非线性电子线路第一章.ppt

1,功率放大器的设计 功率合成 直流稳压电源,第一章 功率电子线路,本章主要内容,一 功率放大器的设计内容,功率放大器的性能要求 功率管的选择 功率管的运用（功率放大器的分类） 集成功率放大器,2,（一） 功率放大器的性能要求,安全 效率 失真 功率, 不要损坏元件 要高 在允许范围内 足够大,什么是功率放大器？与小信号放大器有何区别？,对小信号放大器的要求，主要体现在增益、频率响应和稳定性等方面；而对功率放大器的要求，除了增益、频率响应、稳定性以外，最主要的是在保证功率管安全工作的条件下，高效率地输出尽可能大而失真在允许范围内的功率。,3,1 功率管的安全,三个极限参数 功率管的二次击穿 功率管的热设计,4,2 效率的计算,直流电源功率 负载损耗功率 负载输出功率 集电极耗散功率 集电极效率,5,3 功率足够大,充分激励 负载匹配 静态工作点、激励、负载三者要最佳配置,4 失真在允许范围内,Pon 输出信号谐波的总功率 Po 输出信号基波功率 指标 非线性失真系数,6,（二）功率管的选择,VMOS 垂直沟道功率MOS管 双扩散功率MOS管 IGBT 绝缘栅双极型功率三极管 达林顿管,7,（三） 功率管的应用,甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类,功率放大器的分类： 根据放大管集电极电流导通时间的长短，功率放大器可分为甲类(或称为A类)，乙类(或称B类)，丙类(或称C类)等。,8,1. 甲类功率放大电路,9,2. 变压器耦合甲类功率放大电路,甲类功放的特点： 电源提供的功率只与静态工作点有关，与激励无关；输入激励越大，效率越高，最大不超过25或50%。,10,3. 乙类功率放大器,提高效率：直流工作点降低为零（乙类工作） 克服失真：两管互补推挽,1） 变压器耦合乙类推挽功率放大器,11,2)无输出变压器乙类推挽电路,无输出变压器乙类推挽电路，简称OTL电路,互补对称电路,12,3) 乙类推挽性能分析,电压利用系数 输出功率 管耗 集电极效率 极限应用,乙类推挽功率放大器中的匹配负载,13,4) 乙类推挽功率放大实用电路,非线性失真交叉失真 交叉失真消除措施 单电源供电的互补推挽电路 准互补推挽电路 保护电路（过流、过压、过热） 自举电路,要求：能设计并画出实用电路,14,（四） 集成功率放大器,LM380集成功率放大器 LM386音频功率放大器 功率运算放大器 桥式功率放大器 （有源功率合成）,桥式功率放大器：适合低电源工作，在电路参数相同情况下，它比单个OTL（或OCL）电路输出电压幅值增大2倍，输出功率增大4倍。,要求：能画出桥式功率放大原理电路,15,二 功率合成技术,当需要的功率超过单个电子器件所能输出的功率时，将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功率，这就是功率合成技术。,（一） 功率合成电路的 作用示意图,有源器件/无源器件/隔离技术,16,1. 传输线变压器的基本构造和特点,变压器,（二） 传输线变压器,频率覆盖系数 fH/fL103,fH最高只能达到几十MHz,磁环：镍锌高磁导率的铁氧体磁心 传输线：同轴电缆、双绞线、或带状线,fH高，频率覆盖系数高,17,2 工作原理和作用,前提条件:传输线理想无损耗，终端匹配（工程上 ）,传输线变压器满足：,端口电压相等（即v1=v2=v ） 流过传输线电流大小相等，方向相反(i1=i2),A 1：1倒相器,Ri : RL=1:1 vi=v，vo=v,18,B 平衡不平衡变换器,19,C 1：1不平衡-平衡变换器,20,（三） 功率合成和功率分配电路,功率合成电路,功率分配电路,21,（一）稳压电源的组成,三 直流稳压电源,电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。,整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。,滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。,稳压电路: 清除电网波动及负载变化影响,保持输出电压uo稳定。,22,（二） 稳压电源的技术指标,电压调整率 负载调整率 纹波电压 效率 Po/Pi 过流及短路保护 输出电压可调 最大输出电流,23,常见小功率整流电路:半波、全波、桥式和倍压整流等。,（三） 整流电路,1 半波整流电路,(3) 输出电压平均值：,(1) 输出电压波形：,(2) 二极管上承受的最高电压：,(4) 负载和二极管的平均电流,24,变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2,当u2正半周时， D1导通，D2截止。,当u2负半周时， D2导通，D1截止。,2 单向全波整流电路,25,全波整流电压波形,26,IL= UL /RL =0.9 U2 / RL,（2）输出电流平均值IL ：,（1）输出电压平均值UL：,27,（3）流过二极管的平均电流：,ID = IL/2,（4）二极管承受的最高反向电压：,28,u2正半周时电流通路,1） 工作原理,3、单相桥式整流电路,29,u0,u2负半周时电流通路,30,u20 时,D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: A D1 RLD3B,u20 时,D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: B D2 RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形,31,a. 整流输出电压平均值（Uo）,b. 负载上的(平均)电流:,c. 流过二极管的(平均)电流:,d.二极管承受的最大反向电压,2） 参数计算,32,几种常见的硅整流桥,33,1 ） 二倍压整流电路,u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压充到：,u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：,负载上的电压：,4 倍压整流电路,34,u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：,u2的第一个负半周：u2、C2、D2 、C1构成回路，C2充电到：,2） 多倍压整流电路,35,u2的第二个正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2构成回路， C1补充电荷，C3充电到：,u2的第二个负半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1构成回路， C2补充电荷， C4充电到：,从不同端点可引出所需的多倍压直流输出。,36,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。,（四） 滤波电路,37,RL未接入时,充电结束,忽略整流电路内阻,1. 电容滤波,38,RL接入（且RLC较大）时,电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。,39,近似估算: UL=1.2U2,(b) 流过二极管瞬时电流很大,整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大,(a) UL与RLC的 关系：,RLC 愈大 C放电愈慢 UL(平均值)愈大,uc= uL,电容滤波电路的特点：,40,输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变, Uo 和S （纹波因素）也随之改变。 例如：RL 愈小( IL 越大), Uo下降, S 增大。,结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。,(c) 输出特性(外特性),41,电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L。,输出电压平均值: UL=0.9U2,谐波分量: f 越高，XL 越大,电压大部分降在电感上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。,直流分量: XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上,2. 电感滤波电路,42,电感滤波的特点,整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。,43,为进一步改善滤波特性，采取多级滤波。,LC滤波电路,型滤波电路,3. 其它滤波电路,+,+,+,+,u,+,+,u,-,i,C,-,o,C,1,2,+,+,+,+,u,o,+,-,L,C,u,-,i,+,44,稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。,（五） 稳压电路,1 稳压管稳压电路,45,2 串联型稳压器,1） 工作原理,46,47,基准源电路,使VREF温度系数为零,降低输出电压温度系数,48,最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。常用的W7800系列W7900系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。输出电流自100mA到3A，电压调整率为0.005%0.02%,负载调整率为0.1%1%。,2） 集成三端稳压器,分类:,W78系列(输出正电压) W79系列(输出负电压),输出电压额定电压值有: 5V、9V、12V 、18V、 24V等 。,49,1端: 输入端 2端: 公共端 3端: 输出端,W78XX系列稳压器,1端: 公共端 2端: 输入端 3端: 输出端,W79XX系列稳压器,稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。型号后XX两位数字代表输出电压值。,50,输出为固定正压时的接法如图所示。,注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！,三端稳压器应用电路,51,输出正负电压的电路,52,UXX : 为W78XX固定输出电压 UO = UXX + UZ,提高输出电压的电路,53,3 低压差线性稳压电路,LDO中调整管为共源连接，输入与输出电压差可以非常小。,54,4 开关稳压器,线性稳压电路纹波小但电源效率低，为了提高效率应采用开关电源。开关稳压电路中，调整管工作在开关状态。其核心电路是：DC/DC和PWM。,55,（1） 直流直流变换器（斩波器）,A 降压型,B 升压型,占空比,56,C 降压升压型,升压型开关电压原理电路,57,（2） PWM（脉冲宽度调制电路）,构成