模拟集成单元电路

1、 第六章第六章 模拟集成单元电路模拟集成单元电路 6.7 功率放大器功率放大器在实际电子电路中：在实际电子电路中： 电压型负载电压型负载-有些负载需要有足够的电压范围才有些负载需要有足够的电压范围才能保证其应用效果，如模数转换器就要有一定的电能保证其应用效果，如模数转换器就要有一定的电压范围才能保证它的精度。压范围才能保证它的精度。 电流型负载电流型负载-有的负载需要有足够的电流驱动才有的负载需要有足够的电流驱动才能正常工作，如发光二极管只有在一定的电流流过时能正常工作，如发光二极管只有在一定的电流流过时才会发光，才会发光， 功率型负载功率型负载-而有些负载既需要足够的电压，也而有些负载既需要

2、足够的电压，也需要有足够的电流，即需要有足够的功率才能正常工需要有足够的电流，即需要有足够的功率才能正常工作，如音频喇叭。作，如音频喇叭。 在本书前面讲述的是电压和电流信号的放大问题，在本书前面讲述的是电压和电流信号的放大问题，本节主要讲述功率放大问题。本节主要讲述功率放大问题。n功率放大既要求处于大信号放大状态，但仍然要求晶体管工作功率放大既要求处于大信号放大状态，但仍然要求晶体管工作在放大区，否则会引起严重失真。在放大区，否则会引起严重失真。n即使工作在放大区，因为信号幅度较大，线性近似与元件实际即使工作在放大区，因为信号幅度较大，线性近似与元件实际特性仍有差别。特性仍有差别。n一般地，功

3、率放大器的这种一般地，功率放大器的这种非线性失真非线性失真，如，如BJT的输入特性是的输入特性是指数关系，通过台劳级数展开就可表示成直流、基波分量和各指数关系，通过台劳级数展开就可表示成直流、基波分量和各次谐波分量。其中各次谐波是由元件的非线性引起的，在放大次谐波分量。其中各次谐波是由元件的非线性引起的，在放大电路中我们所不期望得到的。电路中我们所不期望得到的。n通常用总谐波失真（通常用总谐波失真（THD）来度量非线性失真的大小。）来度量非线性失真的大小。6.7.1 功率管的极限参数功率管的极限参数最大集射电压最大集射电压（ BVCEO）-避免反偏的集电结击穿；避免反偏的集电结击穿；最大集电极

4、电流最大集电极电流（ICmax）-避免连接避免连接PN结至封装引脚之间的导结至封装引脚之间的导线融化；线融化；最大功率最大功率（PTmax）-避免功率过大而导致的热烧坏。避免功率过大而导致的热烧坏。PTmaxBVCEOICmax6.7.2 功率放大器的分类功率放大器的分类 功率放大器是根据功率管在电路中工作时在一个正弦信号周功率放大器是根据功率管在电路中工作时在一个正弦信号周期内的导通时间的多少来分类的。期内的导通时间的多少来分类的。 主要有四种基本类型：主要有四种基本类型：甲类、乙类、甲乙类和丙类甲类、乙类、甲乙类和丙类。图。图6.56是输入为正弦信号时各类功率放大器的输出情况。是输入为正弦

5、信号时各类功率放大器的输出情况。 下面分析各类功率放大器的下面分析各类功率放大器的直流偏量、负载线直流偏量、负载线和和效率效率。 图图6.56 输入为正弦信号时各类功率放大器集电极电流的输出情况：输入为正弦信号时各类功率放大器集电极电流的输出情况：（a）甲类功率放大器）甲类功率放大器 （b）乙类功率放大器）乙类功率放大器（c）甲乙类功率放大器）甲乙类功率放大器 （d）丙类功率放大器）丙类功率放大器1.甲类功率放大器甲类功率放大器 前面讨论的前面讨论的BJT和和MOSFET小信号放大器都偏置于甲类状态。小信号放大器都偏置于甲类状态。 图图6.57(a)是一个基本的共射放大电路（基极直流偏置电路）

6、。是一个基本的共射放大电路（基极直流偏置电路）。 图图6.57(a)所示电路的直流负载线如图所示电路的直流负载线如图6.57(b)所示。所示。 假设静态工作点假设静态工作点Q位于直流负载线的中间位置，即位于直流负载线的中间位置，即 2CCCEQVV图中给出了最大的集电极电流信号和相应的最大集射电压信号图中给出了最大的集电极电流信号和相应的最大集射电压信号 （忽略饱和压降（忽略饱和压降 CESV和穿透电流和穿透电流 CEOI）。）。 图图6.57 (a)共射放大器共射放大器 （b）直流负载线）直流负载线 （c）晶体管的瞬时耗散功率与时间的关系）晶体管的瞬时耗散功率与时间的关系 下面分析甲类功率放

7、大器的功率和效率下面分析甲类功率放大器的功率和效率。忽略基极电流，忽略基极电流，晶体管消耗的瞬时功率晶体管消耗的瞬时功率为为CCEQivP (6.170) 假设输入为正弦信号，则集电极电流和集射电压分别可表示为假设输入为正弦信号，则集电极电流和集射电压分别可表示为tIIiPCQCsin(6.171) tVVvPCCCEsin2(6.172) 式中，式中， Ip和和Vp分别为集电极正弦电流的振幅和集射正弦电压的振幅。分别为集电极正弦电流的振幅和集射正弦电压的振幅。 考虑考虑极限极限时的情况，时的情况，Icp=IcQ，Vp= Vcc/2，则晶体管消耗的瞬时功率为则晶体管消耗的瞬时功率为 tIVtI

8、VPCQCCCQCCQ22cos2sin12(6.173) 它的波形如图它的波形如图6.57(c)所示，其所示，其平均功率平均功率为为 2CQCCQIVP 由例由例6.24可知，可知，晶体管在静态时消耗的功率最大晶体管在静态时消耗的功率最大。 因此当输入信号为零时，因此当输入信号为零时， 晶体管若能承受大小为晶体管若能承受大小为 2CQCCIV的这一连续最大功率，则加入输入信号后，晶体管就能正常工作。的这一连续最大功率，则加入输入信号后，晶体管就能正常工作。 我们用什么来衡量一个功率放大器的好坏呢？我们用什么来衡量一个功率放大器的好坏呢？ 除了用除了用总谐波失真总谐波失真(THD)外，一个重要

9、的参数就是负载获得外，一个重要的参数就是负载获得的信号平均功率占电源提供的总平均功率的比例，即的信号平均功率占电源提供的总平均功率的比例，即功率效率功率效率 )(CCVLPP（电源提供的总平均功率信号负载平均功率(6.174) 负载电阻负载电阻 LR的瞬时功率为的瞬时功率为 tIRtIIRIRtIIRiRPLPCQLCQLPCQLCL22222sinsin2sin负载平均功率为负载平均功率为2221PLCQLIRIR(6.175) 式中第一项为负载消耗的式中第一项为负载消耗的直流功率直流功率，第二项为负载获得的信，第二项为负载获得的信号号平均功率平均功率。因为信号平均功率才是负载所真正想获得的

10、平均功。因为信号平均功率才是负载所真正想获得的平均功率，所以我们只考虑信号率，所以我们只考虑信号平均功率平均功率：221PLLIRP (6.176) 由图由图6.57(b)可知，可知， PI的最大值为的最大值为 CQI所以负载的最大平均信号功率为：所以负载的最大平均信号功率为： 2max21CQLLIRP又此时的又此时的 2CCCEQVV，即，即 22CCCCCCCEQCCLCQVVVVVRI所以所以 CQCCCQCCLIVIVP41221max(6.178) 直流电压源直流电压源 CCV提供的平均功率提供的平均功率为为 CQCCVIVPCC(6.179) 因此，因此，最大效率最大效率为为 m

11、axmax11425%4CCCC CQLVCC CQV IPPV I(6.180) 由此可见，甲类功率放大器的效率非常低。因此，当需要输由此可见，甲类功率放大器的效率非常低。因此，当需要输出功率大于出功率大于1W时，就不宜使用甲类功率放大器了。时，就不宜使用甲类功率放大器了。 在实际应用中，输出信号的最大电压不能达到在实际应用中，输出信号的最大电压不能达到Vcc，最大电流，最大电流也达不到也达不到IcQ，为了避免严重的非线性失真，即避免晶体管进入饱和，为了避免严重的非线性失真，即避免晶体管进入饱和区或截止区，输出信号电压就要小于区或截止区，输出信号电压就要小于Vcc/2，电流也要小于，电流也要

12、小于IcQ。 另外在计算功率时忽略了直流偏置电路的功率损耗。另外在计算功率时忽略了直流偏置电路的功率损耗。 所以在一般情况下，甲类功率放大器的效率在所以在一般情况下，甲类功率放大器的效率在1020之间。之间。 例例6.25目的目的：计算甲类功率放大器的效率。：计算甲类功率放大器的效率。共源极电路如图共源极电路如图6.58所示。电路参数为所示。电路参数为 kRVVDDD510，场效应管参数为场效应管参数为 21/,1 ,0TKmA VVV为减小非线性失真，为减小非线性失真， 设不失真输出电压的范围在临界点和设不失真输出电压的范围在临界点和 VVDS9之间。之间。 图图6.58 共源极电路共源极电

13、路解解：直流负载线方程为：直流负载线方程为：DDDDDSIRVV在临界点，有在临界点，有()2DS satGSTNDnGSTNVVVIKVV将以上三个方程联立，可得临界点方程为将以上三个方程联立，可得临界点方程为2()()DS satDDnDDS satVVK R V代入数据得代入数据得0105)(2)(satDSsatDSVV解得解得 VVsatDS32. 1)(要想获得最大不失真输出电压，需要使静态工作点要想获得最大不失真输出电压，需要使静态工作点Q位于位于 VVDS32. 1和和 VVDS9的中间位置，即的中间位置，即VVDSQ16. 5负载电阻上的最大振幅的交流分量为负载电阻上的最大振

14、幅的交流分量为tVLsin84. 3传送给负载的信号传送给负载的信号最大平均功率最大平均功率为为mAImWPDQL968.0516.51047.1584.3212max直流电压源提供的平均功率直流电压源提供的平均功率为为mWIVPDQDDVCC68. 9968. 010由式由式(6.180)可得可得%2 .1568. 947. 1maxmaxCCVLPP说明说明：通过限制输出漏源电压的幅值，可避免饱和及截止产生的：通过限制输出漏源电压的幅值，可避免饱和及截止产生的非线性失真，但电路的转换效率小于甲类功率放大器的最大效率。非线性失真，但电路的转换效率小于甲类功率放大器的最大效率。 在分立元件电路

15、中，可以通过使用电感或变压器来提高甲类在分立元件电路中，可以通过使用电感或变压器来提高甲类功率放大器的转换效率，达到近功率放大器的转换效率，达到近50。 图图6.59(a)是用电感代替集电极电阻的共射极放大电路。是用电感代替集电极电阻的共射极放大电路。 图图6.59 (a) 电感耦合甲类功率放大器电感耦合甲类功率放大器 (b)直流和交流负载线直流和交流负载线 集电极交流电流为集电极交流电流为 cecLviR(6.181) 在直流时，电感相当于短路，在高频交流信号作用时相当于在直流时，电感相当于短路，在高频交流信号作用时相当于开路。因此交流电流可全部耦合到负载上。开路。因此交流电流可全部耦合到负

16、载上。 设信号频率最低时仍满足设信号频率最低时仍满足 LRL 静态集射电压静态集射电压 CCCEQVV 为了得到最大不失真输出信号，静态工作点设置于交流负载为了得到最大不失真输出信号，静态工作点设置于交流负载线的中间位置，线的中间位置， LCCCQRVI(6.182) 负载上电流的最大幅值为负载上电流的最大幅值为 CQI，因此，负载获得的，因此，负载获得的最大平均功率最大平均功率为为LCCLCQLRVRIP22max2121(6.183) 忽略偏置电阻忽略偏置电阻 21RR、消耗的功率，消耗的功率，电压源电压源 CCV提供的平均功率提供的平均功率为为 LCCCQCCVRVIVPCC2因此，因此

17、，最大转换效率最大转换效率为为%50212122maxmaxLCCLCCVLRVRVPPCC该结果表明，该结果表明，集电极电阻用电感代替后，其转换效率提高了一倍集电极电阻用电感代替后，其转换效率提高了一倍。图图6.60(a)是一个通过变压器将负载耦合到晶体管集电极的共射放大器。是一个通过变压器将负载耦合到晶体管集电极的共射放大器。 图图6.60(b)是图是图6.51(a)的直流和交流负载线。的直流和交流负载线。忽略变压器自身的电阻，假设忽略变压器自身的电阻，假设 ER足够小，则静态集射电压为足够小，则静态集射电压为 CCCEQVV负载电阻等效到变压器初级后的电阻为负载电阻等效到变压器初级后的电

18、阻为 LLRR2由于理想变压器不消耗功率，所以由于理想变压器不消耗功率，所以CQCCLIVP21max(6.185) (6.184) 式中式中 CCV和和 CQI是负载上正弦信号的最大幅值。是负载上正弦信号的最大幅值。 电压源提供的平均功率为电压源提供的平均功率为CQCCVIVPCC所以最大转换率为所以最大转换率为%502121maxmaxCQCCCQCCVLIVIVPPCC由图由图6.60(b)可知，变比可知，变比 应满足应满足 LCQCCRIV2(6.186) 2. 乙类功率放大器乙类功率放大器 因为甲类功率放大器的静态工作点设置在放大区交流负因为甲类功率放大器的静态工作点设置在放大区交流

19、负载线的中间位置，所以晶体管本身要消耗功率，同时负载本载线的中间位置，所以晶体管本身要消耗功率，同时负载本身也消耗直流功率（如图身也消耗直流功率（如图6.57(a)所示电路，而图所示电路，而图6.59(a)和和6.60(a)所示电路中，所示电路中，负载不消耗直流功率，所以效率得以提负载不消耗直流功率，所以效率得以提高高）。）。 为了为了减小甚至基本消除晶体管本身的功耗和负载本身的减小甚至基本消除晶体管本身的功耗和负载本身的直流功耗直流功耗，采用图，采用图6.61所示的电路。所示的电路。图图6.61 由两个互补对称由两个互补对称BJT构成的构成的推挽功率放大器推挽功率放大器当输入电压当输入电压

20、0Iv =时，两个时，两个BJT均截止，输出电压均截止，输出电压 0ov假设发射结开启电压为假设发射结开启电压为0.7V，则当输入电压为，则当输入电压为 0.70.7IVvV时，输出电压仍为零。时，输出电压仍为零。 如果如果vI为正且大于为正且大于0.7V，则则Qn导通，导通，Qp截止，电路类似于截止，电路类似于射极跟随器，此时通过射极跟随器，此时通过Qn提供的负载电流提供的负载电流iL为正。为正。 如果如果vI为负且绝对值大于为负且绝对值大于0.7V，则，则Qp导通，导通，Qn截止，电路截止，电路也类似于射极跟随器，此时通过也类似于射极跟随器，此时通过Qp提供的负载电流提供的负载电流iL为负

21、。为负。 综上所述，综上所述，在输入信号电压满足在输入信号电压满足|vI|0.7V条件下，由于该电条件下，由于该电路在任何时刻总是一个路在任何时刻总是一个BJT导通，另一个截止，导通，另一个截止，因此，该电路称为因此，该电路称为互补推挽功率放大电路互补推挽功率放大电路。存在的问题存在的问题： 即输入电压在即输入电压在 0.70.7IVvV负载上的电压为零，导致输出的波形失真。负载上的电压为零，导致输出的波形失真。 之间时，没有一个之间时，没有一个BJT导通，导通， 因为这种失真是由晶体管交替工作时产生的，所以我们称这种因为这种失真是由晶体管交替工作时产生的，所以我们称这种失真为失真为交越失真交

22、越失真。 图图6.62 (a) 电压传输特性电压传输特性图图6.62 (b) 交越失真交越失真互补推挽功率放大器的效率互补推挽功率放大器的效率如果将图如果将图6.61所示电路理想化，即假设发射结开启电压为零，所示电路理想化，即假设发射结开启电压为零， 则每个晶体管的导通时间都刚好等于输入电压的半个周期。则每个晶体管的导通时间都刚好等于输入电压的半个周期。 图图6.63是互补推挽功率放大器的直流负载线。是互补推挽功率放大器的直流负载线。 静态工作点静态工作点Q处集电极电流为零，即静态时两个晶体管均截止。处集电极电流为零，即静态时两个晶体管均截止。 因此每个晶体管静态时消耗的功率为零。因此每个晶体

23、管静态时消耗的功率为零。图图6.63互补推挽功率互补推挽功率放大器的直流负载线放大器的直流负载线 输出电压输出电压为为tVvPosin(6.187) 式中，式中， 的最大值为的最大值为 PVCCVnQ消耗的瞬时功率消耗的瞬时功率为为 nnnCCEQivP (6.188) 当当 t0时，即输入电压正半周时，集电极电流为时，即输入电压正半周时，集电极电流为 tRViLPCnsin(6.189) 式中，式中， PV是输出电压是输出电压 ov的振幅。的振幅。 当当 2t时，即输入电压的负半周时，集电极电流为时，即输入电压的负半周时，集电极电流为 0nCi(6.190) 又又 tVVvVvPCCoCCC

24、ENsin(6.191) 因此，因此， nQ消耗的消耗的总瞬时功率总瞬时功率为为 tRVtVVivPLPPCCCCEQnnnsinsin(6.192) nQ消耗的消耗的平均功率平均功率为为 LPLPCCQRVRVVPn42(6.193) 因为因为 PQ与与 nQ是对称的，所以它消耗的平均功率与是对称的，所以它消耗的平均功率与 nQ的完全相同。的完全相同。 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系如图每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系如图6.64所示。所示。 图图6.64 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关

25、系 由图由图6.64可知，输出电压较小时，晶体管消耗的功率随可知，输出电压较小时，晶体管消耗的功率随Vp的增加的增加而增大，达到某个值而增大，达到某个值Vp=2VCC/，时，晶体管消耗的功率随，时，晶体管消耗的功率随Vp的增大的增大而减小。而减小。 式式(6.193)两端对两端对 PV求导数，并令它等于零，可得求导数，并令它等于零，可得当当 CCPVV2时，时，晶体管消耗的最大平均功率晶体管消耗的最大平均功率为为 LCCQRVPn22max(6.194) 传送给负载的平均功率传送给负载的平均功率为为LPLRVP2max21(6.195) 由于每个直流电压源提供的电流为半个周期的正弦波，因此由于

26、每个直流电压源提供的电流为半个周期的正弦波，因此平均电流为平均电流为 LPLPRVttdRVsin10每个每个直流电压源提供的平均功率直流电压源提供的平均功率为为 LPCCVVRVVPPCCCC(6.196) 两个电压源提供的总平均功率为两个电压源提供的总平均功率为LPCCVRVVPCC2(6.197) 转换效率转换效率为为CCPLPCCLPVLVVRVVRVPPCC42212(6.198) 当当 CCPVV 时，可获得最大效率，即时，可获得最大效率，即 %5 .784max(6.199) 由此可见，由此可见，互补推挽功率放大器的效率比甲类功率放大器的互补推挽功率放大器的效率比甲类功率放大器的

27、效率要高得多效率要高得多。 为了将失真限制在某个允许的范围内，输出电压的振幅值必须为了将失真限制在某个允许的范围内，输出电压的振幅值必须比比Vcc小几伏。小几伏。 晶体管消耗的功率在晶体管消耗的功率在 CCPVV2此时的转换效率由式此时的转换效率由式(6.198)可求得可求得 时达到最大，时达到最大，%5021244CCCCPCCVVVV故，故，乙类互补推挽功率放大器的转换效率在乙类互补推挽功率放大器的转换效率在5078.5之间之间。 3. 甲乙类功率放大器甲乙类功率放大器 为了消除交越失真，需要在静态时给每个晶体管加上一个很为了消除交越失真，需要在静态时给每个晶体管加上一个很小的直流偏置，以

28、使输入交流电压在整个周期内的所有值上都在小的直流偏置，以使输入交流电压在整个周期内的所有值上都在负载上产生输出。这样的功率放大器称为甲乙类功率放大器。负载上产生输出。这样的功率放大器称为甲乙类功率放大器。图图6.65 采用二极管偏置采用二极管偏置的甲乙类功率放大器的甲乙类功率放大器 例例6.26目的目的：设计二极管偏置的甲乙类功率放大器，使其：设计二极管偏置的甲乙类功率放大器，使其满足指定的要求。满足指定的要求。电路如图电路如图6.65所示，已知二极管所示，已知二极管 1D和和 2D的反向饱和电流的反向饱和电流 AISD14103nQ和和 PQ的反向饱和电流的反向饱和电流 75,1013PnS

29、QAI令令 8LR，传送给负载的平均功率为，传送给负载的平均功率为5W。 不大于不大于 CCV的的80，流过二极管的电流，流过二极管的电流 DI不小于不小于5mA。输出电压振幅值输出电压振幅值解解：由式：由式(6.195)可得可得VPRVLLP94. 85822电压源电压为电压源电压为 VVVPCC2 .118 . 094. 88 . 0输出电压最大时，输出电压最大时， nQ的射极电流为的射极电流为 ARViiLPLEn12. 1894. 8(max)(max)基极电流基极电流 mAiinEBnn7 .1475112. 11当流过二极管的电流当流过二极管的电流 mAID5时，选择时，选择 mA

30、IBias20当输入电压为零时，若忽略基极电流，可得当输入电压为零时，若忽略基极电流，可得两个二极管上的电压降两个二极管上的电压降为为 VIIVVSDDTBB416. 11031020ln026. 02ln2143集电极静态电流集电极静态电流为为mAeeIITBBVVSQCQ0 .6710026. 02416. 1132输出电压最大时，输出电压最大时，流过二极管的电流流过二极管的电流为为mAiIInBBiasD3 . 57 .1420此时的此时的两个基极之间的电压两个基极之间的电压为为VIIVVSDDTBB347. 1103103 . 5ln026. 02ln2143nQ的的发射结电压发射结电压为为 VIiVvSQCTBEnn781. 01012. 1ln026. 0ln13PQ的的发射结电压发射结电压为为 VvVvnpBEBBBE566. 0781. 0347. 1PQ的的集电极电流集电极电流为为 mAeeIiTPBEVvSCP285. 010026. 0566. 013说明说明：当输出为正时，：当输出为正时， PQ的集电极电流很小，的集电极电流很小， 此时此时 nQ电流比电流比 PQ的高的高3个数量级。个数量级。 的集电极的集电极图图6.66是一种是一种采用采用 BEV倍增器提供偏量的甲乙类功率放大器倍增器提供偏量的甲乙类功率放大器。