(模拟电子技术基础教学课件)9.功率放大电路

1、( (模拟电子技术基础教学课件模拟电子技术基础教学课件)9.)9.功率放大电路功率放大电路9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1. 功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象(1) (1) 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点 功率放大电路是一种以输出较大功率为目功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。压和电流。管子工作在接近极限状态。 (3) (3) 分析方法分析方法 一般直接驱动负载，带载能力要强。一般直接驱动负载，带载能力要强。(2)

2、 (2) 性能指标性能指标输出功率和效率输出功率和效率因大信号作用，采用图解法因大信号作用，采用图解法(4) (4) 管子的选用管子的选用 根据极限参数选择管子根据极限参数选择管子9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题功率放大电路与电压放大电路的区别功率放大电路与电压放大电路的区别 本质相同本质相同电压放大电路或电流放大电路电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路功率放大电路: 主要输出较大的功率。主要输出较大的功率。 但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，但无论哪种放大电路，在负载上都同时存

3、在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。调的输出量不同而已。 任务不同任务不同电压放大电路电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作的功率并不一定大。在小信号状态下工作.功率放大电路功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的：主要任务是使负

4、载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。输出功率。在大信号状态下工作。 指标不同指标不同电压放大电路电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.功率放大电路功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。：主要指标是功率、效率、非线性失真。 研究方法不同研究方法不同电压放大电路电压放大电路：图解法、等效电路法：图解法、等效电路法功率放大电路功率放大电路：图解法：图解法 9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1. 功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象(5)(5)要解决的问题要解决的问题 功率要大

5、功率要大 效率要高效率要高 失真要小失真要小 散热要好散热要好 为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。 所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力。功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。 在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。 9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般

6、问题2. 功率放大电路提高效率的主要途径功率放大电路提高效率的主要途径 降低静态功耗，即减小静态电流降低静态功耗，即减小静态电流 （a） （b） （c） iC O t iC O t iC O t iC O Q vCE ICQ iC O vCE ICQ Q iB常数常数 iC O vCE iB常数常数 iB常数常数 四种工作状态四种工作状态 根据正弦信号整个周期内根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分三极管的导通情况划分乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180丙类：丙类：导通角小于导通角小于1809.2 射极

7、输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例 VCC T vI VEE IBiAs RL vo io 特点：特点： 电压增益近似为电压增益近似为1，电，电流增益很大，可获得较大流增益很大，可获得较大的功率增益，输出电阻小，的功率增益，输出电阻小，带负载能力强。带负载能力强。 9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例输出电压与输入电压的关系输出电压与输入电压的关系 设设BJT的饱和压的饱和压VCES0.2V vO正向振幅最大值正向振幅最大值 vO负向振幅最大值，负向振幅最大值， T截止截止 临界截止时临界截止时 0EC iiCCCComV2 . 0VVV V6 . 0IO vvB

8、IASomII LBIASomRIV 9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例 8LRiIV6 . 0vv 当当正弦波最大输出电压正负幅正弦波最大输出电压正负幅值相同时，可获得最大输出功率值相同时，可获得最大输出功率 即即V15EECC VVLBIASCCRIV 最大输出功率最大输出功率 .69W312L2omom RVP omomVVLCCBIASRVI 当取当取vi 足够大足够大 9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例电源提供的功率电源提供的功率%7 .24%100)(VEVCom PPP效率低效率低放大器的效率放大器的效率 PVC = VCC IBIAS

9、 = 27.75 WPVE = VEE IBIAS= 27.75 W9.3 乙类双电源互补对称乙类双电源互补对称功率放大电路功率放大电路9.3.1 电路组成电路组成9.3.2 分析计算分析计算9.3.3 功率功率BJT的选择的选择9.3.1 电路组成电路组成 由一对由一对NPN、PNP特性相同的特性相同的互补三极管组成，采用正、负双互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。1. 电路组成电路组成2. 工作原理工作原理 两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的

10、波形。一个完整的波形。9.3.1 电路组成电路组成2. 工作原理工作原理 当输入信号处于正半周时当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。 当输入信号为负半周时当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负 载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。9.3.1 电路组成电路组成2. 工作原理工作原理RLT1T2+VCC+ui +uo VCCui 0

11、T1 导通导通 T2 截止截止iC1io = iE1 = iC1, uO = iC1RLui T信信，电容，电容C就可充就可充当原来的当原来的VCC。计算计算Po、PT、PV和和PTm的公式必须加以的公式必须加以修正，以修正，以VCC/2代替原来公式中的代替原来公式中的VCC。 OTL(Output transformerless )电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。 C 足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。电路低频特性差。补充：补充： BTL互补功率放大电路互补功率放大电路 BTL

12、 BTL（Balanced Transformer LessBalanced Transformer Less平衡时无变平衡时无变压器放大电路压器放大电路) )互补功率放大电路。互补功率放大电路。 输入电压的正半周：输入电压的正半周：VCC T1 RL T4地地输入电压的负半周：输入电压的负半周：VCC T2 RL T3地地22CESCComUVU是双端输入、双端输是双端输入、双端输出形式，输入信号、负出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。载电阻均无接地点。管子多，损耗大，使管子多，损耗大，使效率低。效率低。补充：补充： 几种电路的比较几种电路的比较单电源供电，单电源供电，低频特性差。低频特性

13、差。双电源供电，双电源供电，效率高，低频特性好。效率高，低频特性好。单电源供电，单电源供电，低频特性好；双端输入低频特性好；双端输入双端输出。双端输出。9.4.3 MOS管甲乙类双电源互补对称电路管甲乙类双电源互补对称电路BE7BR218BE43GG4)1()1(VVRRVRRV 复合管复合管消除高消除高频振荡频振荡温度补偿温度补偿VBE扩展电路扩展电路提供静态偏置提供静态偏置VBE扩展电路提扩展电路提供静态偏置供静态偏置复合管复合管消除高消除高频振荡频振荡9.5 功率管功率管9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的的 二次击穿问题二次击穿问题9.5.2 功率功率VMOSF

14、ET和和DMOSFET9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题1. 功率功率BJT的散热的散热功率功率BJT外形外形在给负载输送功率的同时，在给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分管子本身也要消耗一部分功率。功率。管子消耗的功率直接表现管子消耗的功率直接表现在使管子的结温升高。在使管子的结温升高。 当结温超过一定温度时（锗管一般约为当结温超过一定温度时（锗管一般约为90，硅管约为，硅管约为150），会使管子损坏。），会使管子损坏。 在在BJT中，管子上的电压绝大部分降在集电结上，它和流中，管子上的电压绝大部分降在集电结上，它和流过集电结的电流

15、造成集电极功率损耗，使管子产生热量。所以过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子产生热量。所以通常用集电极耗散功率来衡量通常用集电极耗散功率来衡量BJT的耗散功率。的耗散功率。1. 功率功率BJT的散热的散热 功率功率BJT的最大允许耗散功率的最大允许耗散功率PCM，总的热阻，总的热阻RT、最高允、最高允许结温许结温Tj和环境温度和环境温度Ta之间的关系为之间的关系为TjTaRTPCM 其中，热阻其中，热阻RT 包括集电结到管壳的热阻，管壳与散热片之间的包括集电结到管壳的热阻，管壳与散热片之间的热阻，散热片与周围空气的热阻。单位为热阻，散热片与周围空气的热阻。单位为/W（或或/mW）。）。 当

16、最高结温和环境温度一定，热阻越小，允许的管耗就越大。当最高结温和环境温度一定，热阻越小，允许的管耗就越大。散热片及其面积大小可以明显改变热阻的大小。散热片及其面积大小可以明显改变热阻的大小。例如，某例如，某BJT不加散热装置时，允许的功耗不加散热装置时，允许的功耗PCM仅为仅为1W，如果，如果加上加上1201204mm3的铝散热板时，则允许的的铝散热板时，则允许的PCM增至增至10W。 通常手册中给出的通常手册中给出的PCM，是在环境温度为，是在环境温度为25时的数值。时的数值。 9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题2. 功率功率BJT的二次击

17、穿的二次击穿 实际应用中，功率实际应用中，功率BJT并未超过允许的并未超过允许的PCM值，管身也不烫，值，管身也不烫，但功率但功率BJT却突然失效或者性能显著下降。这种损坏不少是二次却突然失效或者性能显著下降。这种损坏不少是二次击穿引起的。击穿引起的。 产生二次击穿的原因主要是由于产生二次击穿的原因主要是由于流过流过BJT结面的电流不均匀，造成结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。与产生热击穿所致。与BJT的制造工的制造工艺有关。艺有关。 因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最

18、大电流流ICM、集射间允许的最大击穿电压、集射间允许的最大击穿电压V(BR)CE和集电极允许的最和集电极允许的最大功耗大功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制。所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制。 9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题3. 提高功率提高功率BJT可靠性的主要途径可靠性的主要途径 （1）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不应）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不应超过极限值的超过极限值的80%； （2）在最坏的条件下（包括冲击电流在内），工作电流不应）在最坏的条件下（包括冲击电流在内），工作电流不

19、应超过极限值的超过极限值的80%； （3）在最坏的条件下（包括冲击功耗在内），工作功耗不应）在最坏的条件下（包括冲击功耗在内），工作功耗不应超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的50%； （4）工作时，器件的结温不应超过器件允许的最大结温的）工作时，器件的结温不应超过器件允许的最大结温的70%80%。 对于开关电路中使用的功率器件，其工作电压、功耗、电流对于开关电路中使用的功率器件，其工作电压、功耗、电流和结温（包括波动值在内）都不得超过极限值。和结温（包括波动值在内）都不得超过极限值。9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题4. 保证器件正常运行的保护措施保证器件正常运行的保护措施 为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流，可在负为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流，可在负载两端并联二极管（或二极管和电容）；载两端并联二极管（或二极管和电容）