功率放大器PPT课件

1、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c=PO/PD=PO/(PO+PC) 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

2、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。 113 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

3、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 图1-1-6 113 功率器件 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 电流迅速转移为电压大电流的 现象就是二次击穿，而且不可 逆。 12 甲类功率放大器 右图为变压器耦合甲类功 率放大器电路。RB1、RB2和RE构 成分

4、压式偏置电路，保证管子 工作在甲类状态。 Tr为输出 变压器，CE和CB为隔直流电容 和旁路电容。 L 2 L 2 2 1 L n) N N (RRR 功率放大器归属大信号放大器，它不能采用小信号等效电路进行 性能分析，一般应在功率管的伏安特性曲线上用作图的方法分析 放大器的功率特性。 直流分析 直流负载方程： 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： 其中 交流负载线是一条经过Q点，斜率为 的直线。 1 L R I cm Iceo IC O c Lce iRv ceCEQCE vVv cCQC iIi )( CQC LCEQC

5、E IiRVv 性能分析 iC = ICQ+Icmsint vCE = VCEQ-Vcmsint， Vcm=Icm*RL 输出信号功率：P0=()Icm*Vcm = ()Icm 2 * R L= ()Vcm 2 / R L 直流功率：PD= =VCCICQ 集电极管耗： PC= = PD-P0 集电极效率： 0 1 2 cmcm c DC CC Q PVI PVI 2 0 CCC 2 1 tdiV 2 0 cmcmCQCCCCE 2 1 2 1 IVIVtdiv 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 =

6、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。 讨论 O ic vC EM N Q N M 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。 13 乙类推挽功率放大器 甲类功放效率

7、不高，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。 如右图，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，

8、 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。 O vC E2 -2VC C D -VC C Q t A T2 T1 A iL Icm Q OV cc 2V cc vC E 1 D

9、 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/-

10、2/2)PLmax 总耗散功率 PC = PC1PC2 = (4/- )PLmax 当=2/0.636时，PC 最大PCmax= 4PLmax/20.4PLmax 2 12m ax 24 2 C MC C DDDC CL L IV PPPVP R m ax 78.5% 4 C Vcc/Vcm Lmax 2 L 2 CC 2 L P R V 2 1 P L 2 Lmax R Vcc 2 1 P 1 2 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

11、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 C 交越失真 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。 一 电源 如果使用单电源供电，必须 在公共负载

12、端串接大容量电 容 CL.，CL可以充当VDD /2的直流 电源作用。 1-3-2 乙类推挽功率放大器电路 CL 二 管子配对 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 三 偏置电路(产生VBB,温度补偿,交流短路) 1. 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) G N D c G N D V c c T 1 T 2 R l V i V B B + _ D 1 D 2 I r 2. VBE倍增偏置电路 VBE3 =VTIn(IC/IS) VTIn(IR

13、/IS) VBB=VBE3(1+R1/R2) 通过改变R1和R2，可提供需要 的 VBB 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 激励级 T1为激励级，甲类工作，（ R1 + R2 )为集电极电阻， T2， T3为 互补功率管，单电源供电，C为自举电容。 133 集成功率放大器 集成运放由三级直接耦合放大器和一级互补乙类功率放大器组成。第一级为T1和T2组成单端输入， 单端输出的差分放大器。T3、T5管和电阻R4、R5组成偏置电路，C2为外接滤波电容；第二级由T4 管组成的电流串联负反馈放大器。第三级为T7组成的电流串联负反馈放大器，提供推动电压。

14、输出 功率级为T8T14组成的互补功率放大器。 功率运算放大器 互补管T1和T2接成共集电路，作为单位增益缓冲级，以减小输入激励电流；互 补管T3和T4组成推挽功率放大器；为了进一步增大输出信号电流，采用了由互 补管T5和T6组成的电流增强电路。 134 mos管功率放大器 右图为PA04集MOS功率放 大器的输出级电路。T8、T9构 成互补推挽输出级电路，T7， R7， R8构成偏置电路，克服交越 失真。IR，T6，R6构 成共源放大器，推动互补推 挽电路。T14 ，T15 和D6,，D7为T8 ，T9的过流保 护电路，而R9则为过流取样电 路。 14 高效率功率放大器 一个功率放大器，集电

15、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。 2 0 1 / 2 CcC E Pi vdw t 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

16、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 12 . cC Occ iIii 12 coscos 2. C Ocmcm IItIt 集电极谐振回路谐振在输入信号频率上，它对iC基波分量呈 现阻抗最大，为 Re Lr / Ct (rr +rA) =Qr 其中, Ct = Cr CA / (Cr+CA)为回路电容, = (Lr / Ct) 为回 路特性阻抗，Qr= 0 Lr /(rr +rA)为回路有载品质因数。因为 回路对iC中其他分量的阻抗很小，回路仅有基波电流产生的 输出电压，其他谐波分量产生的电压可忽略。 为提高效率，必须减小导通时间，来减小耗散

17、功耗PC ，但这样 会导致iC中基波分量ICM减小,使输出功率PO减小，为了减小导通 时间并维持输出功率不变，必须增大集电极脉冲电流高度，这 样要使VBB负向增大,使Vbm增大,但这样也增加了反向击穿的危 险。为了解决这个问题，采用了开关工作的丁类放大器。 使功率管在输入信号的半个周期内饱和导通，另半个周期截 止，即开关工作的功率放大器为丁类功率放大器。提高效率的 措施不是减小导通时间，而是减小导通的瞬时功耗。 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。 16 整流

18、和稳压电路 整流和稳压电路属于 电源变换电路，电源 变压器把交流电变换成需要 的电压值，整流电路把交流电 压变换为单向脉冲电压，滤波 将单向脉冲电压平滑，输出直 流电压或电流。稳压电路能输 出稳定的直流电压或电流。 161 整流电路 电源变压器，整流和滤波的组合称为整流电路。将电力网提 供的交流电压变换为所需数值的直流电压或电流。 整流电路的分类： 用整流二极管组成输出电压固定的不可控整流电路 用可控硅（晶闸管）组成输出电压可变的可控整流电路 不可控整流电路分为半波、全波、桥式三种 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。 Did RLCL

19、 v2 vd- + + - 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

20、小。 全波整流电路 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。 桥式整流电路 图为桥式整流电路图。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 晶闸管 晶闸管又名可控硅，是可控 的单向导电器件，由P-N-P- N四层半导体组成，有

21、三个 PN结，三个引出端， 两个为功率引出端，一个为 控制端。 当外接正向电压时： iA= iE1 = iC1+ iB1 = iC1+ Ic2 iK= iE2 = ig+iC1+ Ic2=iA+ Ig iC1=a1 iA+I CBO1 Ic2 = a2 ik+I CBO2 所以 iA= a1 iA+ a2 ik+I CBO I CBO为两管集电极反向饱和电流之和。 解得： )(1 21 2 aa iaI i GCBO A )(1 21 2 aa iaI i GCBO A 1。当外加正向电压，且Ig=0时，正向截止状态； 2。当外加正向电压，且Ig 0时，正向导通； 3。当外加反向电压，截止状态

22、； 可控整流电路 右图为加有滤波电感的半 波可控整流电路。在电力 系统和工业系统广泛应用。 V2 + - VD + _ D L RL VR + - 162 串联稳压电路 按工作原理分为串联稳压电路和开关稳压电路。串联稳压电路 由调整管，取样电路，基准电压源和比较放大器组成的自动控 制电路。比较放大器比较基准电压和取样电压，并输入到调 整管，调整输出电压。 评价稳压电路稳压性能参数主要有：电压调整率，负载调整率， 纹波抑制比，输出电压温度系数，输出电阻等。 基准电压源电路 21 (on)21Z2 REF V2RRVR V RR ）（ )ln( 2 1 3 2 I I R V I T 3)( 2

23、1 3 2 3)(22 )ln( onBETonBEREF V I I R R VVRIV 集成稳压电路 T16和T17为调整管。 T15 ，D2和R11, R12, R13 构成调整管的过压过 流保护电路。 T14为 过热保护管。而T12， T13， D1， R4 R7和 R18构成稳压器的启 动电压。 T1T7基准电压源电路兼作比 较放大器； R19，R20取样分压电阻； 17 开关稳压电路 在串联稳压电路中，为了控制调整管的管压降来调整输出电压，调整管必须工作在放 大区，因而造成了效率低，管耗大。 把调整管改为开关工作，控制开关的启闭时间来调整输出电压，调整管的功耗显著减小， 效率大大提

24、高，即为开关稳压电路 171 DC-DC转换器 又称斩波器，将一种数值的直流电压变换成另一种数值或不同极性的直流电压。 右图为降压型变换器 K AL1 VI + - D C2 RL dV T t VVV I on IAo onL t )VoVi( L1 1 i offL t )Vo( L1 1 i 升压型变换器为右上图 降压升压型变换器为右下图 A K L1 VI + - D C2 RL VO + - A VI - D C2 RL VO + - L1 + d-1 1 VV Io onL Vit L1 1 i offL t )Vo( L1 1 iVi d-1 d V toff t VV I on

25、 Io onL Vit L1 1 i offL t )Vo( L1 1 i 172 开关稳压电路 虚线框为上述DC-DC变 换器，R1和R2为取样网 络，取样电压Vs加到误 差放大器的正相输入端 ，与基准电压比较，产 生误差电压经放大后加 到电压比较器的反相输 入端。振荡器产生特定频率的三角 波。 172 开关稳压电路 开关稳压电路实例 功率放大器归属大信号放大器，它不能采用小信号等效电路进行 性能分析，一般应在功率管的伏安特性曲线上用作图的方法分析 放大器的功率特性。 直流分析 直流负载方程： 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

26、载方程： 其中 交流负载线是一条经过Q点，斜率为 的直线。 1 L R I cm Iceo IC O c Lce iRv ceCEQCE vVv cCQC iIi )( CQC LCEQCE IiRVv 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。 讨论 O ic vC EM N Q N M 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。