1.2 功率放大器的电路组成和工作特性.ppt

1、第 1 章 功率电子线路,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,1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能,1.2.1从一个例子讲起,图 121图解分析(a),图 1-2-1 示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。,功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的图解分析法。,1Q 点的选择,为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输出功率最大，需把 Q 选在负载线的中点，即,VCE(sat) 0,图 121图解分析,2集电极输出电压和电流(假设 VCE(sat)

2、和 ICEO 为 0),图 121图解分析(b),其中，,3PD (直流功率)、PL (负载功率) 、 PC (管耗),PL 和 PC 均由直流和交流两部分合成。例如：,PL 中：,直流功率,交流功率,所以,4讨论：,(1) 电路组成上,甲类功放 Cmax = 25% PD 中，输出的信号功率 Po 仅占 1/4，PD/2 消耗在 RL 上。,提高 Cmax 的办法：, 降低 Q 合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子的静态损耗。, 消除 RL 上的直流功率改进管外电路，使之不消耗直流功率。,(2) 工作特性上,VCC 一定且 Q 在负载线中点时，欲提高输出信号功率，需增大 Icm(减

3、小 RL)，但必须同时增大激励电流。,图 122RL 变化对功率性能的影响, RL 减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅，使 Po 减小；, ICQ 增大，使 PD 增大，C 降低。,将与RL相匹配的输入激励称为充分激励（不出现饱和失真的最大激励），相应的负载称为匹配负载。,小信号放大器的功率匹配负载是指数值上等于放大器输出电阻rce的负载，且与输入激励大小无关；这种匹配负载不适合功率放大器。,5结论,(1)在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓消耗直流功率的结构。,(2)在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。,1.2.2

4、甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能,一、甲类变压器耦合功率放大器,图 123(a)原理电路,1电路,(1)输入端,RB 偏置电阻； CB 旁路电容； Tr1 耦合变压器。,(2)输出端,Tr2 耦合变压器，对交流，Tr2 起阻抗变换作用。,2电路分析,(静态分析、动态分析、功率性能、管安全),(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,图 124甲类变压器耦合功率放大器的图解分析, 求 Q 点 iB = IBQ， iC = ICQ， vCE = 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：

5、 过 Q 点作交流负载线 MN，, 求动态范围,甲类变压器耦合功放图解分析,(3)功率性能,当输入充分激励，Q 处在负载线中点时，忽略非线性失真，且设 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则相应的集电极电压和电流分别为：,其中：Vcm = VCEQ = VCC,比较： 基本放大器电路， Vcm = VCC/2； 变压器耦合电路， Vcm = VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大 4 倍。,采用变压器耦合，Cmax 将由 0.25 增大到 0.5，即 PD 的一半转换为 Po。,若 Q 处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下，增大 VCC，或减小 ，Po 均将增大，但

6、最后受安全工作条件的限制。,(4)管安全,图 124图解分析,如图 1-2-4 所示，加在集电极上的最大电压 vCEmax = VCC + vcm 2VCC，通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。,当 Po = 0 时，PD 全部消耗在管子中，因而消耗在集电极上的最大功率 PCmax = PD 。,安全工作条件：,又，,用 Pomax 表示，上述安全工作条件变为：, V(BR)CEOICM/8 PCM/2,图 115,Pomax 取二者较小的值。,此外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安全区内。,二、乙类推挽功率放大器,乙类工作时，为在负载上合成完整的正弦波

7、，必须采用两管轮流导通的推挽(Push-Pull)电路。,实现方案： 变压器耦合推挽功放； 乙类互补推挽功放。,1变压器耦合功放,(1) 电路结构,Tr1：输入变压器，利用二次绕组的中心抽头将 vi (t) 分成两个幅值相等，极性相反的激励电压 vi1 = - vi2 ，分别加在两管的基 - 射极之间，实现两管轮流导通。,Tr2：输出变压器，隔断 iC1 和 iC2 到负载的平均分量，并利用一次绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 中的基波分量在 RL 中叠加，输出正弦波。,T1 和 T2：特性配对、相同导电类型的 NPN 功率管。,图 125(a)变压器耦合,(2) 工作原理,vi1(t)

8、0 时， T1 导通(忽略射结压降)； vi2(t) 0， T2 截止，iC1 处于正半周的半个正弦波。,vi2(t) 0 时， T2 导通； vi1(t) 0， T1 截止，iC2 处于的正弦波的负半周。,iC1 和 iC2 中的基波分量在 RL 中叠加，输出完整正弦波。,2互补推挽电路,图 125(b)互补推挽,(1)电路特点,T1 与 T2：功率管互补配对,(2)工作原理,vi(t) 0 时，T1 管(NPN 型) 导通(忽略射结压降)，T2 管 (PNP型)截止，iC1( iE1)为正弦波的正半周；,vi(t) 0 时，T2 管导通，T1 管截止，iC2( iE2)为处于正弦波的负半周

9、。,通过 RL 的电流 iL = iE1 iE2 ，合成完整的正弦波。,小结：上述乙类功率放大器，为实现器件轮流导通：,3乙类推挽功率放大器的性能分析,图 126互补推挽图解分析,(1)推挽电路的组合特性,乙类推挽功率放大器的组合特性,静态工作点：,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 AQ 过 Q 点，斜率为 - 1/RL 。,(2) 性能分析(忽略失真), 一般性能分析,在 0 t 时，iC2 = 0 iC1 = Icmsin t, t 2 时，iC1 = 0 iC2 = Icmsin t,集 - 射极间电压： VCE1 =

10、 VCC - Vcmsin t，VCE2 = - VCC Vcmsin t,通过 RL 的电流：,相应产生的电压：,RL 上的输出功率： PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2,正负电源总的直流功率：,PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/, 若充分激励：与 RL 相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。,令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL,相应 Po 和 PD 达到最大，即,乙类功放的最大集电极效率,比甲类功放高, 若激励不足,Vcm 减小，引入电源电压利用系数 表示 Vcm的减小程度。,定义 = Vcm/VCC,集电极管耗：,分析：当输入激励由大减小，即 减小时，Po、PD、C 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调， 时最大，其值为,功放性能随 变化的特性：, 小时，PD 、Po 、 C 小； 接近 1 时，P