的物理意义。3．情感、态度与价值观

具有对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理，有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。●教学重点：理解做功率的物理意义；能用公式P=W/t解答相关的问题。

●教学难点：理解功率实际上是表示能量转化快 慢的物理量。

●教学过程

一、复习：

1、力学里的功包括两个必要的因素是什么？

2、计算功的公式和国际单位制中功的单位是什么

二、引入：我们怎样比较做 功的快慢，做功不但有一个多少的问题，还有一个做功快慢的问题。如体重相同的甲、乙两同学，甲慢慢从一楼走到五楼，乙快速从一楼跑到五楼，尽管两人做的功一样多，但甲需较长时间，做功慢；乙需时间较短，做功快。比较做功快慢就像比较物体运动的快慢一样，可以采用：这种方法

组织学生讨论，对比速度概念的建立，引出功率。

然后布置自学：让学生阅读教材与功率有关的内容，了解功率的概念、计算公式、单位及其换算。[推进新课]

一、功率

1.意义：功率是用来表示物体做功快慢的物理量。

2.定义：单位时间内所做的功，叫做功率。通常用字母“P”表示。

3.公式：P=w/t 师强调：理解时应注意功率中包含了两个因素，即功和时间。所以要看清做功多的物体不一定做功快，做功时间长的物体不一定做功慢。做功必定要花一定的时间，但花了时间未必做了功。单位：瓦特

在国际单位制中，功的单位：焦耳（J）；时间的单位：秒（S）；功率的单位：瓦特（W）1瓦特＝1焦/秒，功率的单位是瓦（W），含义是：1秒钟做1焦耳的功，1瓦特＝1焦/秒，另1千瓦＝1000瓦特，1KW=1000W 阅读“小资料”，了解一些运动物体的功率例如自行车的功率、汽车的功率等等。

[即学即练]（多媒体展示）功率70W表示什么意思? 一台机器，功率是1.5KW，它表示机器在1s内做了多少功？2s内做了多少功？

使用机械做功时，下列说法正确的是（）A.功率大的机器一定比功率小的机器做功多 B.功率大的机器一定比功率小的机器做功时间少 C.功率小的机器一定比功率大的机器做功慢 D.以上说法都不对

二、功率的计算

出示例题，引导学生分析、解答，并强调解题的思路及注意的问题。

例1：在20m深的矿井里，每分钟冒出地下水6m3，问应至少选用功率多大的抽水机来抽水，才能使矿井里不会积水？？

[布置作业] 板书设计：

二、功率

一、功率

1.意义：功率是用来表示物体做功快慢的物理量。

2.定义：单位时间内完成的功，叫做功率。通常用字母“P”表示。

3.公式：P=w/t 4.单位：瓦特符号为W 1W=1J/s1kW=1000W

二、功率的计算 P=w/t

2013

5.《电功率》教学设计 篇五

教材首先通过将不同功率的用电器分别接在电路中工作时，电能表铝盘转动的快慢不同，使学生通过实验直接比较出在相同时间里，铝盘转过的圈数不同。认识到铝盘转过的圈数直接反映用电器工作时消耗电能的多少，而在相同时间里铝盘转过的圈数，则反映用电器工作时消耗电能的快慢。使学生直观地建立起“电功率”的概念。然后认识电功率的单位，通过小资料介绍常用“家用电器的电功率”，进一步强化用电器电功率的大小不同，其消耗电能的快慢不同。而后介绍额定电压、额定功率的相关知识，最后说明电功率的测量，为下一节的教学埋下了伏笔。

【知识与能力目标】

1．知道电功率的物理意义、定义、单位。

2．理解电功率的公式，并能进行简单的计算，知道P=UI。

3．理解和区分用电器的额定功率和实际功率。

【过程与方法目标】

1.通过实验，让学生体验电功率概念的建立过程。

2.通过实验，探究在不同电压下，实际功率、额定功率的关系，使学生收集和处理信息的能力有所提高。

【情感态度价值观目标】

通过学习，渗透新课程标准中“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，形成节约用电的意识和习惯。

【教学重点】

掌握电功率的概念，理解额定电压与额定功率。

【教学难点】

能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。

◆

课前准备

◆

灯泡、可调电压的电源，开关、导线、多媒体课件等。

◆

教学过程

一、新课引入：

展示课件：

1、观察动画，分别把灯泡和空调接入电路，电能表转盘转动的快慢是否相同？说明了什么？

2、观察铭牌的图片，想一想，灯泡上的“25

W”和空调上的“1060W”的字样是什么意思?

二、知识讲解：

学生通过看书回答：

电能表铝盘转的快慢不同，表示用电器消耗电能的快慢不同。灯泡上的“25W”和空调上的“1060W”表示消耗电能的快慢，“1060W”比“25

W”灯泡消耗电能快！

教师总结：

在力学中学习过表示机械做功快慢的物理量——功率。

刚才的实验说明了电流做功也有快慢之分，用什么表示电流做功的快慢呢？

引导学生得出电功率的知识：

电功率的意义：表示电流做功快慢的物理量。

（一）电功率

1．物理意义：表示电流做功的快慢。

2．单位：瓦特，简称瓦，符号是

W。

常用单位：

kW

=

W

W

=

mW

各种不同的用电器，电功率各不相同，翻看电器的说明书，我们常常可以看到“电功率”这样的参数。教师为学生展示一些家用电器的电功率。

思考：

洗衣机半小时做功180000J，电流通过公共电车2s做功120000J，如何比较谁的功率大？

引导学生用单位时间内做功的多少来比较做功的快慢。

3．定义：物理学中，把电流所做的功与所用时间之比叫做电功率。

定义式：P=W/t

W——消耗的电能——焦耳（）

t——消耗这些电能所用时间——秒（s）

P——用电器的功率——瓦特（W）

提问：我们上一节学习的电功的计算公式是什么？引导学生推导电功率的另一个公式：

P＝UI。

例题1：一小灯泡两端的电压为2.5V，通过其中的电流为0.4A，通电2min,小灯泡的电功率是大？

解：

P=W/t=

UIt/t

=

UI=

2.5V×0.4A

=1W

答：小灯泡的电功率是1W。

（二）“千瓦时”的来历

请同学们看课本了解“

kW·h”的来历，说说自己的理解。

功率的单位还可以用千瓦（kW），如果时间的单位取小时（h），由公式P=w/t，变形后得到W=Pt，这时电功W的单位就是“

kW·h”。

1kW·h就是功率为1kW的用电器使用1

h所消耗的电能。

例题2：某电视机的电功率是

150

W，每天使用

h，一个月用电多少千瓦时?

（按

天计算）

解：P

=

150

W

=

0.15

kW

t

=

h×30

=

h

一个月内消耗的电能是

W

=

Pt

=

0.15

kW×90

h

=

13.5

kW

·

h

答：一个月用电

13.5

kW

·

h。

想想议议：

一位电视记者在讲到某工厂上半年共节约电5

000

kW

·

h的时候，手举一只理发用电吹风机说：“我这只电吹风是

500

瓦的，也就是

0.5

千瓦，这个工厂节省的电力可以开动

000

个这样的电吹风”。这位记者错在哪里?

学生总结：这位记者的说法混淆了电能和电功率概念。

交流讨论：

不同用电器的电功率一般不同，那么，在不同情况下，比如在不同电压下，同一个用电器的功率总是一样的吗?

教师演示：

取一个标有“36

V

W”的电灯泡。把它接在36

V的电路中，它正常发光。把它分别接在24

V和40

V的电路中，观察并比较它们的亮度。

现象：在电压为

V

时，灯泡正常发光；在低于

V

时，灯泡发光暗淡；在高于

40V

时，灯泡强烈发光。说明用电器消耗的电功率随着它两端电压的改变而改变。

（三）额定电压

额定功率

1．额定电压：用电器正常工作时的电压。

2．额定功率：用电器在额定电压下工作时的功率。

3．实际电压、实际功率

实际加在用电器两端的电压叫做实际电压，用电器在实际电压下工作时的功率叫做实际功率。

师生总结：

U实

=

U额，则

P实

=

P额；用电器正常工作。

U实

U额，则

P实

P额；可能烧毁用电器。

U实

U额，则

P实

P额；用电器不能正常工作。

展示图片：生活中各种用电器的铭牌。

提问：这些来自生活的铭牌标示的是什么电压、什么功率？谈谈你对额定功率和实际功率的认识？

想想议议：一种彩色灯泡的额定电压是

V，要接在220

V的电路中，要串联多少个这种灯泡才行?

（四）电功率的测量

提问：

1、测量电功率可以用专用的功率表，但是在非专业的实验中，我们是否有其他方法呢？根据什么原理去测量？

2、我们需要什么器材去测量电功率？

学生总结：可以用P=UI，用电压表测量电压，用电流表测量电流，代入公式计算即可。

三、课堂总结：

1．功率的物理意义：表示电流做功快慢的物理量。

2．功率的国际单位：瓦特，简称瓦，符号：W。

3．功率的定义：电流在单位时间内所做的电功。

4．功率的定义式：

推导得到：

P=UI

5.千瓦时的来历：1

kW·h=1

kW×1

h（W=Pt）

6．额定电压——用电器正常工作时的电压。

额定功率——用电器在额定电压下工作时的功率。

7．实际功率与额定功率的关系

U实＝U额

P实=P额

U实＜U额

P实

U实＞U额

P实>P额

四、布置作业：

课后“动手动脑学物理”。

五、板书设计：

第2节

电功率

一、电功率

1．物理意义：表示电流做功的快慢。

2．单位：瓦特，简称瓦，符号是

W。

常用单位：

kW

=

W

W

=

mW

3．定义：物理学中，把电流所做的功与所用时间之比叫做电功率。

定义式：P=W/t

二、“千瓦时”的来历

由W=Pt可知，1kW·h就是功率为1kW的用电器使用1

h所消耗的电能。

三、额定电压

额定功率

1.额定电压：用电器正常工作时的电压。

2.额定功率：用电器在额定电压下工作时的功率。

3.实际电压、实际功率

U实

=

U额，则

P实

=

P额；用电器正常工作。

U实

U额，则

P实

P额；可能烧毁用电器。

U实

U额，则

P实

P额；用电器不能正常工作。

◆

教学反思

6.八年级物理《功率》教学设计 篇六

教学目标：

知识和技能：

1，了解力量，知道力的物理意义，定义，公式和单位。2，估计人们做工作的力量。

过程和方法：

1，通过自感感应电源，提高学生的自我感应能力和沟通能力。2，通过预估力量，提高学生探索实验的能力。

情绪，态度和价值观：

通过估计提高学生学习兴趣的力量，对于身体和生活的接触和实事求是有科学的态度。

教学重点：认知能力，估计功率大小。

教学困难：对权力和物理意义的认知理解。

教学辅助：每组钩码一箱，弹簧测力计，仪表，机械停止表。

教学程序：

首先，创造爱情局面 国王，介绍新的教训。

漫画：小华和小明同时从一楼到三楼。

讨论：表达他们对他们工作的看法。

二，合作交流，诠释和探索。1，自学：力量。

自学习提示：功能的物理意义，定义，计算公式，单位。2，认知：一些功率值。

3，活动：从地面估计对象，增强桌面的力量。

讨论：

（1）实验原理。

（2）猜想：怎么能使权力更大？

（3）测量工具和要测量的物理量。

三，总结反思，扩展升华。1，你在本课中有什么教训？

2，还需要什么解决问题？提出来，我们一起讨论。

四，学习使用，布局操作。

1，设计：估计人们做功率时做的动作。

7.星载固态功率放大器热设计 篇七

固态功放在大功率条件下工作, 器件发热量大, 使器件处于高温状态下工作。而高温会使元器件电性能恶化, 引起失效, 导致设备可靠性下降。资料表明:单个半导体元件的温度升高10℃~12℃, 其可靠性降低50%[1]。随着器件的密集化, 电子设备的功率密度增大, 对热设计的需求也日益强烈。

1 单机热设计

1.1 合理的器件选择

固态功放的绝大部分热量来自功放器件, 常用的Ga As微波功率器件的效率低于50%, 因此器件工作的大部分热量实际上是作为热量消耗掉, 合理的器件选择可以降低功放的功耗, 在设计中可以通过选择效率高的器件减小热耗从而减少单机的发热量。

1.2 优化大功率器件的热设计

1) 器件的散热路径:星载功放工作在真空环境下, 大功率器件热量散出的最主要途径就是将热量传导到功放单机的壳体再通过单机壳体将热量散出, 由于接触面之间存在热阻, 会对热量的散发造成影响, 因此在功放的热设计中器件的散热路径是重要的一环, 将大功率器件直接安装在金属壳体上而不是安装在印制板上, 这样可以有效缩短传导路径减小传导热阻。

2) 优化热阻:导热路径中的接触热阻其产生是由于实际接触的两个物体表面并不是理想中的面接触, 而是只发生在面上某些点的点接触, 接触面存在空隙。有研究表明当接触面缝隙在真空或低气压状态时, 接触热阻会明显增大。因此为改善接触热阻应在条件允许的情况下尽可能提高接触面的加工精度。同时根据已知数据 (如表1所示) 在大功率器件与壳体的接触面加铟箔, 在单机与星体的接触面填充导热硅脂, 对接触面的缝隙进行填充可有效改善各个接触面之间的接触热阻。

1.3 提高单机热辐射效率

提高壳体热辐射效率可以通过提高表面发射率及增大辐射面积的方式实现。

通常的表面处理方法有:阳极氧化、喷漆、喷涂料等, 其中黑色阳极氧化的散热效果最好[2], 因此设计中采取了对单机外表面进行表面黑色阳极氧化的方式提高单机表面热辐射率。

设计中通过在单机壳体表面挖散热槽, 在保持单机体积不变的情况下增大单机的对外辐射面积, 提高散热效率。

2 热仿真

对单机根据内部器件的功耗分布情况进行几何建模, 并使用NX8.0热仿真软件对单机进行热仿真分析。

热分析结果如表2所示:

3 实测结果验证

针对功放器件发热温升情况进行了验证试验, 使用热成像仪测试末级大功率功放器件的工作温度, 测试时功放已开机30分钟, 单机内部达到热平衡状态, 环境温度为23℃, 测试图如图1所示:

图中显示温度为华氏温度, 功放管温度为82.6℉换算成摄氏温度为28.1℃, 由实测结果可知, 功放管的实际工作状态下管壳温升为5.1℃, 与热仿真结果5.7℃基本一致, 满足设计及使用要求。

4 结语

功放通过合理的散热设计包括:大功率器件直接安装在金属壳体上、改善接触面热阻、对单机表面进行阳极氧化处理等措施优化并改善了单机的散热。

经过常温环境温升测试及真空试验验证, 功放中所有大功率器件能够满足《元器件可靠性降额准则》中I级降额的要求, 功放的热设计满足使用要求。

摘要：文章对星载固态功率放大器的热设计进行了研究, 并结合星载固态功率放大器设计实例, 最后给出了功放的仿真及实物测试结果。

关键词：热设计,固态功率放大器,热仿真

参考文献

[1]赵惇.电子设备热设计[M].北京:电子工业出版社, 2009.

[2]侯增祺, 胡金刚.航天器热控制技术原理及其应用[M].北京:中国科学技术出版社, 2008.

8.功率放大器设计教材 篇八

关键词：运算放大器；CMOS；gm/ID

中图分类号：TN432文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31020-03

Design of Amplifiers Based on gm/ID Parameter

CHEN De-bing,CHANG Chang-yuan

(Institute of Integrated Circuit,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract:The aim of this paper is to present a transistor optimization methodology for analog integrated CMOS circuits,based on the physics-based gm/ID characteristics,This method dependents curve of gm/IDandID/(W/L)in all operations regions are integrated with other design specifications, providing solutions close to the optimum。As an example, we show the results obtained for the design of a CMOS Miller operational TransconductanceAmplifier, Experimental results are presented, in order to validate the methodology。

Key words:Operationa Amplifier;CMOS;gm/ID

1 引言

对电路设计者来说，模拟电路的设计是一项艰巨的挑战。因为各种设计指标相互关联，相互制约并与器件的尺寸密切相关。因此要求设计者能够使复杂多样的设计指标（功耗，带宽，增益等）同不同的设计变量（偏置电流，宽长比等）相适应。而参数及变量越多，设计过程越复杂，调适设计的周期也就越长。正是基于上述原因，为了提高设计的效率，采取了各种设计模型及不同的仿真工具。但是若要使这些措施能够获得更好的应用，所要面临的主要困难是缺少能够使器件与电路的拓扑结构相适应的模型参数。gm/ID设计方法正是基于以上原因而提出来的新的解决思路。 gm /ID设计方法它采用跨导gm与沟道电流ID的比率同标准化沟道电流ID/（W/L）为基本设计出发点 。采用gm/ID参数来设计的原因及优点是它给出了器件在不同工作范围内的具体技术指标，可以明确地划分器件工作在不同区域的参数取值。它也提供了计算MOS管的W/L及Ｌ的工具。

本文首先介绍了gm/ID参数设计方法的原理，然后利用该方法设计运算放大器，进而说明该设计方法的具体设计步骤。最后进行了模拟仿真验证。

2 基于gm/ID参数设计方法的理论基础

传统的设计方法是根据MOS管的不同工作区域的I-V方程及其它约束条件来设计MOS管的宽长比，与传统的设计方法相比gm/ID参数设计方法是根据适用于所有工作区域的统一的gm/ID与ID/（W/L）的关系曲线为基本设计出发点，结合其它的特征参数及设计指标来设计MOS管的宽长比。

gm/ID与ID/（W/L）的关系曲线是根据MOS管在不同工作区域的I-V方程[6]推出的，可分别表示如下：

gm/ID=[(2k×W/L)/ID]1/2 （饱和区） （1）

gm/ID=(k×W/L×VDS )/ ID（线性区） （2）

gm/ID=(IDO/nVT)×exp(VGS/nVT)×

W/L×(1/ ID)（亚阈值区） （3）

由上述关系式并结合BSIM3V3模型数据可绘制出gm /ID 与ID/（W/L）的关系曲线[2]如图1所示，其中各区之间的分界点是由gm /ID 与Vgs的关系曲线相应确定。从图中可见gm/ID值的选择不同，MOS管的工作区域也不同。根据gm/ID值确定ID/（W/L），

从而确定MOS管的W/L （ID 值可由功耗，摆率等其它约束条件确定）。

图1 gm/ID与ID/(W/L)的关系曲线

另一方面，随着MOS管沟道长度的减小，其沟道调制效应显著增加，对运算放大器的增益影响不可忽视。一般情况下，放大器增益Au可表示为gm与rds的函数，由关系式rds =VA/ID可使放大器增益Au表示为gm/ID与厄尔利电压VA的函数，由此可见厄尔利电压VA值与增益Au密切相关，而厄尔利电压VA与器件长度L的值有关，故可通过选取适当的L值来满足增益所需要的VA值。VA 与L的关系既可以通过单位沟道长度的厄尔利电压VA0与L的乘积来估算[6]，但误差很大。我们可通过cadence模拟仿真软件提取。表1是跟据0.6um工艺在Vgs=2v情况下所提取的VA与L的对应关系。

表1 VA(V) 与 L(um)的对应关系

gm/ID参数设计方法的流程如图2所示，首先，根据功耗和摆率等约束条件确定总电流及各支路电流的大小。其次，再根据MOS管的工作状态选择合适的gm/ID值，尽而确定MOS管的宽长比。再次，由放大器增益Au与gm/ID和厄尔利电压VA的函数关系确定MOS管的栅长L。最后，根据模拟仿真的结果不断调试使各项设计指标都达到要求。

图2 gm/ID参数设计方法的流程图

3 利用gm/ID参数方法设计密勒补偿的运算放大器

3.1 设计原理图 如图3所示 是一个带有密勒电容补偿的两级运算放大器。

3.2 设计指标 如表2所示

图3 密勒补偿的两级运算放大器

表2 运算放大器的设计指标

3.3 其具体的设计步骤如下：

因各MOS管都工作在强反型区，由图1所示gm/ID的取值范围应选在4到8之间 。

3.3.1 选择补偿电容Cc

由60度相位裕度可知Cc应满足Cc大于0.22CL的条件，故Cc取3pF。

3.3.2 确定尾电流ID5及其它支路电流

由摆率确定尾电流，ID5=SR×Cc=40 uA，根据镜像及功耗的考虑，初步确定ID8 =40uA , ID6=100 uA

3.3.3 差分对M1，M2 的参数确定

由增益带宽积GMB=gm1/Cc 确定 gm1/ID1=

（GMB×Cc）/ 0.5ID5=7.5, 结合图1初步确定M1，M2的宽长比约为30。

3.3.4 电流镜M3，M4的参数确定

为保证有良好的匹配和噪声性能，M3. M4应确保工作在强反型区 故gm3/ID3 ，gm4/ID4在 7到8 范围内取值，初步确定M3，M4的宽长比约为10。

3.3.5 M7的参数确定

M7工作在强反型区，故gm7/ID7的取值范围也在 7到8之间 。根据ID6=100 uA，初步确定M7的宽长比约为90。

3.3.6 M5，M6，M8，M9的参数确定

为提供稳定的偏置，M5.M6.M8.M9应工作在强反型区，根据偏置电流ID8.，ID6，初步确定M5.M6.M8.M9的宽长比分别约为30∶1，130∶1，30∶1，1∶1。

3.3.7 增益校核

由增益表达式Au=[（gm1/ID1）×VA1×VA3] ×[（gm7/ID7）×VA7×VA6]在满足增益的条件下，MOS管的L值可由VA值的大小确定，从而初步估算各MOS管L的值。

3.3.8 最终尺寸的确定

经仿真调试后，最终确定各MOS管的尺寸与用传统方法确定各MOS管的尺寸如表3所示。

3.3.9 两种设计方法在性能上的比较

从表4性能对比中可以看出，gm/ID设计方法

在满足基本设计要求的前提下能够降低功耗。正是因为这个原因，国外在上世纪九十年代开始用该方法设计微功耗运算放大器，以后又陆续用于设计比较器，滤波器以及射频电路和数字电路等其它器件与系统的设计。

表3 不同方法所确定的尺寸

表4 性能比较

3.3.10 仿真结果

如图3所示相位裕度保证在60°左右，图4显示增益带宽也满足设计要求。

图3 相位裕度

4 结论

本文给出了跨导gm同沟道电流ID的比值与标准化电流ID/（W/L）的关系以及VA与L的关系，并利用这种关系来设计密勒运

算放大器。因为该方法对不同工作区域采用统一的设计手段，故可以很方便的推广到工作在亚阈值区的低功耗运放的设计，有利于提高设计效率。仿真结果也显示该方法有效可行。

图4单位增益带宽

参考文献：

[1]Allen PE,Holerg DR.CMOS analog circuit design.Oxford University Press;2002。

[2]F.P.Cortes,E.Fabris, S.Bampi, “Analysis and dsign of amplifiers and comparators in CMOS

0.35um technology”, Microelectronics Reliability,Eselvier Ltd, April 2004,vol.44, p.675-664.

[3]F.Silveira.D.Flandre,and P.G.A.Jespers " A gm/ID Based Methology for the Design of CMOS Analog Circuits and Its Application to the Synthesis ofSilicon-on-Insulator Micropower OTA" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL .31,

NO.9,SEPIEMBER 1996.

[4]毕查德,拉扎维. 陈贵灿,程军,张瑞智.等译.模拟CMOS集成电路设计[M].西安交通大学出版社,2004.

[5]王自强.CMOS集成放大器设计.国防工业出版社,2007

[6]吴建辉.CMOS模拟集成电路分析与设计[M].电子工业出版社,2004.

9.电功率复习课教学设计 篇九

【自主学习目标】 1.知识与技能

知道电能的单位是焦耳、千瓦时及它们之间的关系。知道电功率表示消耗电能的快慢和单位。

理解电功率和电流电压之间的关系，并能进行简单计算。会测小灯泡的实际功率和额定功率。认识电能表并会应用。知道安全用电的常识。2.过程和方法

观察体验电能表表盘转动快慢跟用电器电功率的关系。观察体验用电器的额定功率与实际功率的关系。3.情感、态度与价值观 培养实事求是的科学态度。

重点难点：重点是知道电功率的概念和表示意义,会用功率计算公式P=W/t进行简单的计算。

【学法指导】练习、归纳总结 【自主学习问题设计】

个人思考解答后，小组交流，以小组为单位展示成果

1、下列说法中正确的是：（）

A.电流做功的过程，实际就是电能转化为其他形式能的过程；

B.电能对于我们的生活是一种非常重要的能源，所有的方面都可以利用电能； C.电流所做的功，跟电压和电流成正比；

D.手电筒工作时，电池的化学能直接转化为光能。

2、关于电流做功，下列说法中正确的是（）

A.导体两端的电压越大，通电时间越长，电流做功就越多； B.通过导体的电流越大，通电时间越长，电流做的功就越多； C.电流做功是电能转化为其他形式的能的过程； D.电流做功是电能转化为内能的过程。

3．关于额定功率和实际功率的说法，正确的是：（）A.额定功率跟用电器工作时的电压有关； B.额定功率跟用电器的额定电压无关； C.实际功率跟用电器工作时的电压有关； D.实际功率跟用电器工作时的电压无关。

4．工厂机床上使用的白炽灯上标有“PZ36-100”，家里厨房使用的白炽灯标有“PZ220-100”，他们正常工作时：（）

A.机床的照明灯比较亮； B.厨房的白炽灯比较亮； C.额定电压不同，无法比较； D.二灯一样亮。

5．小红家电风扇的铭牌上标明“额定电压220V，额定功率60W”；小红的电动玩具小熊的电动机上标明“额定电压6V，额定电流0.5A”。这二个电动机：„„„（）

A.电风扇电机做的功比较多； B.电风扇电机做的功比较少； C.玩具电动机可能做的功比较少； D.玩具电动机做的功比较少。

6．要把一只标有“12V、0.5A”字样的小灯泡接在18V的电源上，必须串联一只多大的电阻才能使灯泡正常发光？这个电阻的功率多大？你认为这样做有哪些好处与不足的地方？ 教案

（一）构建知识网络

回忆所学知识，填写相关内容，形成本单元知识网络。（个人完成后，小组交流，提出小组问题）

（二）重点、疑点探究（独立思考后小组交流，以小组为单位展示）

1、适用范围：公式W=UIt适用于各种电路中电功的计算。公式Q=I2Rt只能计算电流产生热量的多少。电流做功多少不一定等于电流放热多少。

2、注意事项：W、U、I、t要一一对应，如计算R1在t1时间内的电功W1=U1I1t1，R2在时间t2内的电功W2=U2I2t2，而要计算某电路的总电功W总=U总I总t。

3、无论是在串联电路中还是在并联电路中，总电功都等于各个用电器所做的电功之和，即W总=W1＋W2＋„

4、由欧姆定律及其变形公式，可得到电功的两个变形公式，请推导出。注意这两个公式的适用于什么样的电路。

5、额定功率和实际功率的关系。

（三）典题引领，巩固拓展

例

1、若有两电阻R1=3Ω，R2=6Ω，把它们串联在6V的电源上，在1min内电流做的功各是多少？电路中的电功是多少？若把它们并联在这个电源上，在1min内电流所做的功各是多少？电路中的总功是多少？

例

2、某同学家有1台60W彩电，3盏60W的电灯，4台40W的电扇，每天各用电器平均少用1h，试计算1个月（以30天计算）共节约多少千瓦时电？这些电可供1台200W的洗衣机工作多少小时？ 反思教师和学生生成的问题：

关于“电功率”的教学,一直都是难点，因为这个地方公式多,物理知识抽象,学生不易理解。记不住易混淆，尤其是计算多，弄得学生是云里雾里，在教学时我注意两点：一是在学生做计算题时，要先按照例题的做法写出物理量用什么字母表示，相当于过去的已知，这样做的目的是让学生分清每个物理量用什么字母表示，久而久之就会记清，事实证明效果很好。二是不让学生做太难的计算题，不做公式推导，因为这的公式多，推导出的公式更多，学生会记不住，听不懂，讲了白讲，推了白推，所以不要做无用功，要耐心等待，等到学生掌握的很好时再讲。

梳理学生的猜想时显得经验不足，我想这也许不是一朝一夕所能解决的问题，它可能是一种经验和知识积累到一定程度，才能灵活处理的问题，所以我应该把这种教学方式运用到平时的教学中，不断总结，积累经验，增强课堂应变能力。

10.《电功率》第一课时教学设计 篇十

教学目标

一、知识目标

1.理解电功率的概念.知道电功率表示消耗电能的快慢。

2.知道电功率的单位是W或kW。

3.会应用电功率的定义公式P=W/t 进行简单的计算。

二、能力目标

1.通过体验电能表表盘转动快慢跟用电器电功率的关系，培养学生的观察能力和分析、概括能力。

三、德育目标

1.关心日常生活中各种用电器电功率的大小，具有节能意识。

2.通过教学活动，感受到科学就在我们身边，渗透新课程标准中“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

教学重点

电功率的意义和定义式。

教学难点

正确理解电功率大小和消耗电能多少的区别与联系。

教材课型

新授课

教学方法

演示法、观察法、讨论法。

教具准备

自制教学电路板（带开关的插座、电能表、灯座、导线若干等），100W、15W白炽灯各1个。

课时安排

1课时

教学过程

一、引入新课

［师］上节课学过电能表后，请同学们观察了自己家的电能表。把你观察的结果和大家交流一下呢？

［生］电能表有时候转得快，有时候转得就比较慢。

［生］开的灯多了就转的快。

［生］电能表转得快慢和用电器的多少有关系。

［师］现在我们可以通过实验来求证同学们的观察是否准确。

二、进行新课

1.什么是电功率

［演示］不同的灯泡接入电路中，观察电能表转动的情况。

（1）先将15 W的电灯接入电路，合上开关，灯发光，同学们观察电能表转动情况。

（2）将15 W的灯泡取下，换上100 W的灯重复第一步实验。同学们观察并比较两次转动快慢情况。

［生］电能表第二次比第一次转动得快。灯也是第二次比第一次亮。

［师］（断开电源，取下两只灯泡）同学们再观察这两只灯泡，有什么发现？.［生］两只灯泡不一样，一只上标着“220 V，15 W”，另一只灯泡上标着“220 V，100 W”。

［师］实验证明了同学们在课后的观察非常准确。还记得电能表有什么作用吗？接入电路的目的是什么吗？

［生］电能表是用来测量用电器消耗电能的多少的。

［师］电能表转得快说明了什么？转得慢又说明了什么呢？

［生］转得快说明用电器用的电多，消耗的电能多。

［师］大家同意这种说法吗？

（同学们思考、讨论.教师注意引导）刚才的实验中，同学们注意到第一盏灯亮时电能表比第二盏灯亮时转得慢。能说明第一盏灯消耗的电能比第二盏灯消耗的电能少吗？

［生］不能说明，电能表转动越快，只能说明用电器消耗电能越快，不能说明用电器消耗电能越多。因为没有时间限定。

［师］同学们分析得非常有道理。原来电能表铝盘转动的快慢不同，表示了用电器消耗电能的快慢不同。

请同学们看书P42页，了解在物理学中用什么物理量来表示消耗电能的快慢。

［生］物理学中用“电功率”表示消耗电能的快慢。

符号是“P”，单位是“瓦特”，简称“瓦”，单位符号是“W”.［生］还有一个更大的单位是千瓦（kW）.kW=103 W

［师］谁还记得上节课“电功”中，电能是用什么表示的？

［生］功通常用字母“W”表示。

［师］两个“W”意思一样吗？

［生］两个“W”不一样。上节课的W是电能这个物理量的符号，而现在学的W指的是电功率的单位符号。

［师］在物理学中，每一个物理量都有自己的表示符号，每一个物理量的单位也有其单位符号，同学们要注意区分。

请同学们观察P42页“小资料”。你能告诉大家一些什么信息呢？

［生］这些都是家用电器的电功率，但有的不用接入家庭电路使用，装电池就行。

［生］空调的电功率较大，电扇的电功率较小，空调工作时，肯定比电扇工作时电能表转得快。

［师］能不能说空调比电扇消耗得能量多？

［生］不能，还要看工作时间的长短。

［投影］

例1：某台电风扇和洗衣机，电风扇通电工作半小时，电流做功72000 J；洗衣机通电工作2 min，电流做功12000 J。问：哪台电器消耗的电能多？哪台电器的功率较大？为什么？

学生思考后回答

［生］因为电风扇工作时电流做功是72000 J，而洗衣机只有12000 J，所以电风扇消耗的电能多。

［师］哪台电器的功率大呢？

（引导同学们思考：时间相同时，可以比较谁消耗能量多；消耗能量相同时，可以比较谁用的时间短；时间和消耗能量都不相同时，该怎么办呢？）

［生］可以算电风扇2 min消耗的电能，或者求洗衣机半小时消耗的电能。

［生］也可以看看洗衣机如果消耗72000 J电能用多少时间或者看电扇消耗12000 J电能用多长时间。

［生］还能比较它们各自工作1 min消耗的电能。

［师］同学们能否计算它们各自工作1 s消耗的电能呢？

全体同学计算，请一名同学板演.电风扇每秒消耗的电能：72000J/1800s = 40 J/s

洗衣机每秒消耗的电能：12000J/120s = 100 J/s

洗衣机的功率大。

［师］同学们想出的办法都很好，都可以比较出功率的大小。为了大家互相交流、沟通方便，我们统一用“用电器1 s内消耗的电能”来表示用电器的功率。

同学们把你刚才计算时的数字用表示它意义的符号代替。

P=W/t

这就是功率的定义式。一定要注意各符号的意义及单位。

W——电流做的功（消耗的电能）——焦耳（J）

t——消耗这些电能所用时间——秒（s）

P——用电器的功率——瓦特（W）

公式在使用过程中单位要统一，只有用电器在1 s内消耗的电能是1 J时，其电功率才是1 W。（1 W=1 J/s）

［投影］

例2：某用电器20 min消耗的电能是1 kW·h.此用电器的功率是多少？

解:t =20min = 1200 s

W =1 kW·h = 3.6×106 J

所以

P=W/t = 3.6×106 J/1200 s =3×103 W = 3 kW

2.“ kW时”的来历

问题：电功率为1000W的微波炉使用1 h所消耗的电能是多少？

让学生通过用不同的单位制进行计算。

得到：

1kW·h=3.6×10J

1千瓦时是功率为1kW的用电器使用1 h所消耗的电能。

强调： W= P t

6W——消耗的电能——千瓦时（kW.h）

t——所用的时间——小时（h）

P——用电器的功率——千瓦（kW）

师生共同完成教材P43页的例题。

［强调］ kW和 kW·h是两个不同的物理量的单位，一定要注意区分。

［想想议议P44页］

［师］请同学们分析这位记者错在何处，你能不能给他一个建议。

［生］“kW·h”是电能的单位，“W”和“kW”是电功率的单位，这位记者把电功率和电能混淆了。

［生］他可以说：节约的电能可以使10000个这样的电吹风同时工作1 h。

［师］很好，希望大家遇到问题时，能认真分析、思考，用自己掌握的知识解决问题。

三、小结

由学生总结学到了什么知识，并就学习中的问题发表看法。

四、课后练习

动手动脑学物理

第2题、第6题

结束语：我们在前面的实验中知道，灯泡的电功率越大就越亮，灯泡的电功率越小就越暗，那么大家在平时是否注意到同一只灯泡它在不同时刻的亮度是有变化的，难道是它的功率变化引起的吗？还是有别的原因呢？其原因，我们下节课再继续探讨。

五、板书设计

二、电功率

1.意义：表示消耗电能的快慢

2.定义：单位时间内消耗的电能

3.定义式： P=W/t

4.单位：1瓦特(W)=1焦/秒

1KW.h=1KWx1h

1KW.h=3.6×106J

六、课后反思

电功率是初中八年级物理教学的重点和难点，由于知识点较多,计算较复杂，因此要安排两节课才能完成。这一节讲电功率的意义、定义、公式及千瓦时的来历，后一节课为额定功率及电功率的测量，两节课的知识内涵和深度是基本相同，只是从不同方面来加强和巩固，使学生达到对电功率的理解和把握。

通过试验演示，由学生观察实物并证实实物与生活一致，增加了演示实验的可见度。

启发学生通过观察与思考，自主生成知识。利于培养学生的综合归纳能力和创新思维能力。

11.功率放大器设计教材 篇十一

关键词： 匀光照明； 大功率LED； PT54TE； Cy3/Cy5； 荧光检测

中图分类号： TH 776文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.007

Abstract： The singlecore highpower LED chip of PT54TE was chosen to design the red and the green illumination array for a uniform illumination system which excited the fluorescent dye of Cy3/Cy5. Firstly， by analyzing the distribution of the intensity radiation of a singlecore highpower LED chip of PT54TE， an illumination model of highpower LED for the ringshaped arrangement was established. Then， in order to improve the utilization rate of the light， a cylindrical mirror reflection structure was built on the outside of the LED， and the parameters of the structure were solved by the laws of Spyro. Finally， the simulation results of Tracepro show that the illumination uniformity of the target plane （30mm by 30mm） was more than 95.4%， and the flux was greater than 700 lumens， which increased at least 52.5% compared with the ringshaped arrangement without the cylindrical mirror reflection structure.

Keywords： uniform illumination； high power LED； PT54TE； Cy3/Cy5； fluorescent detection

引言

基于CCD图像处理的荧光定量检测系统，需要均匀的面照明并配合冷却型CCD积分采集所激发产生的荧光光子。由于荧光标记物一般需要较强的激发光源和较高的均匀度，商业化的检测仪常以激光二极管对X/Y方向进行均匀扫描或使用高压汞灯、氙灯进行聚光照明。由于激光二极管功率较小和具有典型的高斯分布，为提高功率密度和消除高斯分布影响，X/Y扫描时激光束聚焦达到微米级别，造成扫描速度缓慢。而高压汞灯和氙灯均为高压气体灯，工作启停时间长，发热量大，寿命短。随着半导体工艺的发展，目前LED已经实现高效率的大功率发射，如美国Luminus Devices公司的单芯LED芯片PT54TE，其发光面积5.4 mm2，红/绿单色可产生高达4.1 W的光辐射输出，光通量超过1 000 lm，这使得大功率LED的光照设计大为简单[1]。LED芯片具有许多的优点，光输出稳定度高、寿命长、光强可精确控制，单色大功率LED和高压汞灯、氙灯相比，有效的光谱能量更集中，是产生大功率单色光的最佳器件，可以代替常用的高压汞灯或氙灯[2]。

虽然单颗大功率LED的能量密度大幅提升，但单个LED的功率依然不能满足大面积、高亮度的照明要求。因LED是非相干光源，多个LED的照明作用可以等效为其单个照明的线性叠加。考虑到目标平面要求光照度均匀分布，最有效的方法是使用LED阵列，采用优化排布方式和投射距离，以实现激发光的照明强度和均匀度的要求[3]。

采用优化设计的大功率LED阵列代替高压汞灯或氙灯作为荧光激发光源，再由冷却型CCD相机积分采集所产生的荧光光子，其检测速度较快，高精度运动部件少，成本也较低[4]。

1原理

2实验结果和分析

照明阵列使用8颗大功率单芯LED芯片PT54TE，红绿各使用4颗，其中每颗红色PT54TER光辐射4.1 W，绿色PT54TEG光辐射4.5 W。由于PT54TE红绿LED的半光强角θ1/2均约60°，其光辐射模式m的取值基本一致。

首先将4颗红色LED芯片PT54TEG采用间隔90°布置，分布在45°、135°、225°和315°的位置；将4颗绿色大功率LED芯片PT54TEG布置相对于红色LED的位置错开45°，分布在0°、90°、180°和270°的位置，其分布如图3所示。

环形阵列匀光照明设计

设定圖3中的4颗红色PT54TER的分布半径为ρ1=30 mm，因N=4，m=1，由MATLAB求解式（8）可得z=36.74 mm。

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由于目标平面和LED的安装位置相互固定，PT54TEG绿色LED的投射高度z和PT54TER的取值一致，由式（8）可知LED环形阵列在满足斯派罗法则的情况下，阵列结构参数与LED的光强I0无关。求解式（8）可得PT54TEG的分布半径ρ′1=30 mm，与红色LED芯片PT54TER的分布半径ρ1一致。

上述设计的PT54TE大功率LED的环型阵列，对红绿通道分别使用Tracepro软件进行仿真。

由于PT54TE仍是一个面光源，根据PT54TE规格书的参数，由面光源特性生成器工具，分别构建PT54TER红色LED和PT54TEG绿色LED的面光源模型，并在Tracepro内按图3所示的阵列结构和半径ρ1环型排布LED。当PT54TER红色大功率LED在光辐射输出4.1 W、N=4、ρ1=30 mm和z=36.74 mm时，追迹2×106条光线，其照明分布如图4所示。

均匀度检测使用五点测量法，将目标面内的最小照度值除以最大照度值就可以得到目标面的照度均匀度[13]。红色通道LED阵列的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.925，最大照度为0.970，照明均匀度大于95.3%，平均光通量大于459 lm。

当PT54TEG绿色大功率LED在光辐射输出4.5 W、N=4、ρ1=30 mm和z=36.74 mm时，追迹2×106条光线，其照明分布如图5所示。

绿色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.935，最大照度为0.980，照明均匀度大于95.4%，平均光通量大于727 lm。

2.2配置内反射柱面镜的PT54TE环形阵列匀光照明设计

为了更有效地提高LED光线的利用率，在上述环形阵列的LED芯片外侧，采用8片全反射矩形镜片，组成一个八边形柱面，柱面内壁镜片有全反射膜。假定镜面反射率100%并忽略二次反射的影响，相当于在镜像位置扩展出一个相应的LED′，且半径ρ2=ρ1+2ρt，其分布的环形阵列及镜像结构如图6所示，单颗LED及镜像效果的等效光路如图7所示。

设定窄带滤光片半径为5 mm，则LED距离反射镜内壁的最小距离ρt=5 mm；设红绿共8颗PT54TE的分布半径均为30 mm，即圆环半径ρ1=30 mm，则镜像LED′的分布半径ρ2=ρ1+2ρt=40 mm，由MATLAB求解式（9）可得z=40.81 mm。

Cy3/Cy5生物芯片在检测台x′y′平面上所需要的矩形均匀光斑的尺寸为30 mm×30 mm，其外切圆的直径d=42.2 mm。在图6和图7所示的结构中，所配备的具有内反射功能的八边形柱面内壁的每片矩形镜片高z=40.81 mm，宽a=2（ρ1+ρt）tan22.5°=29.0 mm。设镜像LED′经过该柱面镜片投射到x′y′平面时的实际光斑宽度为B1B2，则由相似三角形ΔA3K2K3和ΔA3K1K4、相似三角形ΔA3A1A2和ΔA3B1B2的边比关系可得：

求解式（10）有B1B2=a（ρ2-21.1 mm）/ρt=109.6 mm> 42.2 mm，所以镜像LED′经过柱面镜片等效投射到目标平面30 mm×30 mm面积内的光线，没有缺失。针对设计的PT54TE大功率LED等效的双环型阵列，使用Tracepro软件分别对其红绿通道进行仿真。

当PT54TER红色大功率LED在光辐射输出4.1 W、N=4、ρ1=30 mm、ρ2=40 mm和z=40.81 mm时，追迹4×106条光线，其照明分布如图8所示。

红色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.930，最大照度为0.970，照明均匀度大于95.8%，平均光通量大于700 lm。

当PT54TEG绿色大功率LED在光辐射输出4.5 W、N=4、ρ1=30 mm、ρ2=40 mm和z=40.81 mm时，追迹4×106条光线，其照明分布如图9所示。

绿色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.945，最大照度为0.990，照明均匀度大于95.4%，平均光通量大于1 114 lm。

3结论

设计了由4颗红色PT54TER和4颗绿色PT54TEG单芯大功率LED并配置八边形内反射镜片所组成的双通道照明阵列，使用Tracepro追迹4×106条光线，仿真表明在目标平面（30 mm×30 mm）内的照明强度和均匀度均较高，其超过700 lm的光通量和95.4%的均匀度，相比于未配置反射镜片的环形阵列，照明均匀度略优但光通量至少提高52.5%，同时该阵列没有复杂的光学镜片系统，结构简单，轴向尺寸紧凑，具有一定的优越性。

参考文献：

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[13]張宁.LED面光源均匀化设计[D].南京：南京信息工程大学，2012：2628.

（编辑：刘铁英）

12.功率放大器设计教材 篇十二

高频功率放大器是无线电发射机末端的重要部件,是评价通信系统性能的重要参数。近年来,针对功率放大器设计的各种研究不断涌现,对功率放大器的性能进行优化的算法不断出现。本文在Multisim2001软件仿真基础上给出了丙类功率放大器电路的设计步骤和仿真过程,利用Multisim软件工具,通过仿真结果对电路的特性进行分析, 并逐步完善电路。

1 对功率放大器的要求

功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出,以提高发射信号能量,便于接收机接收的电路,因而要求输出功率大,效率高,同时,输出中的谐波分量应该尽量小,以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同,功率放大器分为甲类、乙类、丙类等,电路由馈电电路、输入匹配、输出匹配及级间耦合4部分组成。

对电路设计要求如下:工作频率为14.5 MHz,要求带宽为1.5 MHz,输出功率为不小于20 W。

2 电路结构设计

2.1 设计分析

为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定,电路由甲类、丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图1所示。

根据设计要求和晶体管实际参数,采用Philips公司的NPN型高压晶体管2N5551作为放大管,三极管Q1、电感L1、电容C2组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态。三极管Q2和由电感L3、电容C7、C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。

R1、R2、R3、R4组成第1级静态偏置电阻,调节R2、R3可改变放大器的增益。L1、C2组成一级调谐回路,L2、R5、C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电,R7为射级反馈电阻,调整R7可改变丙类功率放大器的增益。C6、C7、L3组成末级调谐回路,C6用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、C9和L4组成滤波回路,起到改善波形的作用。R9和C10、R11和C11以及R8和C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。

当基极输入的正弦信号频率取值在L1、C2谐振频率附近时,集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容,有效地控制了可能由于射级电阻R3、R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压时,Q2才导通工作。当L3、C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时,丙类功率放大器工作于谐振状态,集电极将获得最大的电压增益,达到功率放大的目的。

2.2 元件参数选取

a) 功率放大器管:选用Philips公司的NPN型高压晶体管(2N5551)作为放大管。

b) 直流电源:根据设计要求放大器的电源电压初始值均取+12V。

c) 甲类功率放大器的调谐回路由L1和C2组成,根据谐振频率公式:

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及工作中心频率为14.5 MHz,取参数为L1=1.0 μH,C2=120 pF,丙类功率放大器的调谐回路由L3、C6、C7组成,为使甲类功率放大器集电极的输出信号能在丙类功率放大器产生谐振,两功率放大器调谐回路的谐振频率应一致,因此,取L3=1.0 μH,C7=120 pF。C6(最大值取30 pF)用来微调调谐回路的谐振频率,保证丙类功率放大器的输入信号产生谐振。

d) 甲类放大器参数选取

甲类功率放大器的静态偏置由R1、R4、R2和R3组成。R1、R2一般在同一数量级,取R1=10 kΩ,R2最大值为50 kΩ,通过调节R2改变三极管基极Q点电压,即改变放大器增益,R2取值越大时Q点电压越大。取R4=51 Ω,R3最大值为1 kΩ,通过调节R3改变输出信号增益,R3不宜过大,否则会影响增益。此外,C5为射极旁路电容,有效地控制了由于射极电阻R3、R4而引起电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路电容取值一般较小,这里取C5=10 nF[1]。

e) 丙类功率放大器参数选取

丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压由L2、R5、C4组成的电路产生,L2起到传送直流、隔离交流的作用,使得R5两端为直流电压。取L2=100 μH,R5=51 Ω,C4=10 nF。Q2射极电阻由R6、R7组成,取R6=51Ω,R7最大值为1 kΩ,通过调节R7改变丙类功率放大器增益,R7取值不宜过大,否则会降低增益。L4、C8、C9组成滤波回路,减小集电极输出信号的失真。C8、C9一般取等值,这里取C8=C9=10 nF,L4=470 μH。

f) 外接负载分别取51 Ω,150 Ω,680 Ω。3个电阻的取值差异较大是为了后面仿真测试丙类功率放大器的特性做准备。

g) C1、C3以及C10、C11、C12均为隔直电容,其作用是传送交流,隔离直流。在高频电路中隔直电容取值一般较小,这里取C1=51 pF,C3=10 nF,C10=C11=C12=10 nF。

3 仿真测试及结果分析

3.1 甲类功率放大器的调谐测试

改变基极输入正弦信号的频率,当取undefined、C2回路谐振频率)时,集电极获得最大的电压增益,这时再改变静态偏置电阻R3、R4的大小可获得更大的电压增益[2]。测试可得,R2取2.5 kΩ、R3取50 Ω时获得最大电压增益约为30倍。

3.2 丙类功率放大器工作状态的测试分析

调整丙类功率放大器电源电压为12 V,不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断开,从基极处输入2V(P-P)、14.5 MHz的高频信号,用万用表测量三极管Q2 be间的电压,测得该电压为负偏压,改变输入电压振幅,该偏压随之改变。此时,接在集电极处的示波器上可看到放大输出信号,如图2所示。下面的波形(信道B)为基极输入信号,上面的波形(信道A)为集电极输出信号,电压增益约为12倍。若使基极激励信号,Ub=0。则测得负偏压也为0,由此可看出丙类功率放大器工作状态的特点。

3.3 测试调谐特性

调整参数使电路正常工作,保持功率放大器管的输入信号为2 V(P-P)左右,不接负载电阻,改变输入信号从8 MHz～20 MHz[3],输出电压值如表1所示。

基极输入正弦信号频率取f=1/(2πRC)≈14.5MHz(C 6、C 7、L3回路谐振频率)时集电极获得最大的电压增益,约为12.5倍,这就说明了丙类功率放大器的调谐特性,如图3所示。

4 结束语

本文利用电子设计工具软件Multisim2001设计了高频功率放大器,并对所设计的功率放大器性能进行了仿真实验,仿真结果表明所设计的放大器满足设计要求,性能良好。

摘要：高频功率放大器是发射机的重要组成部分,因而也是通信系统必不可少的环节。介绍了高频功率放大器的基本原理和特性,并利用电子设计工具软件Multisim2001对丙类功率放大器电路从方案选择、单元电路设计、元器件参数选取等方面进行具体设计分析,同时对电路进行仿真测试,通过仿真结果分析电路特性,使电路得到进一步完善。仿真结果表明,该电路设计方案正确,能达到预期设计要求,性能良好。

关键词：高频功率放大器,Multisim2001,仿真

参考文献

[1]张肃文,陆兆熊.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,1992.

[2]陈松,金鸿.电子设计自动化技术Multisim2001&Protel99se[M].南京:东南大学出版社,2001.