东南大学信息学院模电答案第一章功率放大器.ppt

第 一 章,功率电子线路,1.1 概述 功率电子线路是采用功率电子器件，高效率和安全得实现能量变换和控制功能的电子线路。 功率电子线路分为功率放大电路和电源转换电路； 功率放大电路是在输入信号作用下,把直流功率按照输入信号转换成交流输出功率的放大器； 电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电路器件。,1.1.1 功率放大器,功率放大器与小信号放大器的区别是小信号放大的 是电压或者电流,对输出功率没有要求;而功率放大器要求的就是放大输出功率。同时有大动态电压和电流，安全工作 功率放大器的性能指标:集电极效率和失真度； 集电极效率 PO为信号输出功率，PD为直流功率，功耗为PC ， PO 相同，c越大，PD越小，PC也越小. 大信号运用电路，放大管特性非线性引起失真比小信号放大器大，减小非线性失真必须认真考虑。 功率放大器是保证功率管安全工作下，实现高效率和保证失真在允许范围内输出信号功率的放大器。,按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙类和丙类等。集电极效率甲类最低，丙类最高。,1.1.2 电源变换电路,将电源能量进行特定方式的变换 整流器：把交流电变成直流电； 斩波器：把一种数值的直流电变成另一种数值或者极性的直流电； 逆变器：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电； 交流交流变换器：把50Hz交流电变成不同幅值，频率的交流电； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的效率。,1.1.3 功率器件,大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同 比如功率晶体管发射极面积较大，较低，Icbo较 大，V(BR)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相连，便于安装散热器。 一、散热 热阻与温度的关系T2-T1=RTH*P 集电极最大耗散功率Pcm =(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca R(th)jc为结与底座的热阻， R(th)ca为管壳与周围环境的热阻 加散热器后的总电阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa,加散热器后的总电阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa,二、二次击穿 集电极电压超过V(BR)CEO而引起的击穿，只要限制击穿电流，是可逆的。而如果不限制电流，集电极电压迅速减小，集电极电流急剧增大，这种由高压小电流迅速转移为低压大电流的现象就是二次击穿，而且不可逆。,1.2 功率放大器的电路组成和工作特性,1.2.1 从一个例子讲起 功率放大器为大信号放大器，进行性能分析时，功率器件必须采用一般模型（大信号模型）。目前，在工程上，采用较多的是在特性曲线上作负载线的图解分析法。,iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce = VCEQ Vcm sint,Vcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / RL,在上述表示式中，PL和PC均由直流和交流两部分合成。以PL为例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相应的最大集电极效率,1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能,= n2RL,一、甲类变压器耦合功率放大电路,直流分析 直流负载方程：相应的直流负载线是自VCC出发的一条直线EF vCE = VCC直流负载线与静态基极电流iB=IBQ交点即为静态工作点Q。,交流分析 交流负载方程：,vce = ic,vCE =VCEQ vce ； iC =ICQic,vCEVCEQ=,-（ iCICQ）,当 iC =ICQ时， vCE =VCEQ=VCC，而它在两座标轴上的截距为,相应画出的交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率即为-1/ 。,性能分析 iC = ICQ+Icmsint vCE = VCEQ-Vcmsint， Vcm=Icm*RL 输出信号功率： PL=P0=()Icm*Vcm = ()Icm2 * RL= ()Vcm2 / RL 直流功率：PD= =VCCICQ 集电极管耗： PC= = PD-P0 集电极效率：,当PD一定时，要使输出信号功率最大，要使Q点正在好交流负载线的中点。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。 输出交流电压： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 电流Icm = ICQ-ICEO 此时 Pomax=1/2 VCCICQ cmax =50% 当Q点选定后，在允许的最大基极电流激励下，仅有一个交流负载值，能使高效率的输出最大信号功率，这个负载值所画出的交流负载线的中点应通过Q点。,进一步增大不失真信号功率，可以提高Q点，但最终受到管子安全工作条件的限制。 加在集电极上最大电压为 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO iCmax = 2ICQI CM PCmax= PDP CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全区。,甲类功放效率不高，理论不超过25，又需要变压器和大电容，输出功率由功率三角形决定，在集成功率放大器中几乎不用。而广泛使用下面的乙类推挽功率放大器。 乙类推挽功放既解决了甲类功放效率不高的缺点，又较好的解决了乙类功放的失真问题，特别是交越失真的问题，因此，在工程上得到广泛运用。,二、乙类推挽功率放大电路,图（a）为变压器耦合电路，它由输入变压器Tr1、输出变压器Tr2和两个特性配对且相同导电类型的NPN功率管T1、T2组成。输入变压器Tr1利用次级绕组的中心抽头将输入信号电压 vi (t)分成两个幅值相等、极性相反的激励电压，分别加到两管基射极间，实现两管轮流导通。输出变压器Tr2的作用是隔断iC1和iC2中的平均分量，并利用初级绕组的中心抽头将iC1和iC2中的基波分量在RL中叠加，输出正弦波。右图T 1和T 2是完全一致的互补功率管，接成共集组态。 T 1为NPN型管， T 2为PNP型管，输出端接公共负载RL,集电极正负电源供电。,工作原理： 未输入信号时，两管截止，输出电压为0。加信号vi = Vimsint后，两管轮流导通。 正半周期， T1导通， T2截止， iE1 iC1；负半周期， T1截止，T2导通， iE2 iC2。通过负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。,性能分析：假设T1和T2完全配对，则ICEO和VBE(ON)均为零。在vi 正半周期， T1导通，交流负载为RL ，交流负载线为从Vcc出发，斜率为-1/RL的直线。而vi 负半周期， T1截止，T2导通，导通电流在RL建立相应电压。说明T 1截止时交流负载线为与横轴重合的水平线段。对T2管同理交流负载线为从-Vcc出发，斜率为-1/RL的直线,截止时为与横轴重合的水平线段。,输入为正弦波信号的推挽式乙类功放，在最大不失真条件下的两管集电压电流为： ic1Icmsint 0 t 0 t 2 ic20 0 t -Icmsint t 2 vCE1 VCC-Vcmsint vCE2 -VCC-Vcmsint 通过负载RL的电流 iL ic1-ic2= Icmsint 相应产生的电压 vL Vcmsint = RLIcmsint,合成输出最大不失真信号功率： P L = ()VcmIcm = () Vcm2/ RL 电源电压利用系数： 正负直流电源供电的总直流功率为 集电极效率cPL /PD (/4) 时 集电极功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2/-2/2)PLmax 总耗散功率 PC = PC1PC2 = (4/- )PLmax 当=2/0.636时，PC 最大PCmax= 4PLmax/20.4PLmax,可见，在乙类推挽功率放大器中，Pc的最大值既不出现在=0即静止状态，也不出现在=1即最大输出状态。因为小时，虽然Po小，但PD也小，结果Pc小；反之， 接近于1时，虽然PD大，但由于 高。PD中大部分转化为PL，结果Pc也较小。 乙类推挽管安全工作的条件： vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax= ILm VCC/RL ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区,1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路,一、交叉失真和偏置电路 1.交叉失真 当输入信号很小，没有达到管子导通电压VBE（on)时，管子没有导通，正负周期交替过零时不能衔接，会有非线性失真，这就是交叉失真或者交越失真。如果输入信号电压振幅越小，交越失真就越严重。为了消除交越失真，必须在管子B-E间加合适的正向偏置电压，其值应该稍大于两管导通电压之和。,2. 二极管偏置电路 电流源激励二极管，提供正向管压降 VBB=2 VTIn(IR/IS),3. VBE倍增偏置电路 VBE3 =VTIn(IC3/IS) VTIn(IR/IS) VBB=VBE3(1+R1/R2) 通过改变R1和R2， 可提供需要的 VBB,二、 单电源供电的互补推挽电路 如果使用单电源供电，必须 在公共负载端串接大容量电 容 CL。CL可以充当VCC /2的直流 电源作用。,三 准互补推挽电路 复合管取代互补管， T1为小 功率管， T2为大功率管，等 效一个NPN管。 复合管类型取决第一个管的 类型。这样他们的配对更容 易实现,四 保护电路 分为过流，过压和过热保护三种。 过流保护电路如图T1,T2为保护管,五、输入激励电路 T3为激励级，甲类工作，（ R1 + R2 )为集电极电阻， T1， T2为互补功率管，单电源供电，C为自举电容。,14 高效率功率放大器,一个功率放大器，集电极效率cP0 /PD, 其中PD POPC。要提高c，必须减小PC 。 减小功耗的方法： 减小导通时间，增大信号周期内瞬时功耗为零的时间。 减小管子导通时间的瞬时功耗，比如开关工作。但是 高效率带来的是高失真。,142 丙类功率放大器,丙类功率放大器又称高频功率放大器，为了实现不失真放大，主要用于放大单一频率正弦信号。外界负载为天线，电特性是CA和rA的串联。 Lr和Cr为匹配网络，与天线构成并联谐振回路，调节Cr使回路谐振在输入信号频率上。,输入信号为vb= Vbmcost,计算集电极电流波形ic为一串周期性脉冲序列 ,用傅立叶级数分解电流脉冲序列为平均分量ICO,基波分量iC1和谐波分量iC2， iC3等之和,1-4-3 丁类功率放大器,使功率管在输入信号的半个周期内饱和导通，另半个周期内截止，即开关工作的功率放大器。提高效率的措施不是减小导通时间，而是减小导通期间的瞬时管耗。,1.5 整流电路,整流电路将电力网提供的频率为50Hz的交流电压变换为直流电压（或电流）。 根据电路中采用的主要整流器件不同，整流电路分为二极管整流电路、三极管整流电路和可控整流电路,1.5.1 二极管整流电路 二极管整流电路分为半波、全波、桥式三种,一、半波整流电路 Tr为电源变压器，D为整流二极管， RL为输出负载电阻， CL为输出滤波电容。,半波整流电路工作原理：输入交流电压v2为正时，D导通，给CL充电，当上升到A点时，实际加到D上电压（v2-v0）下降为零，D截止，CL放电，v0下降到B, v2又大于v0，（v2-v0）为正，D导通，v2再次向CL充电；在v0增长过程中，充电电荷减少，泄放电荷增加，当达到平衡时，v0在均值VO上下做等幅波动。VO即为输出整流电压。,纹波大小取决于CL和RL的大小，当增大CL或RL时，由于减慢了CL通过RL的放电速度，从而减小了CL的泄放电荷量，因而达到动态平衡时CL的充电电荷量也就必须相应减小，结果是D的导通时间减小，Vo增大，纹波电压减小。,二、全波和桥式整流电路 由两个半波整流电路组成，在每个输入信号周期内，CL经历两次重放电过程。通过RLCL电路的电流io在每个输入信号周期出现两个同极性电流脉冲，叠加在VO上纹波电压频率加倍，滤波能力加强，纹波电压比半波整流电路小。,桥式整流中vo, io均与全波整流电路相同。每次导通和截止都是两只串联的整流管同时导通或截止。因此，功耗增加，效率降低，但截止时最大反向电压由两管共同承担，降低了对整流二极管的要求。而且电源变压器不需要抽头，降低制作成本,1.6 稳压电路,整流器输出的直流电压不稳定，且叠加了较大的纹波电压。为了获得稳定的直流电压，整流器后面一般都加接直流稳压电路。 直流稳压电路分为并联型，串联型和开关型三种。 并联型稳压电路是由稳压二极管构成的稳压电路，但缺点是稳压性能差，一般不能满足实际应用的要求。在串联稳压电路中，除传统结构电路外，目前应用较广的低压差线性稳压电路是一种特殊的串联型稳压器。在同样电源电压情况下，它可以获得比普通串联稳压电路更高的输出稳定电压，从而获得更高的效率。开关型稳压电路是一种非线性电路，电路中的主要器件工作于开关状态，从而获得更高的使用效率。,1.6.1 串联稳压电路,基准电压源电路,1.6.2 低压差线性稳压电路,低压差线性稳压器是基于负反馈自动调节作用来获得稳定的输出电压，由串联调整管T、取样电阻R1和R2、比较放大器A和基准电压源电路组成。取样电压加在比较放大器A的同相端，与加在反相端的基准电压Vref相比较，两者的差值经A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。,LDO与一般串联稳压电路的最大区别在于调整管的接法。 在一般串联稳压电路中，调整管共集连接，工作在放大区； LDO中的调整管为共源连接，可工作在饱和区，甚至于非饱和区。