第9-10章功率放大电路2013

1、 9.1 低频功率放大器概述低频功率放大器概述 9.2 互补跟随乙类互补跟随乙类(B类类)功率放大器功率放大器 9.3 集成功率放大器集成功率放大器 9.4 功率器件功率器件第第9章章 功率放大电路功率放大电路 (1). 输出信号功率大，采用大功率管输出信号功率大，采用大功率管； (2). 大信号工作，分析方法采用图解法大信号工作，分析方法采用图解法； (3). 关注的性能指标：输出关注的性能指标：输出功率、效率、非线功率、效率、非线 性失真和功率器件的极限参数选择；性失真和功率器件的极限参数选择；9.1 9.1 低频功率放大器概述低频功率放大器概述 一、一、功率放大器的特点功率放大器的特点

2、对对功率放大器的功率放大器的基本要求：基本要求：在非线性失真允许的范围内在非线性失真允许的范围内高效率地输出大功率。高效率地输出大功率。二二. 功率管的工作类型划分功率管的工作类型划分 根据直流工作点的位置不同，放大管的工作类型分根据直流工作点的位置不同，放大管的工作类型分为甲类为甲类(A类类)、乙类、乙类(B类类)、丙类、丙类(C类类)等。等。 1. 甲类甲类(A类类) 如图所示，工作点如图所示，工作点Q较高较高(ICQ大大)，正弦信，正弦信号在号在360内变化时，内变化时，管子均导通。管子均导通。=180oiBECu0QiCt02其通角其通角(导通角的一半导通角的一半) | | 2. 乙类

3、乙类(B类类) 如图所示，工作点如图所示，工作点Q选选在截止点，管子只有半在截止点，管子只有半周导通，另外半周截止。周导通，另外半周截止。其通角为其通角为=90o 3. 丙类丙类(C类类) 如图示，工作点如图示，工作点Q选在截选在截止区，信号导通角度小于止区，信号导通角度小于180。其通角为。其通角为90oiCt0iCuBEQ 0 |iCt0iCuBEQ |20 9.2 互补跟随乙类互补跟随乙类(B类类)功率放大器功率放大器一一. 双电源互补跟随乙类功率放大器双电源互补跟随乙类功率放大器 1.1.电路及其工作原理电路及其工作原理 2. 图解分析图解分析单管的图解单管的图解 两个互补管的合成图解

4、两个互补管的合成图解 ICm3. 功率指标的计算功率指标的计算211222cmLLLcmcmLUPIUIUR (1). 输出输出(负载获得负载获得)交流功率交流功率PL 显然，信号越大，显然，信号越大，Ucm越大，越大， PL越越大。大。其最大输其最大输出电压出电压UCmax= UCCUCES，故最大输出功率，故最大输出功率PLm为为 2()2CESCCLmLUUPR若忽略集电极饱和电压若忽略集电极饱和电压UCES，则，则22CCLmLUPR (2). 电源提供的功率电源提供的功率 当信号最大时，当信号最大时，UomUCC，则电源输出的最大功率为，则电源输出的最大功率为 222()CCCESC

5、CCCEmLLUUUUPRR22cmcmELIUIR两路电源的平均电流两路电源的平均电流2cmCCEECCLUUPI UR两路电源输出的平均功率两路电源输出的平均功率 (3). 效率效率 22244cmcmLLcmCCECCLUUPRU UPUR式中式中 称之为称之为集电极电压利用系数集电极电压利用系数。cmCCUU当信号最大，当信号最大，1时，效率达到最高，为时，效率达到最高，为 %5 .784m可见，可见，B类工作的效率远比类工作的效率远比A类的高类的高。 (4). 功放管的损耗功率功放管的损耗功率PC根椐能量守恒原理，每管的管耗为根椐能量守恒原理，每管的管耗为21()24CCcmcmLC

6、ELLUUUPPPRR11()02CCCcmcmLdPUUdUR得出，当得出，当 时，每管的管耗最大时，每管的管耗最大:CCoUU2PC 可见，每管的最大管耗为最大输出功率的五分之一。可见，每管的最大管耗为最大输出功率的五分之一。这是选择功率管功耗的依据。这是选择功率管功耗的依据。220.2LmLmCmPPP即即22212122() 42CCCCCmCCCCLLUUPUURR为为 4. 4. 电源和功率管极限参数的选择电源和功率管极限参数的选择 (2).功放管的耗散功率功放管的耗散功率PCM LmCmCMPPP2 . 0 为保证功率晶体管的为保证功率晶体管的安全和输出功率安全和输出功率的要求，

7、的要求，电源及输出功率管参数的选择原则如下：电源及输出功率管参数的选择原则如下：(1). UCC的选择的选择 已知已知PLm及及RL，由于，由于222CCLmLCCLmLUPRUP R则则 (3). 管子的击穿电压管子的击穿电压U(BR)CEO。 (4)管子允许的最大集电极电流管子允许的最大集电极电流ICM。 当信号最大时，一管截止，当信号最大时，一管截止，另一管趋于饱和，因而，截止另一管趋于饱和，因而，截止管承受的最大反压为管承受的最大反压为 UCC+|UCC|=2UCC，所以所以LCCCmCMRUII()2BR CEOCCUUCCUVD1,VD2克克服交越失真服交越失真互补跟随乙类互补跟随

8、乙类(B类类)功率放大器小结功率放大器小结V1:NPN管管V2:PNP管管 1.1.输出输出(负载获得负载获得)最大功率最大功率PLm 22()22CCCESCCLmLLUUUPRR2.最高效率为最高效率为 78.5%4m 3.功率管极限参数选择功率管极限参数选择LmCmCMPPP2 . 0LCCCmCMRUII()2BR CEOCCUU二二. 单电源互补跟随乙类功率放大器单电源互补跟随乙类功率放大器 单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图所示。单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图所示。 静态时，由于电路对称，静态时，由于电路对称，a 、b点电位为点电位为则电容则电容C两端的直流电压也两端的直流

9、电压也为为UCC/2，对，对V2管起到负电源管起到负电源的作用。的作用。12abCCUUU 信号正半周电容信号正半周电容C充电，负半周电容充电，负半周电容C放电，只要放电，只要C足够大，在信号变化一周内，电容电压可以保持基本恒足够大，在信号变化一周内，电容电压可以保持基本恒定的定的UCC/2。 为保证功率放大器良好的低频响应，电容为保证功率放大器良好的低频响应，电容C必须满足必须满足 222()12228CCCESCmCCLmLLLUUUUPRRRLLRfC21 关于该放大器功率指标，只须将关于该放大器功率指标，只须将 对应双电源中对应双电源中UCC改为改为UCC /2即可。如最大输出功率：即

10、可。如最大输出功率： 式中式中fL为放大器所要求的下限频率。为放大器所要求的下限频率。通常取通常取C大于大于500组成复合管的原则有以下几点：组成复合管的原则有以下几点： (1).(1).电流流向要一致电流流向要一致。 (2). 各极电压必须保证所有管子工作在放大各极电压必须保证所有管子工作在放大区区，即保证，即保证e 结正偏，结正偏，c 结反偏。结反偏。 (3). 因为复合管的基极电流因为复合管的基极电流iB等于第一个管子的等于第一个管子的iB1，所以所以复合管的管型取决于第一个晶体管的管型复合管的管型取决于第一个晶体管的管型，而等，而等效电极为效电极为第一个管电极的延伸。第一个管电极的延伸

11、。若第一个管子为若第一个管子为PNP，则复合管也为则复合管也为PNP，反之为，反之为NPN。正确的复合管连接。正确的复合管连接方式有四种，如下图所示。方式有四种，如下图所示。 三三. . 电路改进电路改进复合管复合管21总复合管的总复合管的总值为值为uiV1V2V0UCCICOR1R2RLV4V3UEEuo采用复合管的准互补乙类功率放大器电路（采用复合管的准互补乙类功率放大器电路（OCL） 9.3 集成功率放大器集成功率放大器 集成音频功率放大器集成音频功率放大器SHM1150型是一个由双型是一个由双极型晶体管和极型晶体管和VMOS组成的功率放大器，允许电源组成的功率放大器，允许电源电压为电压

12、为12V50V，电路最大输出功率可达，电路最大输出功率可达150W，使用十分方便。使用十分方便。 1. SHM1150型双极晶体管与型双极晶体管与MOS管混合的管混合的音频集成功率放大器音频集成功率放大器 目前集成功率放大器大都工作在音频段。集目前集成功率放大器大都工作在音频段。集成功率放大器的型号很多，在此仅举例说明之。成功率放大器的型号很多，在此仅举例说明之。 2. 通用型集成功率放大器通用型集成功率放大器LM386 LM386是低电压（是低电压（4 12V）小功率（）小功率（0.325 1W）通用型集成功放。通用型集成功放。 3. 桥式功率放大器桥式功率放大器LM48602221111(

13、)(2)222ooooLLLLUUUUPRRR A1A2uiR110kLM4860R220kuo20.10.15V30kUCC30kR340kuo1R440kRL(负载) 4. D 4. D类集成功率放大器类集成功率放大器 D类开关音频功率放大器的工作原理是基于脉冲宽度调制类开关音频功率放大器的工作原理是基于脉冲宽度调制（PWM）技术下的功率放大。）技术下的功率放大。 下图是这种放大器的原理框图：下图是这种放大器的原理框图： 集成集成D类功率放大器如类功率放大器如LM4651和和LM4652:2212585%CCOUVPW 9.4 功率器件功率器件 一一. 双极型大功率晶体管双极型大功率晶体管

14、(BJT)1. 散热与最大功耗散热与最大功耗PCM的关系的关系 消耗在功率管集电结的功率变为热能而使管芯消耗在功率管集电结的功率变为热能而使管芯的结温上升。如果晶体管管芯的温度超过管芯材料的结温上升。如果晶体管管芯的温度超过管芯材料的最大允许结温的最大允许结温TjM(锗管锗管TjM约为约为75100,硅管硅管TjM约为约为150200)，则晶体管将永久损坏。我们，则晶体管将永久损坏。我们把这个界限称为晶体管的最大允许功耗把这个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM。(a)(a)铝型材散热器示意图；铝型材散热器示意图；(b)(b)热传导阻力等效通路热传导阻力等效通路( (热阻计算热阻计算) ) 散热

15、器和热传导阻力等效通路散热器和热传导阻力等效通路 所谓二次击穿现象是当集电极电压所谓二次击穿现象是当集电极电压uCE增大出现一增大出现一次击穿后，突然发生次击穿后，突然发生uCE急剧减小，而急剧减小，而iC加速增大，管加速增大，管子瞬间就永久性损坏。这种现象称为二次击穿。二次子瞬间就永久性损坏。这种现象称为二次击穿。二次击穿的起点与击穿的起点与iB大小有关。通常将其起、始点连线称为大小有关。通常将其起、始点连线称为二次击穿临界线，如下图所示。二次击穿临界线，如下图所示。 2. 二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区 功率管在实际应用中，常发现功耗并未超额，管功率管在实际应用中，常发现

16、功耗并未超额，管子也不发烫，但却突然失效。这种损坏不少是由于子也不发烫，但却突然失效。这种损坏不少是由于“二次击穿二次击穿”所致。所致。(a)二次击穿现象；二次击穿现象；(b)二次击穿临界线二次击穿临界线双极型功率管的安全工作区双极型功率管的安全工作区 二二. 功率功率VMOS器件器件VMOS功率管的结构剖面图如图所示。功率管的结构剖面图如图所示。 (3). 没有没有BJT管的少子存贮问题，加之极间电容小，管的少子存贮问题，加之极间电容小，所以开关速度快，适合高频工作所以开关速度快，适合高频工作(工作频率达几百工作频率达几百kHz甚至于几甚至于几MHz)。 与与BJT管比较，管比较，VMOS具

17、有许多优点：具有许多优点： (1). 输入阻抗大，所需驱动电流小，功率增益高。输入阻抗大，所需驱动电流小，功率增益高。 (2). 温度稳定性好，漏极电阻为正温度系数，当器温度稳定性好，漏极电阻为正温度系数，当器件温度上升时，电流受到限制，不可能产生热击穿，也件温度上升时，电流受到限制，不可能产生热击穿，也不可能产生二次击穿。不可能产生二次击穿。 在在VMOS基础上加以改进，目前又出现了双扩散基础上加以改进，目前又出现了双扩散MOS管管(简称简称DMOS)。此类管子在承受高电压、大电。此类管子在承受高电压、大电流，速度快等性能方面又有不少提高。流，速度快等性能方面又有不少提高。 10.1 整流滤

18、波电路整流滤波电路 10.2 串联型稳压器串联型稳压器 10.3 集成三端稳压器集成三端稳压器 10.4 开关型稳压电源开关型稳压电源第第10章章 直流稳压电路直流稳压电路直流稳压电源的一般组成直流稳压电源的一般组成 直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本功能是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的基本功能是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。的稳定的直流电源电压。直流电源的一般组成如图所示直流电源的一般组成如图所示 利用二极管的单向导电性能可实现整流。常用的整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

19、整流、全波整流、桥式整流和倍压整流流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流. 10.1 整流滤波电路整流滤波电路 一一. 整流电路整流电路全波整流全波整流半波整流半波整流桥式全波整流桥式全波整流桥式全波整流桥式全波整流 在在u2的正半周：的正半周：V1、V3导通，导通，V2、V4截止截止2 在在u2的负半周：的负半周：V2、V4导通，导通，V1、V3截止截止20.9oUU即即222oUU输出平均电压输出平均电压22U20.45oUU显然，对于半波整流显然，对于半波整流电容滤波电容滤波阻容阻容型滤波型滤波电感电容电感电容型滤波型滤波二二. . 常用滤波电路常用滤波电路 三三. .整流滤波电

20、路整流滤波电路 V1、V3导通导通V2、V4导通导通(3 5)2LLTR C 输出平均电压约为输出平均电压约为21.2oUU若负载开路，则若负载开路，则2221.4oUUU当选择滤波电容当选择滤波电容C尽可能大（几百尽可能大（几百几千微法），在满足几千微法），在满足式中，式中，T为电网电压的周期。为电网电压的周期。整流二极管的选择整流二极管的选择 2LDMII(1).整流管最大允许电流整流管最大允许电流 (2).整流管反向击穿电压整流管反向击穿电压 22BRUU 用用“硅桥硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路实现正、负两路直流输出的全波整流电路稳压器的框图如图示。稳压具有如下含义及对应指

21、标稳压器的框图如图示。稳压具有如下含义及对应指标10.2 串联型稳压器串联型稳压器 (1).(1).输入电压变化时，输出电压应保持稳定。输入电压变化时，输出电压应保持稳定。 (2). 输出负载电阻改变时，输出电压应保持稳定。输出负载电阻改变时，输出电压应保持稳定。 输出电阻输出电阻RoiooUcLURIc|LoiRoiUUSUU稳压系数稳压系数S S温度系数温度系数STiLoTUIUST=c=c (3). 环境温度改变时，输出电压应保持稳定。环境温度改变时，输出电压应保持稳定。 稳压器电路通常分为并联型和串联型两种。其中稳压器电路通常分为并联型和串联型两种。其中并联型的典型电路是稳压二极管稳压

22、电路：并联型的典型电路是稳压二极管稳压电路：VZUiUoRRLILIZIRoZZRLiZZLUUIIIUUURR下面我们主要讨论最常用的串联型稳压器下面我们主要讨论最常用的串联型稳压器。 串联型稳压器是以射极输出器为基本电路的深度电串联型稳压器是以射极输出器为基本电路的深度电压负反馈系统，即压负反馈系统，即一一. 串联型稳压器电路组成及稳压原理串联型稳压器电路组成及稳压原理二二. 对各环节的基本要求对各环节的基本要求 取样环节要由高稳定取样环节要由高稳定性的电阻构成。调节性的电阻构成。调节其取样比，即调节其取样比，即调节RW，可使输出电压在一定可使输出电压在一定范围连续可调：范围连续可调：1.

23、 取样环节取样环节212122WSoREFWWoREFWRRUUUURRRRRRUURR即即21max2WoREFRRRUUR则则21min2WoREFWRRRUURR2. 基准环节基准环节 要求基准电压要求基准电压UREF高高度稳定，通常采用具度稳定，通常采用具有温度补偿的稳压二有温度补偿的稳压二极管稳压器实现。极管稳压器实现。3. 误差放大环节误差放大环节 对误差放大器要求是：对误差放大器要求是： . 必须为反相放大器，且电压放大倍数大；必须为反相放大器，且电压放大倍数大； . 失调及其温度漂移小。失调及其温度漂移小。 为此，通常采用差动放大电路。为此，通常采用差动放大电路。4. 调整环节

24、调整环节 . 调整管必须工作调整管必须工作在放大区，其管压降在放大区，其管压降UCE一般不小于一般不小于34V； 对调整管有以下要求：对调整管有以下要求： .由于负载电流全部流过调整管，管耗大，因而必须由于负载电流全部流过调整管，管耗大，因而必须采用采用PCM较大的功率管。其较大的功率管。其管耗管耗 . 采用复合管或多管并联来满足激励电流小或输出电采用复合管或多管并联来满足激励电流小或输出电流大的需要；流大的需要； . 电路须有过流、过热等保护措施，以免调整管损坏。电路须有过流、过热等保护措施，以免调整管损坏。()()oCioLioLUPUU IUUR 后面后面两位数表示输出电压值，通常有两位

25、数表示输出电压值，通常有5、6、9、12、15、18和和24V等七种值等七种值。如如7812表示输出直流电压表示输出直流电压+12V；7905表示输出直流电压表示输出直流电压5V。 10.3 集成三端稳压器集成三端稳压器 集成三端稳压器是串联型稳压器的集成电路，由于集成三端稳压器是串联型稳压器的集成电路，由于使用方便，价格便宜，被广泛用于直流稳压电源中。其使用方便，价格便宜，被广泛用于直流稳压电源中。其电路符号及外形图如图示电路符号及外形图如图示 集成三端稳压器分为：集成三端稳压器分为：78系列系列(输出输出正电压正电压)和和79系列系列(输出输出负电压负电压)。C2 ：用来减小负载电流瞬时变

26、化而引起的高频干扰。：用来减小负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。三端集成稳压器的典型接法三端集成稳压器的典型接法C1 ：防止输入引线较长带来的电感效应而可能产生的自激。：防止输入引线较长带来的电感效应而可能产生的自激。C3 ：为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和：为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。低频干扰。 举例举例. 直流稳压电源如图示。已知直流稳压电源如图示。已知U2=15V，RL=20 ，试问：试问：1. 负载电流负载电流IL=？ 2. 三端稳压器的耗散功率三端稳压器的耗散功率PC=？ 3. 若分别测得电容电压若分别测得电容电压UC为为13.5V、21V和和6.8V，分析电路分，分析电路分别出现何种故障。别出现何种故障。解解1.12120.620oLoLUUVIAR()(15 1.2 12) 0.63.6