偏置电路设计范文

偏置电路设计篇1

关键词：放大器；偏置电流；参考电压

1 交流耦合放大器的偏置电流处理

交流放大器往往采用阻容耦合的形式来隔离输入信号的直流分量，这种方法在设计高增益放大器时更为常见，阻容耦合交流放大器如图1所示。如果在输入端接入隔直电容而不提供直流偏置通路就容易出现问题。

然而，输入信号的直流分量会对电容充电，使其端电压超过共模电压或输出电压的极限。根据输入电流的极性会使电容器两端的电压上升到电源电压（正电压值或负电压值），同时放大器的闭环DC增益也会放大偏置电压。这个充电过程可能需要很长的时间来完成，而一般设备又很难检测到。

解决这个问题的办法可以考虑在原电路的基础上为输入端增加一直流偏置电路。图1虚线框中R1的作用就是为输入偏置电流提供一个对地回路。为了使输入偏置电流造成的失调电压最小，为使其两个输入端的偏置电流相等，R1的取值通常为R2、R2并联等效值。然而，Rl总会将电源的早上引入到电路中，在考虑到输入阻抗和耦合电容尺寸时，R1典型的取值通常在100KΩ-1MΩ之间。

2 仪表用放大器的偏置电流处理

如图2所示为使用两只电容进行AC耦合的仪表放大器中，没有提供输入偏置电流的返回路径，这个问题在单电源或双电源供电的仪表放大器电路中都常见。这类问题也会出现在变压器耦合放大器电路中，如果变压器次级电路中没有提供DC对地回路，该问题就会出现。

仪表放大器偏置回路的简单解决办法是在输入端（同相端和反相端）与地之间都接一个高阻值电阻（RA、RB），图2中虚线部分，这种简单使用的方法比较适合双电源仪表用放大器。在采用单电源供电的放大器中，两个参考端也可接一个偏置电压，通常偏置电压取电源电压的1/2。

3 仪表放大器参考电压的处理

为了简便，在设计电路时都采用简单的方法为放大器和ADC提供参考电压，但这样会产生误差，甚至影响电路的工作。

设计电路时，仪表放大器的参考电压输入端都假设为高阻抗，所以总想在参考电压端接入一个高阻抗源，如图3所示中采用的电阻分压器，这样在某些类型仪表放大器的使用中会产生严重的误差。

仪表放大器的参考电压输入端直接与一个简单的分压器相连，这会改变减法器的对称性和分压器的分压比，还会降低仪表放大器的共模抑制比及其增益精度。然而，如果接入R4，则该电阻的等效电阻会变小，减小的电阻值等于从分压器的两个并联支路看进去的等效电阻值50k，该电路表现为一个大小为电源电压一般的低阻抗电压源被加在原值R4上，减法器电路的精度保持不变。

仪表放大器采用一个IC实现的话，这种方法就不在适用，同时还要考虑分压电阻的温度系数应与R4和减法器中的电阻保持一致，参考电压不可调。另外，如果采取减小分压电阻阻值的方法使电阻的大小变换忽略会增大电源和电路的功耗。

在分压器和仪表放大器参考电压输入端之间增设一个低功耗运算放大器组成的缓冲器可以解决这个问题。因为这样可以消除阻抗匹配和温度系数匹配的问题，调节参考电压也更方便。为了保证PSR性能，在设计放大器时就容易忽略电源噪声、瞬变或漂移通过参考端分压比经过衰减后直接送到输入端，可以采用旁路甚至精密参考电压产生电路来替代电阻分压器。

如图4所示电路，在分压器的输出端增加一个大容量电容器来滤除电源电压的变化所带来的影响，同时也保证了PSR性能。滤波器的-3dB极点由电阻R1/R2并联和电容C1决定，-3dB极点应该设置在最低有用频率的1/10处。图中的CF能够提供大约0.03Hz的-3dB极点频率，接在R3两端的0.01uF电容可使电阻的噪声最小，该滤波器充电时间大约为10～15s。

[参考文献]

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）第五版.高等教育出版社，2006.1，P101-184.

[2]陈大钦.电子技术基础实验.高等教育出版社，2000.6，P42-54.

偏置电路设计篇2

电路容差分析是由日本质量管理专家田口玄一于20世纪60年代提出的，作为“三次设计”（系统设计、参数设计、容差设计）的一种重要分支，它大大提高了电路可靠性，保证了电路的输出一致性、降低了设计生产成本。电路容差分析就是建立电路性能关于电路元器件参数容差范围的数学模型，分析器件参数容差对电路性能的影响情况，从而优化设计。

1 电路容差分析方法

国家军标GJB/89-97《电路容差分析指南》中指出，容差分析是一种预测电路性能参数稳定性的方法。常用的分析方法有两种，一是以灵敏度为基础的方法，如最坏情况分析法，（Worst-Case Analysis），它是一种非概率统计方法，分析在电路组成元器件参数最坏情况下的线路性能参数偏差，它利用已知元器件参数的变化极限来预计电力性能参数变化是否超过了允许范围。在预计电路性能参数变化范围时，元器件参数的变化取上、下极限值，因此它得到的是电路性能指标最大偏差，最严格地决定了元件所能容许的误差，虽然实际生产中，这种情况出现的概率很小，是一种很保守的情况分析，但它对衡量产品质量非常有用，即通过了最坏情况分析的设计，电路可靠性最好，对航天、反应堆等风险较大设备的电路尤为适用。

第二种方法是以概率统计为基础的方法，如蒙特卡洛分析法，它是当电路组成部分的参数服从某种分布时。对其进行大量随机抽样，对电路进行仿真分析，计算电路性能参数的统计特性和偏差范围的一种统计分析方法。

不论哪种分析方法都需要建立具体电路的数学模型，不但计算复杂，工作量巨大，而且电路模型不能通用，因此限制了容差分析技术在工程实际中的应用。随着EDA（Electronic Design Automation）技术的飞速发展，出现了许多电子系统仿真软件，在这些软件上进行电路容差分析，可避免传统容差分析计算量大，参数调整缺乏灵活性等问题。在众多EDA软件中，OrCAD公司的Pspice软件因其专业性强、计算精度高、仿真结果合理等特点，使得在其基础上的电路容差分析具有更好的实用意义。

2 某装置储能放电单元电路指标分析

图1 储能放电单元电路模型

某装置中储能放电单元是其重要环节，要求具备较高的可靠性，其电路模型如图1所示，其中C为储能电容，L为放电回路总电感（包括电容器电感、传输线电感和负载电感），R是放电回路等效电阻。当该单元电路元器件参数发生偏差时，可能导致放电电流周期和幅值发生改变，从而使得某装置无法实现既定功能。因此需研究各元件参数的偏差对电路性能的影响情况，并在保证放电电流周期和幅值的满足要求的前提下合理选择元件的偏差范围降低产品成本。

在设定偏差为±10%的情况下，对放电电流幅值及周期分别进行瞬态响应仿真，仿真曲线如图2及图3所示。其中曲线1为无偏差时情况，曲线2为最坏情况曲线。

图2 无偏差和偏差为±10%时电流幅值IM仿真曲线

图3 无偏差和偏差为±10%电流周期T仿真曲线

由仿真曲线可知，结果满足要求。

为了得到更好的经济指标，放宽器件的偏差要求，可继续将表1中的偏差范围取值为±11%或更大来进行仿真研究。当偏差范围取值为±11%、±12%时，系统仍然满足指标要求，但当偏差范围取值为±13%时，电流幅值的仿真曲线为图4所示，同样曲线1为无偏差时情况，曲线2为最坏情况曲线。

图4 无偏差和偏差为±13%电流幅值IM仿真曲线

由图4可知，在偏差取值为±13%时，电流幅值几乎小于3.0kA，电路可靠性不够，因此，选择元器件参数偏差为±12%，是经济指标和可靠性指标都较好的偏差范围。

4 结论

对某储能放电电路应用Pspice进行最坏情况分析，显示该放电单元电路元器件参数偏差选为±12%的条件下，放电电流周期和幅值均能满足电路性能指标要求，为实际生产提供了理论依据，节省了设计时间，扩大了器件选型范围，降低了电路成本。

【参考文献】

石永山，王飞，刘铭.电路容差分析在设计中的应用.光电技术应用，2010，12.

杨华中.电子电路中的计算机辅助分析与设计方法.清华大学出版社，2008.

李慧贞.基于EDA技术的电路容差分析在电路设计中的应用.陕西科技大学学报，2010，7.

偏置电路设计篇3

关键词：程控增益放大器；直流偏置；触发耦合

中图分类号：TM935.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-02

1 程控增益放大器偏置电路

程控增放大器AD8370需要在同相输入端提供稳定的1.5V的直流偏置，因为反相输入端的零输入电压为1.5V。所以该电压的稳定且准确是AD8370零输入无漂移的重要条件。为此对偏置电路的稳定性和抗干扰性有较高的要求，电路设计如图1所示。

电路中输入电压Vref=1.25V为DAC的基准电压，由运放U1构成的同相放大器将电压放大到1.5V。互补对管Q1和Q2构成单电源供电的乙类功率放大器，提高输出电压的驱动电流，所以电容C2要选择大容量的电解电容。电路整体为负反馈形式，进一步提高了输入电压的稳定性，保证了程控增益放大器输入端的稳定。

2 外触发输出信号偏置电路

触发信号的零点必须与高速ADC的共模电压相同，这是保证触发信号与被测信号在显示器上零点相同的重要前提。CH1和CH2的触发信号来自差分放大器输出端，差分放大器的共模电压就是和高速ADC连接在一起的。所以还需要将外触发信号的零点进行处理才能送入触发源选择电路，电路如图2所示。

外触发输出信号偏置电路如图2所示，输入电压Vocm为高速ADC共模输出电压，整体电路为跟随器，输出端采用乙类功放提高驱动电流的同时增加了电压的稳定度。输出电压Vo直接送至外触发电路的阻抗匹配运放的反相端，保证了外触发信号零位电平与ADC共模电压VOCM保持一致。

3 交流触发偏置电路

触发耦合电路中可以选择为交流耦合，就会将触发信号中的直流偏置电压滤掉，为了将直流偏置电压保持到后级触发电路，以保证高速比较器能够正确得到触发脉冲。在触发耦合的交流通道两侧需要提供高速ADC的共模电压VOCM作为直流偏置，具体电路如图3所示。

如图3所示，触发耦合交流通道的偏置电路的电压增益为1倍，实现了电压跟随，输出端采用甲类功放，稳定直流输出VO并且提高了电流驱动能力。

参考文献：

[1]王彦斌.数字存储示波器中300MHz模拟通道设计[D].成都：电子科技大学，2008.

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[5]寇戈，蒋立平.模拟电路与数字电路[M].北京：电子工业出版社，2008，125-140.

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[7]Fairchild Semiconductor International，Inc. MMBTH10 Data Sheet[OL]. http：//.

[8]Analog Devices， Inc. AD8370 Data Sheet[OL]. http：//.

偏置电路设计篇4

关键词 ：低噪声放大器 射频 ADS 仿真优化

引言

低噪声放大器是射频接收前端的主要部分。它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好，为了抑制后面各级噪声对系统的影响，要求它有一定的增益。由于噪声指标和增益指标此消彼长，设计时需要根据具体用途来选择合适的指标。本文用安捷伦科技有限公司的ADS仿真软件给出一种设计方法，可以使噪声和增益指标最佳化。

1.设计指标

2. 管芯及材料的选择

本文设计的低噪声放大器工作在：2.4GHz-2.48GHz频段，由于频段较高，本设计中介质基板选择高端PCB厂商Arlon公司的DiClad527介质板材，介电常数为2.55，厚度为1.016mm，铜皮厚度0.1mm，损耗因子0.0022。根据本设计中低噪声放大器的预期指标，在满足一定增益的同时还要有较低的噪声系数，管芯选择安捷伦公司的型号为ATF-34143的增强模式PHEMT（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）其性能参数和封装形式如图1 ：

3. 电路稳定性设计

电路设计前要确保电路的绝对稳定，这里的稳定不单指在工作频段能稳定，更重要的是在全频段内稳定。在ADS中：K=stab_fact（S）， stab_fact（S）函数返回Rollett稳定因子。K>1 时电路绝对稳定。用ADS在1GHz-10GHz扫描，图5.6为ATF-34143在1GHz-10GHz内的稳定性图，由图可以看出1GHz-5GHz，管芯的K<1，电路不稳定，容易自激。需额外加入稳定电路。稳定电路如图5.7。对该电路的电阻，电容和电感进行调谐，使电路在整个频带内绝对稳定（K>1）。图5.8给出稳定电路的仿真结果。可以看到稳定电路在0GHz-18GHz内绝对稳定。

4. 偏置网络设计

偏置网络的设计是影响低噪声放大器性能的一个重要因素，很多电路最后设计的性能不良往往归结于直流偏置网络设计的不当。参考ATF-34143的相关资料，选定直流工作状态： ，在该工作状态下，管子的噪声最小，而增益较高。首先选用ph模型设置偏置电路，采用自偏压电路，设计电路图：图中优化电阻R1、R2、R3设定2个优化目标，名称分别为：VC和IC.IDS.i。

5 .输入输出端口的匹配网络设计

用，时的S参数模型替换直流仿真时的ph模型。对于LNA，如果输入口有一定的失配，反而可以调整器件内部各种噪声之间的相位关系，从而降低噪声系数。为了获得最小的噪声系数，有个最佳值，此时LNA达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。其中是最佳信源反射系数，当匹配状态偏离最佳时，LNA的噪声系数将增大。可以从器件的Datasheet文件中获得。为最小噪声的最优匹配系数。这个系数可以进行输入匹配电路的设计，该系数可以利用软件仿真获得。经仿真得 = 0.564/-87.2。输入反射系数S[1，1]设置为的共轭，用来进行50Ω匹配。调谐得到C1=8.2pF，L=27nH。根据噪声最小原则设计输入匹配电路。

6. 低噪声放大器的整体优化

以上完成了管芯选择、稳定性设计、输入输出端的电路匹配，此时需要进一步优化，设定优化目标，得最终电路原理图。低噪声放大器在0GHz-4GHz频带内绝对稳定。和均小于-15 dB，增益>14dB，噪声系数NF<0.7dB。增益平坦度≤±1dB，完全满足设计指标的要求。

参考文献

[1] 黄智伟.无线发射与接收电路设计.北京航空航天大学出版社.2004.

[2]王志强.无线接收机结构设计.微电子学.2004，34（4）：455-459.

[3]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射频电路设计―理论与应用.电子工业出版社.2002

[4]吴建辉，茅洁.射频电路PCB设计.电子工艺技术.

[5]姜雪松，王鹰.电磁兼容与PCB设计.机械工业出版社.2008.2

[6][日]市川裕一，青木 胜.高频电路设计与制作.科学出版社.2004.

[7][英]Tim Wiliams. 电路设计技术与技巧. 电子工业出版社.2006.5

[8]崔玮.Protel 99 SE电路原理图与电路板设计教程.海洋出版社.2005.

偏置电路设计篇5

三极管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证三极管的发射结正偏、集电结反偏，以常用的NPN型共射放大电路为例，主流是从集电极到发射极的电流I，偏流就是从基极到发射极的电流I。相对于主电路而言，为基极提供电流的电路就是所谓的偏置电路。偏置电路往往有若干元件，其中有一个重要电阻，往往要调整这个电阻的阻值，以使集电极电流的大小在设计的规范之内。这个要调整的电阻就是偏置电阻。简而言之，偏置电阻就是用来调节基极偏置电流，使三极管有一个适合的静态工作点。也就是说让放大器有一个正常的工作电压，这就与动物一样，要动物想活，你必须要给它食物，让它有活动的能力。给三极管一个偏值电压就是这个目的，让三极管无论何时都能处于放大状态。如果没有偏值电压三极管将在信号的正半周处于放大工作状态（但此时信号电压将要大于二极管的开启电压否则没放大的能力），当信号处于负半周时由于加入的是负电压所以三极管没放大的能力，为了让三极管有放大的能力就要从电源那接一个偏置电路为它提供偏置电压，但是接一个偏置电阻会存在很多缺点和不足，所以往往要接两个甚至两个以上的电阻来提供合适的偏置电压，让偏置电压处于放大状态的中间位置。这个点就是三极管中重要的静态工作Q点。让动态的信号在Q点上下移动，并且不会进入饱和区和截止区。这就是加偏置电阻的目的。

对于静态工作点，不仅关系到放大电路对输入信号能否不失真地放大，而且对放大电路的性能指标有重大影响。因此，应该选择合适的、稳定的静态工作点。这可以通过稳定偏置电路或电流源电路来实现。

下面集中介绍几种偏置电路。

第一种是固定偏置放大电路。

如图所示的电路是最基本的固定偏置电路。

固定偏置电阻的值可以使这个三极管的偏置电流固定在一个范围内，而往往为了精确调整这个三极管的静态工作点，还要加上一个可变微调电阻来调整。我们仅以NPN的共发射极放大电路为例来说明一下放大电路的基本原理。下面的分析仅以NPN型硅为例。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流），并且基极电流有很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做电流的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流I的变化，I的变化被放大后，导致了I很大的变化。如果集电极电流I是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号。把共发射极放大器集电极静态电压设计为电源电压的一半，可以获得最大输出电压动态范围。这也是设计共发射极放大器的基本原则。

当环境温度升高时，虽然I为常数，但β和I的增大会导致I的上升。可见，电路的温度稳定性较差。只能用在环境温度变化不大，要求不高的场合。

第二种是分压式射极偏置电路。

如图所示的电路是广泛采用的一种电流负反馈分压式偏置电路。下面来分析一下该电路。

这种电路组中的R、R和R是组成放大电路的偏置电路，其中R为上偏置电阻，提供基极偏流I，R为下偏置电阻，对流经R的电流起分流作用，R为发射极电阻，起电流负反馈作用，C为发射极交流旁路电容。

分压式射极偏置电路稳定静态工作点原理是：当温度上升时，由于三极管参数（I、β）的影响，使I增大，发射极电位V=IRe亦随之增大。又因为极基电位V为固定值，必然导致加到发射结的正偏电压V减小，I随之减小，促使I减小。这样就牵制了I的增大，从而使I基本不随温度变化，稳定了静态工作点。这种自动调节过程为直流电流负反馈。R越大，直流负反馈的作用就越强，I温度稳定性也就越好。

第三种是集电极―基极偏置电路。

下图为集电极―基极偏置电路，它是利用电压负反馈作用来稳定静态工作点的，称为电压负反馈偏置电路。

集电极―基极偏置电路稳定静态工作点原理是：当温度上升时，由于三极管参数的影响，使I增大，集电极负载电阻R上的电压降随之增大，导致V减小，I减小，促使I减小。这样就牵制了I的增大，从而使I基本不随温度变化，稳定了静态工作点。这种调节过程称为直流电压负反馈。集电极―基极偏置电路不适合R值很小的放大电路。

第四种是温度补偿偏置电路。

下图是温度补偿偏置电路，这种电路是利用热敏元件（如热敏电阻、半导体二极管等）的温度特性来补偿放大器件的温度特性，以减小放大电路静态工作点的温度漂移，达到稳定静态工作点的目的。包括热敏电阻补偿电路和二极管补偿电路等。这里就简单介绍一下热敏电阻补偿电路。

上面两个电路均利用热敏电阻R进行温度补偿。R具有负温度系数，其阻值随着温度的升高而减小。

射极偏置电路在较宽的温度变化范围内都能稳定静态工作点，而且更换β值不同的三极管也具有稳定静态工作点的效果；集电极―基极偏置电路能够克服三极管的I和V的温度特性对I的影响，但不利于克服β变化对I的影响；采用热敏电阻补偿，需通过实验来选配合适的R值及特性，也可使静态工作点稳定；二极管补偿，可在一定程度上进一步提高静态工作点的稳定性。

在实际的放大电路中，加合适的偏置电路是保证放大器正常工作的重要条件。这里有两个原因。首先是由于BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小。如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0A）。如果我们事先在基极上加上一个合适的电流，那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0A，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。另外偏置电路一定要做得好一点才行，否则有还会有失真现象出现。

偏置电路设计篇6

1.1基本原理LVDS驱动线路可以有多种结构，常见的包括单电源模式、双电流电源和电压模式。单电流源模式需要较大的电阻，如果采用传输逻辑实现电压驱动，需要复杂的电路对电压进行修正。因此在设计中可以选择双电流源模式进行驱动。电路如图：双电流源模式的电阻需求较小，可以方便的提供恒定电流，相对稳定。双电流源模式，对PMOS管以及NMOS管进行分别设置，形成两个电流镜（M1、M2、M3、M4）。通过适当的调节可以保证电流输出稳定在3.5mA。M2和M4、R组成偏置电路产生偏置电流，然后通过电流镜映射到M1和M3端，为驱动电路提供电流。如果in1是高电平则M5、M8导通，M6、M7阻断。电流从M5通过，从out1输出，经过电阻控制后再从out2输入，进入M8后经过M3，形成一个回路。这样驱动电路输出端out1和out2上的电流相反，形成一个差分信号。

1.2电路模型构建和分析按照前面的分析，M2和M4提供偏置电流，如果要保证电流经过电阻R的电流与偏置电流一致，并控制其参数，根据电流镜的原理，只需要对M1的宽度进行调整，设置为M2的3.5倍。如果此时Ir=1则驱动电路工作电流为3.5mA。同时设定电阻R=200Ω，并确定M2和M4宽长比一致，设定二者漏极电流就可获得其相对应的电压。为了获得稳定的工作电流3.5mA，设计要求M1和M3的漏极电流为3.5mA。根据电流镜的工作原理，可以得到各个关键位置的基本参数。获得相关的M2和M4的比值。在电路输出后，为了保证反转时性能的稳定，M5-M8管应保持参数一致。所以计算其中一个即可获得其他的参数。在电流导通的时候M5是非饱和状态，因此在输出时LVDS的高电压为1.25V，同时电流源的电流为3.5mA，所以MOS开关启动的时候，漏流为3.5mA，而Vds则很小，为100mA。经过计算可以得到M5的宽长比。实际中往往取值较大，因为这样可以减少沟道电阻，加快电平的转换速度。通过仿真可以对LVDS的驱动器进行修正，最终获得各个MOS管的尺寸、电阻和电容等，提高电路的性能。

2LVDS接受设计

在设计中电路的核心部分是接受电路，电路图如下，in1和in2为LVDS输入信号，经过运算和放大后，经由反向器输出。按照电流镜的基本原理其中M3和M4的参数一致。此时Id3为主导，Id4随其发生改变，且二者相等。如果in1和in2相同，此时Id1=Id2；Id3=Id4.从而Id4=Id1=Id2，Iout为零。如果输入的差分信号为共模则电流为零。如果输入信号中in1大于in2则PMOS将发挥作用，此时电流只能从out端流出，而Iout大于零。相反则出现Iout小于零的情况，输入的LVDS信号直接会导致Iout的改变。按照差分放大器的各种性能要求，利用相关公式即可获得相关技术参数，各个点位的电压和电流，如图2中所示。

3结束语

按照上述分析，对电路进行仿真，从仿真结果来看，电路的设计达到了预期的要求。

偏置电路设计篇7

【关键词】小电抗电容隔直装置中性点

中图分类号： F407 文献标识码： A

0 引言

由于电网结构的加强，500kV变压器采用自耦变压器等原因，部分500kV变电站出现单相短路电流高于三相短路电流的现象，成为限制电网运行和发展的主要因素之一，需控制单相短路电流水平的增长。在广东省电力设计院编制的《500kV变电站主变中性点加装小电抗专题研究报告》的研究结果表明，500kV自耦变压器中性点采用小电抗接地对降低单相短路电路的效果明显，随着电力系统规模的扩大和系统短路电流的不断增大，采用中性点小电抗接地的方式来限制变电站的短路电流是很有必要的。

另外随着电力系统的完善，直流输电得到了快速发展，但同时也带来了变压器直流偏磁问题。目前已有五回直流输电系统落点的广东电网，由于地质条件的特殊性（多为花岗岩地质，大地直流电阻较大），这些直流输电系统初期的单极系统调试和后期的非正常运行所引起的大地回线方式导致交流系统中接地变压器的直流偏磁问题变得越来越严重，是国内变压器直流偏磁问题最严重的省份。针对变压器直流偏磁问题，广东省电力科学研究院研制的电容隔直装置对变压器直流偏磁的抑制效果明显，已成功应用于广东电网多个变电站。

目前，广东电网部分变电站同时出现单相短路电流过大和变压器直流偏磁的问题，需在主变中性点处同时加装小电抗和电容隔直装置。本文以韶关500kV曲江变电站为例，介绍了主变中性点同时安装电容隔直装置和小电抗在工程中的实际应用。

1 曲江变电站的现状

500kV曲江站是韶关电网的核心枢纽站，是韶关电网与省主网联系的主要节点，在韶关电网中具有举足轻重的作用。500kV曲江变电站现有主变2×750MVA，500kV出线6回分别为曲花甲线、曲花乙线、桥曲甲线、桥曲乙线、坪曲线、曲江-库湾线，500kV电气主接线为一个半断路器接线方式；220kV出线13回分别为曲翁甲线、曲马线、曲界甲线、曲通甲线、曲芙乙线、曲通乙线、曲芙甲线、曲朗甲线、韶曲乙线、韶曲甲线、曲朗乙线、曲界乙线、曲翁乙线，曲马II线预计2014年建成投产，220kV出线达到最终规模14回，220kV电气主接线为双母线双分段带旁路接线；35kV电气主接线为单母线接线；目前曲江站两台主变均已安装中性点电容隔直装置。

根据广东电网现状及“十二五”电网规划的初步成果，结合广东电网实际运行的情况和特点，在考虑系统安全稳定、潮流合理、可靠供电的原则前提下，在对广东220kV电网实施分区供电的前提条件下，确定广东适合安装小电抗的500kV站的类型有三种：

I类：单相短路电流超标，三相短路电流不超标且具有一定的裕度。

II类：单相短路电流与三相短路电流同时超标，220kV分母后部分或全部母线的单相短路电流超过三相短路电流且裕度不足，且在220kV母线分母后供电区存在N-1过载或送电受限等问题。

III类：单相短路电流与三相短路电流均不超标，但单相短路电流超过三相短路电流约5.0kA，且单相短路电流裕度不足，远景电网发展存在超标的可能。

对于第I类500kV站点，在实施分区供电后，单相短路电流明显超标，成为该站需分母运行的首要因素，应优先采取加装小电抗的措施。对于第II类500kV站点，由于三相和单相短路电流同时超标，无论是否增加小电抗，220kV侧均需分母运行，但分母后母线可能仍存在单相短路电流偏高的问题。对于此类站点，需结合现有电网和远景电网在分母条件下的潮流、稳定问题决定是否加装小电抗。对于第III类500kV站点，存在单相短路电流偏高，裕度不足的问题，需结合后几年电网和远景电网分析确定是否需要加装小电抗。

根据广东电网公司系统运行部《关于防大面积停电的技改急需项目工程联系单》要求，结合500kV曲江站目前短路电流水平的分析结果，500kV曲江站属于III类情况，为使单相短路电流有足够裕度，为今后韶关电网发展创造条件，需在500kV曲江站加装中性点小电抗。

2设备选型

2.1设备绝缘水平

根据DL/T 620―1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，500kV变压器的绝缘水平为：

系统标称电压kV 系统最高电压kV 中性点接地方式 雷电全波和截波耐受电

压 短时工频耐受电压(有效值)

kV 相应的绝缘等级

kV

500 550 直接接地 185 85 35

经接地电抗器接地 325 140 66

曲江变电站现有两台变压器中性点相关设备的绝缘水平相同，具体见下表：

雷电冲击全波 一分钟工频耐压

中性点套管 350kV(峰值) 140kV(有效值)

支柱绝缘子 325kV(峰值) 170kV(有效值，干试)， 150kV(有效值，湿试)，

可见原有设备（包括变压器中性点和支柱绝缘子）绝缘水平满足规范要求，新建设备绝缘水平也按照上述要求，即选用66kV绝缘等级的设备。

2.2小电抗参数选择

根据系统专业分析，主变中性点加装小电抗对限制曲江站220kV母线单相短路电流效果明显，但随着小电抗阻抗值的增加，单相短路电流下降幅度明显趋缓。综合经济和技术方面分析，曲江站两台主变中性点均加装10Ω的小电抗。

按照《220～500kV变电所设计技术规程》(DL/T5218-2005)和《导体和电器选择设计技术规定》(DL/T5222-2005)进行设备选择，电抗器选用空心电抗器。

（1）热稳定

小电抗热稳定时间与变压器一致，取2s。

.系统专业提供的短路电流计算结果如下：

表2 曲江站不同接地方式下短路电流计算结果

单位：kA

名称 变压器均直接接地运行 变压器均接10欧小电抗运行

220kV母线单相短路电流Imax 46.26 41.36

每台变压器中性点入地电流In 10.62 5.46

Imax-∑In 25.02 30.43

计算水平年：2020年。

由上表可知最大稳态电流5.46kA，可选2s热稳定电流6kA。

（2）额定电流及容量

小电抗的热稳定电流需满足各种运行方式下的要求，即按3I0选取，热稳定时间2s。

变压器中性点的长期工作电流为变压器的三相不平衡电流，一般只有几安培。小电抗的额定电流参照变压器，即热稳定电流为长期额定电流的25倍（《电力变压器 第五部分承受短路的能力（GB1094.5-1985）》）选取小电抗的长期工作电流。计算结果如下：

额定电流：I=5.46kA÷25=218.4A，可取整I=220A

额定容量：S=I2R=(220A)2×10Ω=484kVA，可取整S=500kVA。

2.3避雷器的选择

避雷器按66kV绝缘水平选取，额定电压为72kV，雷电冲击残压为186kV，型号为Y1.5W-72/186。

3电气接线

曲江站两台主变前期工程已安装电容隔直装置，原有接线如下图3（a）：

3（a）原有接线图

结合目前曲江站两台主变中性点均已安装中性点电容隔直装置的现状，本期为曲江站加装中性点小电抗设计了两种接线方案。

3.1 电气接线方案一

如图3（b）所示,更换前期工程35kV隔离开关为110kV单极隔离开关，小电抗与电容隔直装置以串接的形式接入。根据前文中的设备绝缘水平分析可知，加装中性点小电抗后，中性点设备绝缘等级应选取66kV（原主变中性点设备是按10kV绝缘等级选取的），原有接线中连接中性点的10kV电缆已不能满足绝缘要求，因此取消中性点到隔离开关的10kV电缆，改用钢芯铝绞线直接与中性点小母线连接。

正常运行时，刀闸K2闭合，接地刀闸K1打开，小电抗和电容隔直装置均投入运行；小电抗或电容隔直装置检修时，刀闸K2打开，接地刀闸K1闭合。这种接线方式简单可靠，但是小电抗和电容隔直装置相互不独立，无法分开检修。

3（b）电气接线方案一

3.2 电气接线方案二

如图3（c）所示,将电抗器直接与中性点连接，并在小电抗两端装设旁路刀闸K3。根据《电抗器GB10229-88》14.2 中性点接地电抗器的绝缘要求与电抗器所连接的系统的中性点绝缘水平相一致，接地端选择降低绝缘水平为宜；本方案原有35kV隔离开关侧属于接地端，绝缘水平满足要求，本期无需更换。因此本方案可以不改变原有设备接线方式，只需将新增设备串接在原有设备前端。

正常运行时，小电抗旁路刀闸K3打开，刀闸K2闭合，接地刀闸K1打开，小电抗和电容隔直装置均投入运行；小电抗故障或者检修时，闭合旁路刀闸K3，小电抗退出运行，且不影响电容隔直装置的正常工作；电容隔直装置故障检修时，接地刀闸K1闭合，刀闸K2打开，电容隔直装置退出运行，同样对小电抗没有影响。

3（c）电气接线方案二

3.3 方案推荐

综合比较两个接线方案，方案一虽然接线简单，但是运行方式单一，小电抗和电容隔直装置无法单独运行；方案二更具灵活性，检修维护过程中小电抗和电容隔直装置互不影响，可各自单独运行；因此推荐电气接线方案二。

4配电装置布置

原曲江站主变中性点已安装电容隔直装置，电容隔直装置与接地刀闸K1、隔离刀闸K2布置在主变A相右侧，中性点通过10kV电缆引致K1刀闸处；详见图4（a）。

4（a）原主变中性点配电装置布置图

结合曲江站中性点设备现状，根据电气接线方案二拟定配电装置布置方案：

加入小电抗以后，中性点侧的绝缘等级要求达到66kV，原有主变中性点至K1刀闸的10kV电缆已无法满足绝缘水平要求。若仍采用电缆连接，则需要选取110kV电力电缆。这会大大增加施工难度，增加工程造价，影响变电站美观，不利于检修维护。因此本方案选用钢芯铝绞线直接与中性点小母线连接。

如图4（a）中所示，原中性点小母线的末端离刀闸K1距离较远，并未跨过主变压器A相油池。因此本期工程需延长中性点小母线，如图4（b）所示。新增避雷器通过钢芯铝绞线直接T接到延长部分的中性点小母线上，之后再与旁路刀闸K3连接。详见图4（b）。

4（b）主变中性点配电装置布置图（加装小电抗后）

5结语

500kV曲江变电站中性点加装小电抗后可有效限制220kV母线单相短路电流，增强韶关电网安全防御能力，对加强韶关地区供电可靠性，进一步完善电网建设有重要意义。

中性点小电抗及电容隔直装置均是220kV以上的变电站方能应用到的设备，在粤北地区的电网中并不常见，在工程设计中并无先例可供参考。随着国民经济的发展，用电负荷的增加，越来越多高电压等级的变电站落户粤北，以后也会有更多变电站面临相同问题。本文通过对500kV曲江站中性点加装小电抗设备选型、电气接线及布置方案的研究，为粤北地区未来更多的500kV变电站改造提供了有益思路，体现了电网建设与社会的和谐发展。

参考文献

[1] 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620―1997)

[2] 《220～500kV变电所设计技术规程》(DL/T5218-2005)

[3] 《导体和电器选择设计技术规定》(DL/T5222-2005)

[4] 《电抗器》(GB10229-88)

[5] 广东电网公司电力科学研究院，广东省电力设计研究院，500kV变电站主变中性点加装小电抗和电容隔直装置方案. 2011

偏置电路设计篇8

关键词：输电线路；故障分析；预防

近年来，国外发生的大面积停电事故有的就起缘于线路故障。因此，深入研究和分析输电线路各类运行故障的特点和机理，提出针对性的防治措施，对于增强电网抵御自然灾害的能力和提高安全运行水平十分重要。引起线路故障跳闸的主要原因，有必要分别总结其特点和规律，从环境外因和线路内因两方面分析引起线路故障的主要影响因素，并采取有效的针对性防治措施予以加强。

1、雷击

1.1现象

一般来说，在雷电作用下或者部分地区土壤电阻率高，杆塔接地电阻偏大易引起输电线路跳闸。每一地区一般有一定的雷电活动周期和规律，在高山、丘陵、江河湖泊丛横，地形复杂的地区易形成雷云、暴雨天气，在这些线路区段会出现易雷击区、易雷击带和易雷击点。如在该区段无有效防雷措施，则可能多发雷击跳闸故障。

1.2防治措施

首先应做好基础工作，通过雷电定位系统逐步积累每年的落雷分布、雷电流强度，并分析研究它们与线路跳闸率之间的内在规律，逐步掌握雷击与雷电流强度、地形、线路结构的关系。结合地形、地貌、地质、地势，找出多雷区的易击段和易击杆塔，绘制电网雷电区域分布图，因地制宜进行防雷设计和采取综合防雷措施；合理有效地采用耦合地线或旁路架空地线，架空地线侧向预放电针、塔顶多针系统、可控放电避雷针、线路型避雷器等防雷措施；还可加装线路故障显示器或磁钢记录器、避雷器动作记录仪等相应的监测装置，使其有利于雷电流幅值的测定和雷击故障后的判别。

2.风偏放电

2.1原因分析

（1）局地强风是导致线路放电的直接原因，在强风作用下，导线沿风向会出现一定的位移和偏转。另外，在间隙减小，空间场强增大时，在导线金具的尖端和杆塔构件的尖端上会出现局部高场强，使放电更容易在这些位置发生，从现场观测到的放电痕迹来看，一部分放电出现在脚钉、防振锤和角铁边缘尖端上正说明了这一点。（2）暴雨导致空气间隙的放电电压降低。由于强风常伴有暴雨，在强风的作用下，暴雨会沿风向形成定向性的间断型水线。如果水线的定向与闪络路径成同一方向，将使间隙的放电电压降低。发生放电时导线风偏角会很大，空气间隙明显减小，且放电电压较无雨、无冰雹时有一定程度的降低。（3）设计对恶劣气象条件的估计不足。发生风偏放电的线路，在设计中考虑的最大风速大多为30m/s，对局地微气象区、强风区等特殊区域的针对性不足，输电线路风偏跳闸主要是对塔身放电，其次是对周边障碍物放电，对塔身放电所占比例偏高，故今后应多研究特殊地形及微气象区的塔型设计与选择。

2.2防治措施

（1）优化设计参数提高安全裕度。①在线路设计阶段应高度重视微地形气象资料的收集和区域的划分，根据实际的微地形环境条件合理提高局部风偏设计标准；②应尽量避免在面向导线侧的杆塔上安装脚钉和其它突出物；③在可能引发强风的微地形地区，尽量采用“V”型串，可明显改善风偏造成的影响；④在新建工程中为减少风偏放电率，塔头间隙按风压不均匀系数为0.75进行校验；⑤运行中，对发生故障的耐张塔跳线和其它转角较大的无跳线串的外角跳线加装跳线绝缘子串和重锤，对发生故障的直线塔的绝缘子串加装重锤。（2）加强防风偏放电研究。①与各地气象监测部门密切配合，开展不同地形特征下不同高度的风况观测，探讨设计中气象条件的选定条件；②根据地域特征，对不同地域选择不同的风偏设计参数；③研究输电线路塔上气象参数及导线风偏的在线监测系统，以确定线路杆塔上最大瞬时风速、风压不均匀系数、强风下的导线运动轨迹等技术参数。

3．鸟害

3.1原因分析

粪道闪络。当鸟在绝缘子悬挂点附近的横担上排便时，高电导率的鸟粪将短接部分空气间隙，既使鸟粪并没有贯通全部通道，也可能造成闪络。如果绝缘子上已存有一定污秽，在潮湿气候的作用下，由于绝缘子串绝缘水平降低，放电可能沿着“鸟粪通道—粪道末端与绝缘子串间的空气间隙—绝缘子串表面”这一通道形成。

3.2防治措施

在防止鸟粪形成放电通道方面，采取的技术措施有：①采用大盘径绝缘子；②加装防鸟粪挡板；③安装防鸟罩；④安装防鸟网；⑤安装鸟刺；⑥安装感应电极板　。

在驱鸟方式中，采用的装置主要有：①惊鸟装置；②风车式驱鸟器；③恐怖眼式惊鸟牌；④声光驱鸟装置；⑤脉冲电击式驱鸟装置；⑥超声波驱鸟器。

4．覆冰、舞动

4.1原因分析

（1）倒塔。倒塔是指线路覆冰后的实际荷载超过设计值，从而导致架空输电线路机械和电气方面的事故。荷载按方向可分为垂直荷载、水平荷载、纵向荷载。（2）导线舞动。覆冰导线在风作用下发生舞动：当导线上覆冰不均匀时由于其断面的不对称，风吹粪染污绝缘子表面时，有可能形成沿绝缘子表面的闪络。（3）绝缘子冰闪。污秽较重的空气环境中易发生冰闪跳闸。雨凇时大气中的污秽伴随冻雨沉积在绝缘子表面形成覆冰并逐渐加重在绝缘子伞裙间形成冰桥，一旦天气转暖则在冰桥表面形成高电导率的融冰水膜，同时杆塔横担上流下的融冰水可直接降低绝缘子串的绝缘性能。

4.2防治措施

（1）输电线路抗冰设计。设计时，应合理划分冰区和确定设计冰厚，特别注意分析沿线是否存在微气象覆冰地段，尽量避开最严重的覆冰地段，应有计划地先期在沿线建立观测站，以便掌握覆冰的特征和资料。（2）输电线路防冰、除冰方法。应准确把握输电线路所经地区的气象状况，在设计、施工和运行维护上采取针对措施，同时通过理论分析和试验研究，采取“避、抗、融、改、防”的方针，综合治理覆冰对输电线路的影响和危害。

5．外力破坏

5.1原因分析

输电线路外力破坏故障的主要原因有：（1）违章施工作业。表现在一些单位和个人置电力设施安全不顾，在电力设施保护区内盲目施工，有的撞断杆塔，有的高空抛物，有的违章建房、种树、修路、围塘挖堰等，导致线路跳闸。（2）盗窃、破坏电力设施，危及电网安全。（3）输电线路下焚烧农作物、山林失火以及漂浮物，导致线路跳闸。

5.2防治措施

电力设施覆盖面广，线路长，遍布野外，在防外力破坏上存着很大的难度。需建立电力设施保护工作网络，组织护线队伍，明确责任，落实责任制，做好保护电力设施的宣传；对易受外力损坏、破坏地段加强线路运行巡视，加强现场监督，定期轮训义务护线员，及时发现缺陷和保护电力设施。

6．污闪

6.1原因分析

（1）电网设备外绝缘设计水平偏低。在设计、基建阶段确定输变电设备外绝缘配置时，不少地区缺乏全面的环境污染和气候数据，一旦遇上恶劣气候和环境污染高峰期，就暴露出污区等级划分偏低，输变电设备绝缘配置水平不足，电网抗污闪能力较弱的问题。（2）大气污染和高湿气候共同作用。发生污闪的必要条件之一是绝缘子表面出现足够的脏污，高污闪期一般为冬春之间，因这段时期雨水少，绝缘子无法自然清洗，且冬季为采暖期，干旱期，大气污染程度加剧，有的污闪事故中发现的一个重要现象是污闪后的盐密测量值较污闪前不久的测量值有明显增加。（3）运行维护。在污闪事故中，曾发生瓷绝缘子钢帽炸裂引起的掉线，说明线路中存有劣质绝缘子，劣质绝缘子一是来源于基建中的验收把关不严，二是来源于长期运行中绝缘子逐步暴露出来的缺陷。劣质绝缘子的存在降低了绝缘子串的污耐压绝缘水平，因此在运行维护中必须加强检测并及时更换。同时注意现场清扫。

6.2防治措施

（1）在污秽较重的区域积极采用合成绝缘子，在需调爬而因杆塔间隙限制已无法增加爬距的线路改用合成绝缘子，在需调爬的线路上加装耐污性能好且自洁性好的防污型绝缘子。（2）在变电站要加强停电清扫和带电清扫，也可加装增爬裙和涂刷RTV涂料。（3）在绝缘配置没有明显加强的情况下不能放松线路的清扫，特别应严抓清扫质量，对线路劣质绝缘子应加强检测并及时更换，严防不良绝缘子入网。（4）加强盐密测量，研究总结不同区域绝缘子的积污规律，测量的选点，选片及测量准确性应能真实反映该线路的污秽状况。（5）应结合严密测量值，运行经验，预期的环境污染值及可能出现的恶劣气候条件，全面检查和调整污区等级划分，划分时应考虑到各种最不利条件的结合，应具有适当的前瞻。

7．不明原因闪络

在送电线路的运行故障统计中，还有一部分属不明原因闪络，即闪络状况、类型、原因等难以准确分析及判明的闪络。为探明闪络的原因，必须要有足够的现场判据：①闪络时间段的调查；②气候环境和地理环境的调查；③现场各种判据的调查；④各种外部影响因素的调查。

8.结束语