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功率放大器功率电子电路电源变换电路 第1章功率电子电路 1 1功率放大器概述1 2功率放大器的电路组成和工作特性1 3乙类推挽功率放大器1 4整流与直流稳压电路 1 1功率放大器概述功率放大器的主要内容 功放电路组成工作原理图解分析法性能指标估算功率管选择 功率放大器的特点 1 给负载提供足够大的功率 2 大信号工作 3 分析方法以图解法为主 4 非线性失真矛盾突出 5 提高效率成为重要的关注点 6 功率器件的安全问题必须考虑 1 功率放大器主要指标 1 输出功率Po 功率放大器应输出足够大的输出功率Po以推动负载工作 2 效率 C 定义 功率放大器的输出信号功率Po与直流电源提供功率PD之比 用 C表示 即 电源提供的直流功率PD晶体管的管耗PC PC PD Po 结论 对于功率放大器 提高效率是一个重要问题 3 非线性失真 功率放大器是大信号运用 信号动态范围往往超出晶体管的线性区域 导致输出信号失真 因此减小非线性失真 成为功率放大器的又一个重要问题 功率放大器的要求 在保证晶体管安全运用的情况下 获得尽可能大的输出功率 尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真 功率放大器的分类 根据功率管导通时间的长短 或集电极电流流通时间的长短或导通角的大小 功率放大器分为4种工作状态 甲类 A 乙类 B 甲乙类 AB 丙类 C 功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现 1 甲类工作状态在整个周期内晶体管集电极电流始终是流通的 即导通角 等于180 特点 非线性失真小 静态工作点Q的位置较高 ICQ大 效率太低特例 没有收到信号时 电源仍供给功率 ICQ 0 这些功率将转化为无用的管耗 2 乙类工作状态晶体管半周导电 半周截止 集电极电流只在半周内随信号变化 而在另外半个周期为零 即导通角 等于90 特点 效率提高了 直流电流为零 问题 非线性失真大 波形只有半周 解决 在电路结构上加以弥补 3 甲乙类工作状态它是介于甲类和乙类之间的工作状态 静态工作点Q较低 靠近截止区 即发射结处于正向运用的时间略超过半个周期 小于一个周期 即导通角 大于90 小于180 特点 效率略低于乙类此类状态是为了克服乙类特有的交越失真设置 4 丙类工作状态工作点Q选在截止区内 晶体管发射结处于正向运用的时间小于半个周期 集电极电流流通的时间还不到半个周期 即导通角 小于90 特点 效率更高应用 主要用于高频功率放大器中 各类功放效率的比较 甲 甲乙 乙 丙 理想情况下 甲类功放的最高效率为50 乙类功放的最高效率为78 5 丙类功放的最高效率可达85 90 但丙类功放要求特殊形式的负载 不适用于低频 低频功率放大器只使用前3种工作状态 注意 提高效率是功率放大器的研究方向 另一种提高效率的途径 管子开关工作丁类 D 戊类 E 半个周期饱和导通另半个周期截止 管耗始终很小 效率很高90 以上 1 2功率放大器的电路组成和工作特性一 甲类 A类 功率放大器1 电路输出变压器初级接到功率管集电极回路 次级接负载RL 若变压比为n 则初级等效交流负载为 最佳负载 变压器耦合功放 1 静态分析 画直流通路 画直流负载线直流负载线方程 vCE VCC直流负载线 EF 甲类变压器耦合功率放大器的图解分析 求Q点IBQ ICQ VCEQ VCC 2 动态分析 画交流通路 画交流负载线交流负载线方程 求动态范围 3 功率性能 输入充分激励 Q处在负载线中点 忽略非线性失真 且VCE sat 0 ICEO 0 则 其中 Vcm VCEQ VCC 功率参数计算 PD是一个固定不变的值 与信号的有无或大小均无关 结论 功率放大器极少采用A类放大器 4 功率管的选择 集电极上的最大电压vCEmax VCEQ Vcm 2VCC 通过集电极的最大电流iCmax ICQ Icm 2ICQ 安全工作条件 二 乙类推挽功率放大电路 乙类工作时 为了在负载上合成完整的正弦波 必须采用两管轮流导通的推挽 Push Pull 电路 有多种实现方案 1 变压器耦合乙类推挽功放 2 互补推挽功放 1 变压器耦合功放 1 电路结构 Tr2 输出变压器 利用初级绕组的中心抽头将iC1和iC2在RL中叠加 输出正弦波 T1和T2 特性配对 相同导电类型的NPN功率管 2 工作原理 忽略射结导通压降 vi1 t 0时 vi2 t 0 T1管导通 T2管截止 ic1处于正半周的半个正弦波 vi2 t 0时 vi1 t 0 T2管导通 T1管截止 ic2处于负半周的半个正弦波 iC1和iC2在RL中叠加 输出正弦波 2 互补推挽电路 互补推挽 1 电路特点 T1与T2 功率管互补配对 2 工作原理 忽略射结压降 通过RL的电流iL iE1 iE2 合成完整的正弦波 3 乙类推挽功率放大器的性能分析 1 静态工作点 注意 静态时 T1 T2都不可能导通 处于截止状态 结论 静态时 电路不消耗功率 2 动态分析 vi 0时 T1导通 T1与RL组成射极输出器 vi 0时 T2导通 T2与RL也组成射极输出器 在输入信号一个周期里 T1 T2交替工作 在负载RL上合成一个完整的输出波形 3 性能分析 图解法 vi 0 T1导通 负载线AQ过Q点 斜率为 1 RL vi 0 T2导通 负载线A Q 过Q 点 斜率为 1 RL 充分激励 尽限运用时 求性能指标 尽限运用时 尽限运用时 非尽限运用 激励不足 Vcm减小 引入电源电压利用系数 表示Vcm的减小程度 求最大管耗 功放性能随 变化的特性 小时 PD Po C小 接近1时 PD Po C大 结论 PC非单调变化 两头小 中间大 PD随 激励 线性增大 与甲类不同 甲类时PD是定值 功率管选择 练习 乙类互补功放电路 已知 功率管的极限参数为 试求 1 最大输出功率 2 放大电路在 并检验功率管是否安全工作 时的输出功率 1 3乙类推挽功率放大电路 从原理电路到实用电路 还需解决如下问题 交越失真 加偏置电路 双电源 单电源供电 互补管难配 准互补推挽电路 安全 过载保护 过流保护 一 交越失真 交叉失真 结论 乙类推挽放大器所特有的失真 交越失真 交越失真 输出电压波形在衔接处出现的失真 克服交越失真的途径 在输入端为两管加合适的小正偏电压 使其工作在甲乙类 只要VBB取值合适 上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿 合成传输特性趋近于直线 在输入正弦电压激励下 得到不失真的输出电压 由于偏置较小 对效率的影响不大 常用的甲乙类电路 二极管偏置电路 vBE倍增电路 二极管偏置电路 特点 二极管交流电阻很小 可认为交流短路 因此偏置电路不影响输入信号vi t 的传输 二极管具有温度补偿作用 高热稳定性 vBE倍增电路 1 电路 由T3 R1 R2组成 为T1 T2提供偏置VBB 交流 T3 R1构成电压负反馈电路 反馈电路的输出电阻很小 不影响信号的传输 优点 1 调R1 R2比值 调偏置 2 R1引入电压反馈 使 输出电阻 很小 不影响交流传输 3 具有热补偿作用 甲乙类 由于正偏压较小 静态电流很小 所以一般其分析计算按乙类功率放大器对待 2 倍增原理 二 单电源供电的互补推挽电路 OTL 1 电路特点 2 工作原理 单电源供电电路等效为VCC 2和 VCC 2的双电源供电电路 负载串接大容量CL 等效为直流电源 VCC 2 单电源供电 三 准互补推挽电路 1 问题的提出 互补推挽电路要求两只功率管特性配对 难以实现 2 解决办法 采用复合管取代互补管 构成准互补推挽电路 复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1 所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质 T1 T3为小功率管 它们之间是互补的 T2 T4为大功率管 它们是同型 便于特性配对 准互补推挽电路 R1和R2作用 分流反向饱和电流目的 提高功放的温度稳定性 四 保护电路 1 必要性 正常情况下 功率管是安全的 发生异常情况时 例如 负载短路 通过功率管的电流迅速增大 超过极限参数 造成管子损坏 2 过流保护电路 T1 T2为保护管 R1 R2为过流取样电阻 注意 正常情况下 保护电路不起作用 1 4整流与直流稳压电路 直流稳压电源的任务 将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压 整流 将交流电源变换成单向电源的过程 滤波 使整流输出电压波形平滑 稳压 获得稳定的直流电压 一 整流滤波电路利用二极管的单向导电性能可实现整流 常用的整流电路有半波整流 全波整流 桥式整流和倍压整流 1 半波整流 加滤波电容的半波整流滤波电路 平均分量为输出整流电流 输出整流电压 增大 纹波电压减小 滤波能力提高 2全波整流电路 3 桥式整流电路 加滤波电容的桥式整流电路 三种整流滤波电路性能比较1 输出整流电压 全波 桥式比半波大2 输出整流电流 3 纹波电压 全波 桥式比半波小4 二极管承受的最大反向电压 二极管对耐压的要求 半波 2V2m 全波 2V2m 桥式 V2m流过二极管的平均电流 二极管最大整流电流 半波 全波 桥式结论 全波和桥式性能比半波电路好 桥式比全波简单 桥式应用最广 二 串联型稳压电路 目的 输出电压不受输入电压和负载变化的影响 实质 利用负反馈进行自动控制电路 1 工作原理 调整管 三极管 与负载串联 比较放大器 差分放大器 集成运放等 工作过程 从Vo中取样VS 与基准电压VREF比较 其差