模电8功放功率放大电路的一般问题

1、8.1 功率放大电路的一般问题8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路8.4 甲乙类互补对称功率放大电路8.5* 集成功率放大器8.2 射极输出器甲类放大的实例 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。8.1 功率放大电路的一般问题例： 扩音系统 是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、电动机旋转等。概述:功率放大器的两个重要功能：1、较低的输出电阻（带负载）射极输出器2、输出信号保持线性输出不失真 提高效率 (效率: 将直流能量转化为交流输出的能力) 减小非线性失真 管子的保护： 大信号下工作PT 使管子升温，需散热。 提高输出功率:(要求输出功率尽可能的大

2、，管子工作在接近极限状态) PO大V和I大大信号下工作,易失真。输出与失真成为一对矛盾 功率放大电路的主要问题: 提高效率！1.功率放大电路特点功率管工作在大信号下，采用图解法进行分析 降低静态功耗，应减小静态电流，即降低静态工作Q。vi= 0vi= UMsint直流功耗 2. 提高效率的途径ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO 晶体管的工作状态乙(B)类：导通角等于180甲（A)类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于1803600IBICUCEOQiCtO 甲类工作状态:静态IC较大，波形好, 管耗大，效率低。 乙类工作状态:静态IC =0 ，波形严重真, 管耗小，效率高。 甲乙类工

3、作状态:管导通的时间大于半个周期，静态IC 0。（按正弦信号整个周期内的导通情况分）8.2 射极输出器甲类放大的实例简化电路带电流源的电路图 射级输出器特点：电压增益近似为1，电流增益很大，可获得较大的功率增益，输出电阻小，带负载能力强。 电压与输入电压的关系 设T1的饱和压VCES0.2V vO正向振幅最大值 vO负向振幅最大值，T截止 8.2 射极输出器甲类放大的实例临界截止时， 8.2 射极输出器甲类放大的实例当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 最大输出功率 当取vi 足够大 8.2 射极输出器甲类放大的实例所以正负电源提供的功率分别为放大器的效率 PVC = VCC

4、 IBIAS = 27.75 WPVE = VEE IBIAS= 27.75 W因为方法2 由图可知，当输出信号幅度最大时，交流电路幅度IP=ICQ,交流电压幅度VP=VCC/2,所以晶体管瞬时功耗为 效率低，实际应用中，效率最大只有20%左右。1. 电路组成:这种电路也称为OCL互补功率放大电路。两个管8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路+ ui+VCCRLuo+-T1T2-VCC(无输出电容Output Capacitorless)NPNPNP(互补)+VCC-VCC两个电源结构:基极连一起作输入端(共集电极)发射极连一起作输出端(无电压放大)性质:乙类：导通角等于180使负载得到一个完

5、整的波形。2. 工作原理（理想管）+ ui+VCCRLuo+-T1T2-VCCic1ic2ui 0V(T2截止)uCE1=-uCE2=VCC静态时：ui = 0V,iC1 0， iC2 0uo = 0V。动态时：OCL原理电路结论：（uo = ui）T1导通iE1通过RLT2导通iE2通过RL 两个三极管，轮流导通（正、负半周）互补不足互补推挽IC1=0, UCE1=VCC NPN:静态工作点：Q PNP:静态工作点：Q IC2=0, UCE2= -VCC 交流负载线：过Q点，斜率为-1/RL的直线 交流负载线：过Q点，斜率为-1/RL的直线 乙类互补推挽放大器的图解分析 RLT1ui+_+V

6、CC_iC1iC2ioT2VCCuo+_乙类互补推挽电路工作情况T1通T2通Uopp=2(VCC UCES)tiCOuCEUoppuCEQiCOVCESVCESVCC UCES uCE1iC1iC2uCE2QQAUCESUomIomD3.分析计算（1）输出功率 ：最大不失真输出电压： (Uom)max=VCC UCES VCC最大不失真输出电流： (Iom)max=(Uom) max /RL 最大不失真输出功率： （定量计算:P0、PT、）单个管子在一个周期内的管耗（2）管耗PT两管管耗uCE=VCC uo iC1=uo /RL（3）电源(+VCC、-VCC）提供给的功率PV（4）效率当当UO

7、MVCC时8.3.3 功率BJT的选择 用PT1对Uom求导，并令导数=0，得出：当 0.64VCC 时具有最大管耗1. PCM PT1max =0.2PoM2如果POmax = 10WPT1max = 2W因为工作时一个管导通,一个截止。 功率BJI的选管条件3ui t缺点：存在交越失真乙类互补对称功放的缺点 tuo交越失真 当输入信号ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。 交越失真产生的原因： 由于晶体管特性存在非线性， ui T信，电容C就可充当原来的VCC。计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。 若忽略交越失真的影响，且

8、 ui 幅度足够大。则：计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。 3.输出功率及效率丙类功率放大器晶体管在Q点具有反向偏置的B-E电压。并不是说集电极电流为负，而是在静态工作点处为0。晶体管的导通时间小于半个周期。因其转换效率较高(78.5%),常用于射频（RF）电路。ICUCEOQtOiC8.5* 功率管8.5.1 功率器件的散热与功率BJT的 二次击穿问题8.5.2 功率VMOSFET和DMOSFET功率BJT参数小信号BJT2N2222A功率BJT2N3055功率BJT2N6078VCE(MAX)V4060250IC(MAX)A0.8157PD

9、(MAX)W1.21154535-1005-2012-70fT MHz 3000.818.5.1 功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题1. 功率BJT的散热功率BJT外形 在给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率。管子消耗的功率直接表现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90，硅管约为150），会使管子损坏。 在BJT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BJT的耗散功率。1. 功率BJT的散热 功率BJT的最大允许耗散功率PCM，总的热阻RT、最高允许结温Tj和环境温度Ta

10、之间的关系为TjTaRTPCM 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热阻，散热片与周围空气的热阻。单位为/W（或/mW）。 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。例如，某BJT不加散热装置时，允许的功耗PCM仅为1W，如果加上1201204mm3的铝散热板时，则允许的PCM增至10W。 通常手册中给出的PCM，是在环境温度为25时的数值。 8.5.1 功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题2. 功率BJT的二次击穿 实际应用中，功率BJT并未超过允许的PCM值，管身也不烫，但功率BJT却突然失效或者性能显著下降。

11、这种损坏不少是二次击穿引起的。 产生二次击穿的原因主要是由于流过BJT结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。与BJT的制造工艺有关。 因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流ICM、集射间允许的最大击穿电压V(BR)CE和集电极允许的最大功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制。 8.5.1 功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题3. 提高功率BJT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），工作电流不应超过极限值的80%； （3）在最坏的条件下（包括

12、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50%； （4）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、电流和结温（包括波动值在内）都不得超过极限值。8.5.1 功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题4. 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，可在负载两端并联二极管（或二极管和电容）； 可以用VZ值适当的稳压管并联在功率管的c、e两端，以吸收瞬时的过电压等。8.5.1 功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题功率MOSFET参数2N67572N6792VDS(MAX)

13、V150400ID(MAX)A82PD(MAX)W7520 功率MOSFET的优越性：较短的开关时间、不存在二次击穿且能在较宽的温度范围内稳定增益和响应时间。 功率MOSFET通常通过垂直或双扩散工艺制作而成，分为VMOS和DMOS。8.5.2 功率VMOSFET和DMOSFET1. VMOS管V型开槽的纵向MOS管，称为VMOS（Vertical MOS）电流沿导电沟道由漏极到源极的流动是纵向的沟道很短，电流ID很大 ，可达200A N外延层提高了耐压值，达1 000V以上 非线性失真小8.5.2 功率VMOSFET和DMOSFET2. DMOS管双扩散MOS管，称为DMOS（Double-

14、diffused MOS）电流也是纵向流动的沟道很短，电流ID很大 ，可达50A N层提高了耐压值，达600V以上8.5.2 功率VMOSFET和DMOSFET3. MOS功率管的优点 （1）与MOS器件一样是电压控制电流器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小（驱动电路简单），功率增益高。 （2）MOS管不存在二次击穿 （3）因为少子存储问题，功率MOS管具有更高的开关速度，双极型功率管的开关时间在100ns至1s之间，而MOS功率管的开关时间约为10100ns，其工作频率可达100kHZ到1MHZ以上，所以大功率MOS管常用于高频电路或开关式稳压电源等。VMOS在这一点上更显优越（其fT6

15、00MHZ）。 （4）MOS管与BJT相比几乎不需要直流驱动电流。但MOS功率放大电路的驱动级至少要提供足够的电流来保证对MOS管较大的输入电容进行充放电。集成功率放大器举例8.5.3以MOS功率管作输出级的集成 功率放大器8.5.4 BJT集成功率放大器举例8.5.3 以MOS功率管作输出级的集成功率放大器SHM1150型集成功率放大器频振荡VMOS管3号脚内部是接地的信号只能从1号脚到地之间输入增益是固定的，由Rf和R2决定(电压串联负反馈)差分输入Vbe倍增电压跟随中间放大互补对称8.5.3 以MOS功率管作输出级的集成功率放大器SHM1150型集成功率放大器工作电压12V50V最大输出

16、功率可达150W 8.5.4 BJT集成功率放大器举例BJT集成音频功率放大器LM380复合差分输入中间放大互补对称输出有源负载有源负载增益由R3和R2决定(电压串联负反馈)8.5.4 BJT集成功率放大器举例BJT集成音频功率放大器LM380固定增益51倍最大工作电压22V最大输出功率5W可双端输入，也可单端输入。不用的输入端可悬空 滤波消除干扰相位补偿消除自激振荡读图练习复合管互补输出电压并联负反馈交直流均有OCLC1:耦合，C3，C4减少交流电压的损耗输入信号和负载都不接地，双入双出大耦合电容产生新电路 输出约为16.6V直流电压1功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要