电子线路非线性部分第五绪论和第一章课件优质课件

电子线路非线性部分第五冯军谢嘉奎绪论和第一章课件电子线路非线性部分第五冯军谢嘉奎绪论和第一章课件1

小信号条件下，输入信号小，在一定条件下电路可用线性等效电路表示，例如各种小信号放大器(《线性电子线路》)中，器件的特性归属线性电子线路。大信号条件下，输入信号大，必涉及器件的非线性部分，例如功率放大器。故不能用线性等效电路表示电子器件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以，功放归属非线性电子线路。二、非线性电子线路在通信系统中的应用1．通信系统的分类

(1)有线通信系统：利用导线传送信息(2)无线通信系统：利用电磁波传送信息(3)光纤通信系统：利用光导纤维传送信息小信号条件下，输入信号小，在一定条件下电路可用22．无线通信系统图0-1-1无线通信系统的组成组成：发射装置+接收装置+传输媒体(1)

发射装置

①换能器：将被发送的信息变换为电信号。例：话筒将声音变为电信号。将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。②发射机：

无线通信系统的组成2．无线通信系统图0-1-1无线通信系统的组成3③天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。

(2)

接收装置接收是发射的逆过程。①接收天线：高频电振荡电信号②接收机：将从空间接收的电磁波高频电振荡。③换能器：将电信号所传送信息

(3)传输媒体——电磁波

电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：长波、中波、短波、超短波。③天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。(2)接4表1各波段特点波段波长/m频率/MHz特点说明中、长波>200<1.5沿地表传播大地表面是导体，一部分电磁波会损耗掉，频率越高，损耗越大短波10~2001.5~30靠电离层反射传播电磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。频率越高，被吸收的能量越小，但频率超过一定值，电磁波会穿过电离层，不再返回地面超短波<10>30沿空间直线传播地球表面是弯曲的，所以只能限制在视线范围内表1各波段特点波段波长/m频率/MHz特点说5图0-1-2无线电波传播方式传播距离：电离层＞地面＞直线

图0-1-2无线电波传播方式传播距离：电离层＞地面63．无线通信存在的问题(1)接收信号微弱

电磁波接收天线(2)存在干扰例如其他电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰等。对接收装置的要求：增益高，选择性好。4．解决方案

发射机和接收机借助线性和非线性电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、解调。

(1)调制由携有信息的电信号(如音频信号)去控制高频振荡信号的某一参数(如振幅)，使该参数按照电信号的规律而变化(调幅)。

3．无线通信存在的问题(1)接收信号微弱电磁波接收天线(27调制信号：携有信息的电信号。载波信号：未调制的高频振荡信号。已调波：经过调制后的高频振荡信号。根据受控参数：调幅、调角(调频、调相)。

(2)解调调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。(3)调制的作用①减小天线的尺寸。音频范围：20Hz~20kHz，若发射100Hz，波长

=c

/f=3000

km，天线至少几百千米。需减少波长，提高发射频率。②选台。将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其他电台发送的信息和各种干扰。

调制信号：携有信息的电信号。载波信号：未调制的高频振荡信号85．调幅发射机组成图0-1-3调幅广播发射机的组成调幅广播发射机的组成5．调幅发射机组成图0-1-3调幅广播发射机的组成调幅广9各部分作用：

(1)振荡器产生fosc的高频振荡信号，几十千赫以上。

(2)高频放大器

多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至fc，并提供足够大的载波功率。

(3)调制信号放大器多级放大器，前几级为小信号放大器，放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。

(4)振幅调制器

实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上。各部分作用：(1)振荡器产生fosc的高频振荡信106．调幅接收机

图0-1-4调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成6．调幅接收机图0-1-4调幅广播接收机的组成调幅广播11

(1)高频放大器

为小信号谐振放大器，作用：

①

选台。利用可调谐的谐振系统选出有用信号，抑制其他频率的干扰信号。

②放大。放大选出的有用信号。(1)高频放大器为小信号谐振放大器，作用：①12

(2)混频器两路输入为：

①

由高放级：已调信号fc。

②由本机振荡器：本振信号fL。作用：载波变频——将已调信号的载波由fc(高频)变换为fI(中频)，

fI=|fc-fL

|而调制波形不变。(2)混频器两路输入为：①由高放级：已调信13

(3)本机振荡

产生频率为fL=|fc+fI

|(或fL=fc-fI)的高频等幅振荡信号。fL可调，并能跟踪fc。

(4)中频放大器为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。(3)本机振荡产生频率为fL=|fc+f14

(5)检波器解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。

(6)低频放大器小信号放大器＋功率放大器，作用：放大调制信号，向扬声器提供所需的推动功率。(5)检波器解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。15图1–2–1图解分析2功率放大器的电路组成和工作特性4:1阻抗变换器如图1–4–7(a)所示，图中阻抗关系为图1–3–9(a)未加自举电容的电路意义：表明直流电流与直流电压间的依存关系。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。VCE(sat)0半波整流电路如图1–5–1(a)所示。根据下列曲线说出功率管的应用状态：3．异常输入情况v1=v2=v，2．负载调整率SI将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。2．全波整流电路VOVS(VREF不变)VC2=VB5VCESVO。二、全波和桥式整流电路注意，i中除体现两电压分别作用外，还包含两电压乘积项产生的响应电流。传输线变压器原理图如图1–4–4(a)所示。①降低Q——合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子的静态损耗。直流电压VO及纹波电压的大小与RL和CL的数值有关。可见，有用信号在不同频率上进行放大——超外差接收机。

特点：解调电路前包括混频器、本机振荡、中频放大器等。

优点：

增益高，选择性好。直接高放接收机：解调前仅包括高放，无混频器、本机振荡、中频放大器等，增益低，选择性差。

图1–2–1图解分析可见，有用信号在不同频率上进行放167．其他通信系统①调频无线通信系统，发射机和接收机都包括上述各模块，区别主要在于调制器和解调器上。实现调制的模块——频率调制器；实现解调的模块——频率检波器或鉴频器。②数字通信系统，调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制。③软件无线电，用软件的方法实现通信系统中一部分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。8．小结(1)非线性电子线路讨论的范围除小信号放大器以外的其他功能电路——振荡器、功放、调制器、解调器、混频器、倍频器。

7．其他通信系统①调频无线通信系统，发射机和接收机都包17

(2)本课程讨论的内容——三类电路①功率放大电路——在输入信号作用下，可将直流电源提供的部分功率转换为按输入信号规律变化的输出信号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。②振荡电路——可在不加输入信号的情况下，稳定地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。③波形变换和频率变换电路——能在输入信号作用下产生与之波形和频谱不同的输出信号。包括：调制电路、解调电路、混频电路和倍频电路。本课程将顺序学习这三类电路。(2)本课程讨论的内容——三类电路①功率放大电路——180.2

非线性器件的基本特点非线性电子线路中，上述三类功能的实现利用了器件的非线性特性，为此，有必要首先了解非线性器件的基本特点(参数、控制变量、不能用叠加定理)。一、非线性器件特性的参数

主要有三个参数：①直流参数适用于直流分析②交流参数适用于频率变换电路的分析③平均参数适用于功率放大和振荡电路的分析0.2非线性器件的基本特点非线性电子线路中，上述三类功19iv图0-2-1例：非线性电阻：①直流电导定义：意义：表明直流电流与直流电压间的依存关系。特点：其值是

VQ(或IQ)

的非线性函数。应用：直流分析。②交流电导定义：意义：伏安特性曲线上任一点的斜率，或该点上增量电流与增量电压的比值。特点：其值是

VQ(或IQ)的非线性函数。应用：交流分析。iv图0-2-1例：非线性电阻：①直流电导定义：20③

平均电导图0-2-2在大信号作用下的电流波形定义：当器件两端加余弦电压v=Vmcost

时，因特性的非线性，流过器件的电流必为非余弦，将其按傅里叶级数展开：则平均电导即为基波电流振幅与外加电压振幅之比：

意义：反映基波电流与外加电压间的依存关系。特点：其值是

VQ(或IQ)

的非线性函数。

应用：功放和振荡电路分析。③平均电导图0-2-2在大信号作用下的定义：当器件21二、非线性器件特性的控制变量控制变量不同，非线性器件的特性也不同，故分析时须注明它的控制变量。1．控制量不同，特性不同iv图0-2-1例1：二极管电压为控制量——电流对电压呈指数关系变化；电流为控制量——电压对电流呈对数关系变化。2．特性为非单调时——多值和负值二、非线性器件特性的控制变量控制变量不同，非线性器件的特22例2

：隧道二极管图0-2-3伏安特性曲线(1)控制变量电压：电流为单值电流：电压为多值

——压控非线性器件(2)直流电导

g0＞0，在曲线上任一点均为正。(3)交流电导

g(a,b)<0，即在

a、b

段为负电导。

器件特性的描述与控制变量有关，并可能出现负参数，尤其特性非单调变化时——非线性与线性器件的重要区别。例2：隧道二极管图0-2-3伏安特性曲线(1)控制变23三、不满足叠加定理若

i=f(v)，v=v1+v2则

i=f(v1+v2)

但i

f(v1)+f(v2)例

i=av2

v=v1+v2

注意，i中除体现两电压分别作用外，还包含两电压乘积项产生的响应电流。若v1=V1mcos1t，v2=V2mcos2t，则i中除出现1，2两分量外，还出现两电压乘积项产生的角频率为12的新频率分量。

出现新的频率成分

非线性电路可以实现频率加、减等更多电路功能。

三、不满足叠加定理若i=f(240.3

本课程的特点1．工程上采用近似分析法

非线性器件物理特性复杂，需要解非线性方程或时变系数的线性微分方程。

对策：对器件数学模型和电路工作条件进行合理近似，用近似分析方法获得具有实用意义的结果。2．功能与电路形式多对策：抓本质——功能再多也是借助器件的非线性；抓基本电路——种类虽多，但都是在为数不多的基本电路上发展起来的。3．重视实验环节，坚持理论联系实际0.3本课程的特点1．工程上采用近似分析法非线性器件25本书内容安排的三个层次：

①由电路功能的基本原理导出基本电路。

②合理近似，引出对电路的工程近似分析。③根据分析结果，提出对电路的设计原则及改进电路性能的基本途径。本书内容安排的三个层次：①由电路功能的基本原理导出基本电26第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.2功率放大器的电路组成和工作特性1.3乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术1.5整流与稳压电路第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.2功率27第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述

功率放大器

电源变换电路

功率器件第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述功率放大28将稳压源等效为一个电压源时的内阻。特点：其值是VQ(或IQ)的非线性函数。图1-2-1示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。电磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。ia=ib=ic/2当热源产生热量时，热源温度T2上升，向外部传输热量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。由携有信息的电信号(如音频信号)去控制高频振荡信号的某一参数(如振幅)，使该参数按照电信号的规律而变化(调幅)。VZ(6~8V)具有正温度系数，V(on)具有负温度系数。ia=-ib=Imsint，①PC非单调变化，两头小，中间大。VOVS(VREF不变)VC2=VB5VCESVO。晶体管手册中给出的PCM是在指定散热器尺寸和环境温度(Ta=25℃)时给出的数据。ia=ib=Imsint，实际可能发生负载短路，电流迅速增大等异常现象，造成功率管损坏。意义：反映基波电流与外加电压间的依存关系。①由电路功能的基本原理导出基本电路。VCC一定且Q在负载线中点时，欲提高输出信号功率，需增大Icm(减小RL)，但必须同时增大激励电流。优点：VO大，纹波小。①降低Q——合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子的静态损耗。第1章功率电子线路va=-vb=Vmsint1.1功率电子线路概述作用：高效地实现能量变换和控制。

种类：

(1)功率放大电路特点：放大用途：通信、音像等电子设备。

(2)电源变换电路特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。将稳压源等效为一个电压源时的内阻。1.1功率电子线路概述29

功率放大器特点：工作在大信号状态。一、功率放大器的性能要求①安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。②高效率。

C

——集电极效率(CollectorEfficiency)

Po

——输出信号功率；PD——电源提供的功率；

PC

——管耗

(PowerDissipation)/集电极耗散功率；

Po一定，C越高，PD越小PC小，既可选PCM小的管子，以降低费用，也节省能源。③失真小。功率放大器特点：工作在大信号状态。一、功率放大器的性能要求30尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。二、功率管的运用特点1．功率管的运用状态

根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。①甲类：功率管在一个周期内导通，c

=。②乙类：功率管仅在半个周期内导通，c

=/2。

③甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通，/2

c

。④丙类：功率管在小于半个周期内导通，c

/2。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。功率管的运用状态尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重31根据下列曲线说出功率管的应用状态：图1–1–1各种运用状态下的输出电流波形2．不同运用状态下的C管子的运用状态不同，相应的

Cmax也不同。

减小PC可提高

C。

根据下列曲线说出功率管的应用状态：图1–1–1各种运用状32假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和

vCE，则PC为讨论：若减少PC，则要减少iC

vCE

方法1：由甲类甲乙类乙类丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大iC=0)的时间。方法

2：管子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内半饱和半截止。饱和时，vCE

VCE(sat)

很小

PC

很小；截止时，iC

很小，iCvCE

也很小

PC

很小。

总之：为提高

C，管应用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施(见

1.2

节)。假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和vCE，则PC33

电源变换电路按变换方式不同：

(1)整流器(Rectifier)：交流电-直流电。应用：电子设备供电。

(2)直流-直流变换器(DC-DCConverter)：直流电-直流电。应用：开关电源。

(3)逆变器(Inverter)：直流电-交流电。应用：不间断电源、变频电源。

(4)

交流-交流变换器(AC-ACConverter)：交流电-交流电。应用：变压等。电源变换电路按变换方式不同：(1)整流器(R34

功率器件功率管的种类：(1)双极型功率晶体管(2)功率MOS管(3)绝缘栅双极型功率管

功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，需了解其极限参数及安全工作区。以双极型功率管为例，安全工作区受如下极限参数限制：①最大允许管耗PCM。与散热条件密切相关。②基极开路集-射反向击穿电压V(BR)CEO。③集电极最大允许电流ICM。以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。功率器件功率管的种类：功率管是功率放大电路的35一、功率管散热和相应的PCM

管耗PC主要消耗在集电结上，使结温升高。若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。热崩(ThermalRunaway)：

集电结结温(Tj)

iC

PC

Tj如此反复，直至Tj

TjM(集电结最高允许温度)而导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。提高PCM

的办法：一、功率管散热和相应的PCM管耗PC主要消耗在集电结36图1–1–4(a)、(b)

功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路①管子集电极直接固定在金属底座上。②金属底座与管壳相连。③金属底座还加装金属散热器。图1–1–4(a)、(b)功率管底座上加装散热器(c37各种散热片各种散热片38各种功率晶体管各种功率晶体管39Po——输出信号功率；由传输特性可见：只要VBB取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。方法1：由甲类甲乙类乙类丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大iC=0)的时间。2．不同运用状态下的C2非线性器件的基本特点意义：伏安特性曲线上任一点的斜率，或该点上增量电流与增量电压的比值。2．集电极输出电压和电流(假设VCE(sat)和ICEO为0)ic=ia-ib=2Imsint(4)交流-交流变换器(AC-ACConverter)：交流电-交流电。满足时，基准电压VREF的温度系数在0≤t≤时，iC2=0iC1=Icmsint二、单电源供电的互补推挽电路(OTL)对策：抓本质——功能再多也是借助器件的非线性；图1–2–6互补推挽图解分析②若充分激励：与RL相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。将稳压源等效为一个电压源时的内阻。va=-vb=Vmsint②乙类互补推挽功放。热传导过程T2为热源温度，T1为空气温度，P为传输的热功率，Rth为热阻，单位℃/W当热源产生热量时，热源温度T2上升，向外部传输热量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。T2不再变化。晶体管的热量传递RjcRcsPcRCaRsaTjTaPo——输出信号功率；热传导过程T2为热源温度，40因为R(th)cs+R(th)sa<<R(th)ca

所以Rth

R(th)jc+R(th)cs+R(th)ca

晶体管手册中给出的PCM是在指定散热器尺寸和环境温度(Ta=25℃)时给出的数据。具体数值可由下式确定因为R(th)cs+R(th)sa<<41二、二次击穿除PCM、ICM

和V(BR)CEO满足安全工作条件外，要保证功率管安全工作，还要求不发生二次击穿。

二次击穿(SecondaryBreakdown)：当集-射反向电压超过V(BR)CEO时，会引起击穿，但只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于V(BR)CEO后，管子可恢复正常工作。如果发生上述击穿，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。

后果：过热点的晶体熔化，集

-

射间形成低阻通道，引起vCE下降，iC

剧增，损坏功率管，且不可逆。

发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量PSB。二、二次击穿除PCM、ICM和V(BR)CEO满足42图1–1–5图计及二次击穿时功率管的安全工作区功率管的安全工作区图1–1–5图计及二次击穿时功率管的安全工作区功率管的安43第1章功率电子线路1.2

功率放大器的电路组成

和工作特性从一个例子讲起甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能第1章功率电子线路1.2功率放大器的电路组成

和44

从一个例子讲起图1–2–1图解分析(a)

图1-2-1示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。分析法应用等效电路法小信号图解法大信号幂级数法频率变换时变参量法混频电子线路分析方法从一个例子讲起图1–2–1图解分析(a)图1-245

功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的图解分析法。

1．Q点的选择为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输出功率最大，需把Q选在负载线的中点，即VCE(sat)

0图1–2–1图解分析功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作462．集电极输出电压和电流(假设VCE(sat)和ICEO为0)图1–2–1图解分析(b)其中，2．集电极输出电压和电流(假设VCE(sat473．PD(直流功率)、PL(负载功率)、PC

(管耗)PL

和PC

均由直流和交流两部分合成。例如：

PL中：直流功率交流功率

所以

3．PD(直流功率)、PL(负载功率)、PC(管耗484．讨论：(1)

电路组成上甲类功放

Cmax=25%

PD中，输出的信号功率Po仅占1/4，PD/2消耗在RL上。提高Cmax的办法：

①

降低

Q——合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子的静态损耗。

②

消除RL

上的直流功率——改进管外电路，使之不消耗直流功率。(2)工作特性上

VCC一定且Q

在负载线中点时，欲提高输出信号功率，需增大Icm(减小RL)，但必须同时增大激励电流。4．讨论：(1)电路组成上甲类功放Cmax=249图1–2–2RL变化对功率性能的影响①RL减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅，使Po减小；

②ICQ

增大，使PD增大，C降低。5．结论

(1)在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓消耗直流功率的结构。

(2)在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。图1–2–2RL变化对功率性能的影响①RL减小50甲类、乙类功率放大器的电路组成

及其功率性能

一、甲类变压器耦合功率放大器图1–2–3(a)原理电路1．电路(1)输入端

RB——偏置电阻；CB——旁路电容；Tr1——耦合变压器。(2)输出端

Tr2——耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用。2．电路分析(静态分析、动态分析、功率性能、管安全)甲类、乙类功率放大器的电路组成

及其功率性能一51(1)静态分析①画直流通路②画直流负载线直流负载线方程：vCE=VCC直流负载线：EF图1–2–4甲类变压器耦合功率放大器的图解分析③求Q点iB=IBQ，iC=ICQ，vCE=VCEQ=VCC(1)静态分析①画直流通路②画直流负载线图1–2–452(2)动态分析①画交流通路

②画交流负载线交流负载线方程：

过Q点作交流负载线MN，

③求动态范围甲类变压器耦合功放图解分析(2)动态分析①画交流通路②画交流负载线③求动态范53(3)功率性能

当输入充分激励，Q处在负载线中点时，忽略非线性失真，且设

VCE(sat)=0，ICEO=0，则相应的集电极电压和电流分别为：其中：Vcm=VCEQ=VCC比较：基本放大器电路，Vcm=VCC/2；变压器耦合电路，Vcm=VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大4倍。(3)功率性能当输入充分激励，Q处在负载线中点时，忽54功率参数计算：①②③④采用变压器耦合，Cmax将由0.25增大到0.5，即PD

的一半转换为Po。

若Q处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下，增大VCC，或减小，Po

均将增大，但最后受安全工作条件的限制。功率参数计算：①②③④采用变压器耦合，Cmax将由55(4)管安全图1–2–4图解分析如图1-2-4所示，加在集电极上的最大电压vCEmax=VCC+vcm

2VCC，通过集电极的最大电流iCmax=ICQ+Icm

2ICQ。当Po=0时，PD全部消耗在管子中，因而消耗在集电极上的最大功率PCmax=PD

。安全工作条件：(4)管安全图1–2–4图解分析如图1-2-4所56又，用Pomax表示，上述安全工作条件变为：≤≤V(BR)CEOICM/8≤PCM/2图1–1–5Pomax取二者较小的值。

此外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安全区内。二、乙类推挽功率放大器

乙类工作时，为在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的推挽(Push-Pull)电路。又，用Pomax表示，上述安全工作条件变为：≤≤V(B57实现方案：①变压器耦合推挽功放；②乙类互补推挽功放。1．变压器耦合功放(1)电路结构

Tr1：输入变压器，利用二次绕组的中心抽头将vi(t)分成两个幅值相等，极性相反的激励电压vi1

=-vi2，分别加在两管的基-射极之间，实现两管轮流导通。

Tr2：输出变压器，隔断iC1和iC2到负载的平均分量，并利用一次绕组的中心抽头将iC1和iC2中的基波分量在RL中叠加，输出正弦波。

T1和T2：特性配对、相同导电类型的NPN功率管。实现方案：1．变压器耦合功放(1)电路结构Tr1：输58图1–2–5(a)变压器耦合(2)工作原理vi1(t)>0时，T1导通(忽略射结压降)；vi2(t)<0，T2截止，iC1处于正半周的半个正弦波。vi2(t)>0时，T2导通；vi1(t)<0，

T1截止，iC2

处于的正弦波的负半周。iC1和iC2中的基波分量在RL

中叠加，输出完整正弦波。

图1–2–5(a)变压器耦合(2)工作原理vi1(592．互补推挽电路图1–2–5(b)互补推挽(1)电路特点T1

与T2：功率管互补配对(2)工作原理

vi(t)>0时，T1

管(NPN型)

导通(忽略射结压降)，T2

管(PNP型)截止，iC1(

iE1)为正弦波的正半周；

vi(t)<0时，T2

管导通，T1

管截止，iC2(iE2)为处于正弦波的负半周。通过RL的电流iL=iE1–iE2，合成完整的正弦波。

2．互补推挽电路图1–2–5(b)互补推挽(1)电路特点60小结：上述乙类功率放大器，为实现器件轮流导通：类型输入激励信号功率管管型管外电路变压器耦合极性相反对管，管型相同均避免了直流功率的损失互补推挽极性相同对管，管型不同小结：上述乙类功率放大器，为实现器件轮流导通：输入激励信号功613．乙类推挽功率放大器的性能分析

图1–2–6互补推挽图解分析(1)推挽电路的组合特性乙类推挽功率放大器的组合特性静态工作点：Vi>0，T1导通，负载线AQ过

Q点，斜率为-

1/RL；Vi<0，T2导通，负载线AQ

过

Q

点，斜率为-1/RL

。3．乙类推挽功率放大器的性能分析图1–2–6互补推挽图62(2)性能分析(忽略失真)①一般性能分析在0≤

t≤

时，iC2=0iC1=Icmsin

t≤

t≤2时，iC1=0iC2=Icmsin

t集

-

射极间电压：VCE1=VCC

-Vcmsin

t，VCE2=-

VCC

Vcmsin

t通过RL的电流：相应产生的电压：RL上的输出功率：PL=Po=VcmIcm/2=I2cmRL/2

正负电源总的直流功率：

PD=PD1+PD2=2VCCIC0=2VCCIcm/(2)性能分析(忽略失真)①一般性能分析在0≤63②若充分激励：与RL

相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。令VCE(sat)=0，ICEO=0，则Vcm=VCC，Icm=VCC/RL相应Po和PD

达到最大，即

乙类功放的最大集电极效率比甲类功放高③若激励不足

Vcm减小，引入电源电压利用系数

表示Vcm的减小程度。

②若充分激励：与RL相匹配的输入激励(不出现饱和失64定义

=Vcm/VCC集电极管耗：

分析：当输入激励由大减小，即

减小时，Po、PD、C均单调减小，而PC1和PC2的变化非单调，时最大，其值为定义=Vcm/VCC集电极管耗：分析65PD,CCmax(0.785)C图1–2–7

功放性能随

变化的特性：

小时，PD、Po、C小；

接近1时，PD、Po、C大。结论：

①

PC

非单调变化，两头小，中间大。

②

PD随(激励)线性增大，与甲类(不变)不同。PD,CCmax(0.785)C图1–2–7功66(3)

管安全由

增大VCC，减小RL，且输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列安全工作条件的限制：PC1max=PC2max=0.2Pomax<PCM取其中的小值

检查二次击穿。(3)管安全由增大VCC，减小RL，且输671.3

乙类推挽功率放大电路从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题：①交越失真——加偏置电路；②双电源——单电源供电；③互补管难配——准互补推挽电路；④安全——过载保护；⑤充分激励——输入激励电路。一、交越失真和偏置电路1．交越失真(CrossoverDistortion)

(1)定义

在零偏置条件下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现的失真，称交越失真。1.3乙类推挽功率放大电路从原理电路到实用电路，还需解决如68图1–3–2图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性交越失真图1–3–2图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性交69(2)解决途径图1–3–3加偏置的互补推挽电路及其传输特性输入端两管适当正偏，使其工作在甲乙类。

由传输特性可见：只要VBB取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。(2)解决途径图1–3–3加偏置的互补推挽电路及其传输70(3)常用电路①二极管偏置电路②VBE

倍增电路2．二极管偏置电路

在集成电路中，偏置二极管通常由晶体管取代，如图1-3-4(b)所示。或者用互补管T3、T4取代，如图1-3-4(c)所示。

图1-3-4二极管偏置电路(3)常用电路①二极管偏置电路②VBE倍增电路2．二71问题：偏置电路是否影响输入信号vi(t)的传输。

解答：二极管正向交流电阻很小，可认为交流短路。

图1-3-4二极管偏置电路问题：偏置电路是否影响输入信号vi(t)的传输。723．VBE

倍增电路图1–3–5VBE倍增偏置电路

(1)偏置电路

由T3、R1、R2

组成，且由电流源IR激励，为互补功率管T1、T2

提供偏置电压VBB。T3、R1

构成电压并联负反馈电路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。3．VBE倍增电路图1–3–5VBE倍增偏置电路73图1–3–5VBE倍增偏置电路(2)倍增原理式中，

VBE3=VTln(IE3/IS)VTln(IR/IS)上式表明：偏置电路提供的偏置电压VBB

是VBE3的倍增值，且其值受R1

和R2

控制，故称为VBE

倍增电路。

(3)热补偿

T↑→

ICQ↑→VBE3→VBB

→ICQ

图1–3–5VBE倍增偏置电路(2)倍增原理式中，74二、单电源供电的互补推挽电路(OTL)

图1–3–6

1．电路特点①单电源供电②负载串接大容量隔直电容CL。VCC与两管串接，若两管特性配对，则VO=VCC/2，CL等效为电压等于VCC/2的直流电源。2．工作原理

T1管的直流供电电压：VCC

VO=VCC/2，T2

的供电电压：0

VO=VCC/2。

单电源供电电路等效为VCC/2和VCC/2的双电源供电电路。二、单电源供电的互补推挽电路(OTL)图1–3–6175三、准互补推挽电路

1．问题的提出互补要求两功率管特性配对，难实现。2．解决办法

采用复合管取代互补管，构成准互补推挽电路。

3．电路

图1–3–7准互补推挽电路复合管T1、T2等效为NPN型管；T3与T4等效为PNP型管。

三、准互补推挽电路1．问题的提出互补要求两功率管特性配对，76三、准互补推挽电路

3．电路

复合管T1、T2等效为NPN型管；T3与T4等效为PNP型管。

其中，T1、T3

为小功率管，它们之间是互补的，T2、T4为大功率管，它们是同型，便于特性配对，故称为准互补推挽电路。R1，R2(几百欧姆)——减小复合管的反向饱和电流。

三、准互补推挽电路3．电路复合管T1、T2等效为77四、保护电路

1．必要性

实际可能发生负载短路，电流迅速增大等异常现象，造成功率管损坏。为了安全起见，应有过流、过压、过热保护。2．过流保护电路

(1)电路图1–3–8限流保护电路

T1、T2：保护管；R1、R2

：取样电阻。(2)原理以保护管T1

为例。四、保护电路1．必要性实际可能发生负载短路，电流迅速78四、保护电路2．过流保护电路

(1)电路

T1、T2：保护管；R1、R2：取样电阻。(2)原理以保护管T1

为例。

正常时，VR1不足以使T1导通，不起保护作用。异常时，VR1使T1导通，分流i1，限制T3

管的输出电流，起到了限流保护作用。T2

对T4的限流保护作用同上。四、保护电路2．过流保护电路(1)电路T1、T2：保79五、输入激励电路1．必要性

互补功放,功率管为射随器，Av<

1。若要求输出最大信号功率，则要求激励级提供振幅接近电源电压的推动电压(单电源为

VCC/2)。2．电路图1–3–9(a)未加自举电容的电路(b)输入激励级图解分析T3：输入激励级，

T3的直流负载R(忽略T1和

T2基极电流)，直流负载线为Ⅰ。五、输入激励电路1．必要性互补功放,功率管为射随器，80图1–3–9(a)未加自举电容的电路(b)输入激励级图解分析3．输出振幅交流负载rR//ri

<R,交流负载线如Ⅱ所示。故T3

管最大输出电压振幅减小，小于VCC/2。

若使r>R，则交流负载线如曲线Ⅲ所示，输出信号电压振幅可接近VCC/2。图1–3–9(a)未加自举电容的电路3．输出振幅交814．改进电路

①电流源构成有源负载放大器，直流电阻小，交流电阻大。②采用自举电路图1–3–9(c)加自举电容的电路R1，R2

，

C2，取代R。特点：交流电位由O经

C2自举到C点，即vC

vO。工作原理：Av

1，故

vB

vO

vC，通过

R2的交流电流

i0，因而从B点向虚线框看进去的交流电阻(vB/i)很大，趋于无穷，T3的交流负载电阻便近似等于T1(或T2)电路的输入电阻。4．改进电路①电流源构成有源负载放大器，直流电阻小，82第1章功率电子线路1.4功率合成技术用传输线变压器构成的魔T混合网络第1章功率电子线路1.4功率合成技术用传输线变83

功率合成技术就是将多个功率放大器的输出功率叠加起来，给负载提供足够大的输出功率。

一、功率合成A，B两端输入等值同相功率，C端负载Rc获得两输入功率的合成，而D端负载Rd上无功率输出。功率合成技术就是将多个功率放大器的输出功率叠加起来，给负84A，B两端输入等值同相功率，C端负载Rc获得两输入功率的合成，而D端负载Rd上无功率输出。A、B两输入端输入等值反相功率，D端负载Rd

获得两输入功率的合成，而C端负载Rc

上无功率输出。

A，B两端输入等值同相功率，C端负载Rc获得两输85二、彼此隔离

当Rd

和Rc

之间满足特定关系时，A、B两输入端彼此隔离。

二、彼此隔离当Rd和Rc之间满足特定关系时，A、86三、功率分配

当Ra=Rb

时，将功率放大器加在D端，功率放大器的输出功率均等地分配给Ra

和Rb，且它们之间是反相的，而C端无功率输出。

将功率放大器加C端，功率放大器的输出功率均等地分配给Ra和Rb，且它们之间是同相的，而D端无功率输出。三、功率分配当Ra=Rb时，将功率放大器加在D87一个理想的功率合成电路应该具有以下特点：①N个同类型的功率放大器，它们的输出振幅相等，通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输出功率的和。②与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离，任何一个功率放大器发生故障时，不影响其他放大器的功率输出。

实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组成，统称为魔T混合网络。在实际应用中，往往需要功率合成电路具有宽带特性，这种功率合成电路由传输线变压器构成。

一个理想的功率合成电路应该具有以下特点：①N个同88一、变压器和传输线的工作频带

高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的作用，其上限频率只能工作在几十兆赫，下限频率受激磁电感量的限制。

传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线，它的上限频率与导线长度l有关，l越小，上限频率fH越高。它的下限频率为零。一、变压器和传输线的工作频带高频变压器：由于线圈的漏感和89传输线变压器如图1–4–3所示。图1-4-3传输线变压器

设上限频率fH

对应的波长为

min

,取可以认为：

v1=v2=v，i1=i2=i

传输线变压器如图1–4–3所示。图1-4-3传输90二、传输线变压器的工作原理传输线变压器原理图如图1–4–4(a)所示。将传输线绕于磁环上便构成传输线变压器。传输线可以是同轴电缆、双绞线、或带状线，磁环一般是镍锌高磁导率的铁氧体。

二、传输线变压器的工作原理传输线变压器原理图如图1–91三、传输线变压器功能1．对称与不对称变换对称–不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号，如图1–4–6(a)所示。图1-4-6对称与不对称变压器(a)对称-不对称(b)不对称-对称三、传输线变压器功能1．对称与不对称变换对称–不92参见图1–4–4(b)，在高频时，传输线变压器以电磁能交替变换的传输方式传送能量。如图1–4–4(c)所示，在低频时，由于传输线绕在磁环上，1端和2端与3端和4端的短导线成为较大的电感线圈，避免了信号源和负载被短接，实现了倒相作用。能量通过传输线方式和磁耦合方式传送。参见图1–4–4(b)，在高频时，传输线变压器以电磁能93不对称–对称变换，将对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号，如图1–4–6(b)所示。(a)对称–不对称(b)不对称–对称不对称–对称变换，将对地不对称的单端输入信号转换为对942．阻抗变换器

传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结构的限制，通常只能实现特定的阻抗比的变换。4:1阻抗变换器如图1–4–7(a)所示，图中阻抗关系为2．阻抗变换器传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结95实现4:1的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为实现4:1的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为961:4阻抗变换器如图1–4–7(b)所示，图中阻抗关系为实现1:4的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为1:4阻抗变换器如图1–4–7(b)所示，图中阻97用传输线变压器构成的

魔T混合网络一、功率合成如图1-4-8所示，Tr1

为魔T混合网络，Tr2

为对称–不对称变换器。

输入信号接在A端和B端，根据节点方程

i=ia-id，i=id-ib

用传输线变压器构成的

魔T混合网络一、功率合成98i=ia-id，i=id-ib

求出

而ic=2i=ia-ib

i=ia-id，i=id-ib求出而99i=ia-id，i=id-ib

ic=2i=ia-ib

1．输入为等值反相信号ia=ib=Imsin

t，va=vb=Vmsin

t

因为

ic=0，所以C端无功率输出。

vd=va+vb=2Vmsin

t，i=ia-id，i=id-ibic=2100ia=ib=Imsin

t，va=vb=Vmsin

t

因为ic=0所以C端无功率输出。

vd=va+vb=2Vmsin

t，D端的输出功率输出功率为A端输入功率和B端输入功率的和。每个功率放大器的等效负载ia=ib=Imsint，va=vb1012．输入为等值同相信号ia=-ib=Imsin

t，

va=-vb=Vmsin

t

因为id=0所以D端无功率输出。

vc=va=-vb=Vmsin

t，

ic=ia-ib=2Imsin

tC端的输出功率输出功率为A端输入功率和B端输入功率的和。2．输入为等值同相信号ia=-ib=Imsin1022．输入为等值同相信号

ia=-ib=Imsin

t，

va=-vb=Vmsin

t

因为id=0，所以D端无功率输出。

vc=va=-vb=Vmsin

t，

ic=ia-ib=2Imsin

tC端的输出功率输出功率为A端输入功率和B端输入功率的和。每个功率放大器的等效负载2．输入为等值同相信号ia=-ib=Imsin1033．异常输入情况ia

ib，va

vb

根据电路的约束条件将代入并整理，求解出3．异常输入情况iaib，vavb104

若取ia仅与va

有关，ib

仅与vb

有关。实现了A端和B端的隔离，称为A、B间的隔离条件。

若取ia仅与va有关，ib仅与vb有关。实现105二、功率分配1．同相功率分配同相功率分配电路如图1–4–9(a)所示。

ic=2i，ia=i

-

id，ib=i+id，vd=idRd=iaRa

-ibRb整理得到二、功率分配1．同相功率分配同相功率分配电路如图1106图1–4–9功率分配电路(a)同相ic=2i，ia=i

-

id，ib=i+id，vd=idRd=iaRa

-

ibRb取Ra=Rb=R

则

id=0D端无功率输出。

ia=ib=ic

/2A端和B端获得等值同相功率。

C端的等效负载为R/2。图1–4–9功率分配电路ic=2i，ia=i107图1–4–9功率分配电路(b)反相2．反相功率分配反相功率分配电路如图1–4–9(b)所示。

同理可以证明：当Ra=Rb=R时ic=2i=0ia=ib=id

则ic=0C端无功率输出。

A端和B端获得等值反相功率。

D端的等效负载为R/2。图1–4–9功率分配电路2．反相功率分配反相功108第1章功率电子线路1.5整流与稳压电路整流电路串联型稳压器

开关型稳压器第1章功率电子线路1.5整流与稳压电路整流电路109

整流电路的功能是将电力网提供的交流电压变换为直流电压。稳压电路具有调节功能，将整流电路输出的不稳定直流电压转换为稳定的直流电压。整流电路

整流电路有半波、全波、桥式三种基本形式。

一、半波整流电路

半波整流电路如图1–5–1(a)所示。整流电路的功能是将电力网提供的交流电压变换为直流电压。稳110在图1–5–1(a)中，Tr—

电源变压器；D—

整流二极管；RL

—

负载电阻；CL—滤波电容。设v2=V2msin

t忽略二极管的导通电压，并设导通电阻为RD。

v2>vo二极管导通，电容充电。

v2<vo

二极管截止，电容放电。

动态平衡后，二极管电流iD=iO

是一串窄脉冲序列。

在图1–5–1(a)中，Tr—电源变压器；D—111如图1–5–2(a)所示，CL一定时，RL越小，纹波越大。

如图1–5–2(b)所示，RL一定时，CL越大，纹波越小。如图1–5–2(a)所示，CL一定时，RL越小，纹112参见图1–5–1(b)和图1–5–1(c)，经过RLCL的滤波，输出电压是直流电压VO和一个锯齿状波动电压的叠加。波动电压称为纹波电压。直流电压VO及纹波电压的大小与RL

和CL的数值有关。参见图1–5–1(b)和图1–5–1(c)，经过R113二、全波和桥式整流电路1．全波整流电路全波整流电路如图1–5–4(a)所示。

当v2>vO时，二极管导通，所以在v2

的正负半周D1

和D2

轮流导通。

稳态波形如图1–5–4(b)所示。二、全波和桥式整流电路1．全波整流电路全波整流电路114O由于电流脉冲的频率比半波整流提高一倍，输出的直流电流IO和输出电压VO比半波整流电路大，RL和CL的滤波作用提高，纹波电压比半波整流电路小。O由于电流脉冲的频率比半波整流提高一倍，输出的直流电流1152．桥式整流电路图1–5–5桥式整流电路及其电压和电流波形

如图1–5–5(a)所示，v2正峰值附近D1、D3导通，D2、D4截止。

v2

负峰值附近D2、D4

导通，D1、D3

截止。

2．桥式整流电路图1–5–5桥式整流电路及其电压和电116图1-5-5桥式整流电路及其电压和电流波形

IO与VO与全波整流电路相同，但截止时的反向电压由两只二极管共同承担。电压和电流的波形如图1–5–5(d)、(e)、(f)所示。

图1-5-5桥式整流电路及其电压和电流波形IO117三、三种整流电路的性能1．半波整流电路优点：元件少，电路简单。缺点：VO小，纹波大。

2．全波整流电路优点：VO大，纹波小。缺点：二极管承受的反向电压高。

3．桥式整流电路

优点：VO

大，纹波小，输出功率相同时，变压器的伏安容量比全波整流小。

缺点：二极管数量多。三、三种整流电路的性能1．半波整流电路优点：元件118四、倍压整流电路倍压整流电路如图1–5–9所示。适用于VO

大，IO

小的场合。

动态平衡后，v2

正峰值附近D1

导通，向CL1

充电，充电电压vO1，v2

负峰值附近D2

导通，向CL2

充电，充电电压vO2。负载RL

上的电压为半波整流电路的两倍。

同样原理可以构成多次倍压电路。四、倍压整流电路倍压整流电路如图1–5–9所示。适用119串联型稳压器一、工作原理1．组成串联型稳压器的组成如图1-5-12(a)所示。图1-5-12(a)串联稳压电路的组成方框图

串联型稳压器组成：调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器。

调整管——功率管或复合管与负载串联。

比较放大器——单管放大器、差分放大器、集成运放等。串联型稳压器一、工作原理1．组成串联型稳压器的组成120

串联型稳压器组成：调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器。调整管——功率管或复合管与负载串联。比较放大器——单管放大器、差分放大器、集成运放等。图1-5-12(a)串联稳压电路的组成方框图

基准电压源——温度系数很小的电压源电路。

比较放大器——单管放大器、差分放大器、集成运放等。串联型稳压器组成：调整管、取样电路、基准电压源和比较放大121串联型稳压器的工作原理如图1–5–12(b)所示。T5—调整管，工作在放大区。

VB5

VCE5

。

R1、R2取样电路。取样电压

基准电压VREF

由T1、T2

组成的差分放大器作为比较放大器，T3、T4

为有源负载。

串联型稳压器的工作原理如图1–5–12(b)所示。122当VS=VREF

VO=VI-VCE5=VREF/n

若VI

或RL

变化使VO

增加VO

VS

(VREF

不变)