《模拟电子线路》第6章-杨凌.ppt

1、杨 凌, 模 拟 电 子 线 路 第6章,第6章 低频功率放大器,6.0 引言 多级放大器常用来给负载提供大的功率.例如,为扬声器之 类的小负载电阻输送很大的电流,或为开关电源之类的大负载 电阻传送很大的电压.前几章所讨论的放大器主要用于增强电 压幅度或电流幅度,因而相应地称为电压放大器或电流放大器. 本章将分析为负载传送一定功率的电路功率放大器.对功率 放大器的主要要求是:在一定的不失真(或失真较小)的前提下, 将交流信号功率有效地传送给负载.因此,我们将关注晶体管的 管耗问题.,6.1 功率放大电路的一般问题,一、功率放大器的主要研究对象 1、 Po 晶体管往往在接近极限运用状态下工作.

2、2、,3、THD THD与Po是相矛盾的. 4 、功放管的散热问题 5 、功率管的保护问题,Po = (61) PD,二、功率放大电路的分类,6.1 功率放大电路的一般问题,功率放大电路是根据输出级晶体管的导通时间进行分类 的.低频功率放大电路有三种基本类型:甲类、乙类、甲乙类. 图5.1给出了输入为正弦信号时,各类功率放大器的输出情况.,图 6.1 (a) 甲类 晶体管的导通角=360o,图 6.1 (b) 乙类 晶体管的导通角=180o,6.1 功率放大电路的一般问题,图 6.1 (c) 甲乙类 晶体管的导通角 180o 360o,三、功率放大电路提高效率的主要途径 晶体管的静态电流是造成

3、管耗的主要因素,所以是影响功 率放大电路效率的主要原因.可以证明:即使在理想情况下,甲类 功放的最高效率只有50%.提高功放效率的一个基本思路是将Q 点下移.,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),一、电路组成,1、Po 与Pom,Vom Vom Po=Vo Io= 2 2 RL,1 Vom2 = 2 RL,1 Vcem2 1 VCC2 Po= = 2 2 RL 2 RL,Vcem (62) VCC,二、工作原理,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),图 6.3,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),1 VCC2 Pom= (6-3) 2 RL,2. 与ma

4、x,1 2 2 VCC2 PD = VCCIcmsin t dt = VCCIcm= RL, 0,Po = = (64) PD 4,Pom m= = 78.5% (65) PD 4,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),三、功率BJT的选择 1、PTm与Pom的关系,dPT1 =0 d ,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),PD=Po+2PT1,图 6.4,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),2、功率BJT的选择,(1) PCM PT1m 0.2 Pom (2) V(BR)CEO 2VCC (3) ICM VCC/RL,【例6-1】功放电路如图6.2所示

5、,设VCC=12V,RL=8,三极管 的极限参数为ICM=2A, V(BR)CEO=30V, PCM=5W. 试求: (1)最大输出功率Pom值,并检验所给三极管是否能安全工作? (2)放大电路在=0.6时的输出功率Po值,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),四、交越失真 图6.2所示电路中,由于没有直流偏置,当vi=0时,VT1,VT2, 因此实际输出vo=0;设两管的发射极开启电压为0.6V,则当0.6V vi0.6V时,依然有VT1,VT2, vo=0.可见,输出波形在零点,课堂练习,【参考答案】 (1) Pom=9W, ICM=1.5A, PTm=1.8W;VCEM=24

6、V (2) Po5.3W.,6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL),附近产生了失真,这种失真是由于晶体管的死区电压所造成的,称为交越失真,如图6.5所示.,6.3 甲乙类互补对称功率放大电路,为了克服交越失真,当vi=0时(静态时),给VT1,VT2一个适当的偏置电压,使之处于微导通状态.从而让电路工作在甲乙类状态. 一、甲乙类双电源互补对称功放,6.3 甲乙类互补对称功率放大电路,图6.6电路中偏置方法的缺点是,偏置电压不易调整.图6.7电路则可提供比较灵活的偏置电压,在集成电路中经常用到.图6.7中所用到的偏置电路称为VBE扩大电路. 在图6.7中,若忽略VT4的基极电流,则有:

7、,VBE4 IR2= = IR1 R2,R1 VCE4= IR2(R1+ R2) =VBE4 ( 1+ ) R2,二、使用Darlington管的甲乙类互补对称功放,6.3 甲乙类互补对称功率放大电路,互补对称推挽输出级使用PNP和NPN型晶体管. 在IC设计中,PNP型晶体管常为横向结构,值的范围只有510. NPN型晶体管为纵向结构,值为200左右.可见,NPN管和PNP管不能很好地匹配,所以,输出级采用达林顿管.,6.3 甲乙类互补对称功率放大电路,三、甲乙类单电源互补对称功放(OTL),图 6.9 OTL (Output Transformerless ),(b),6.3 甲乙类互补对

8、称功率放大电路,静态时,VK=VCC/2.,1 C(510) 2fLRL,1 VCC2 Pom= (67) 8 RL,6.4 桥式功率放大电路,VT1,VT2,vi,RL,+VCC,vo,+,+,图 6.10 BTL (Balanced Transformerless ),VT3,VT4,1 VCC2 Pom= 2 RL,6.5 集成功率放大器,随着线性集成电路的发展,集成功率放大器的应用也日益广泛.,VCC 12V 50V Pom=150W,一、 SHM1150型集成功放,6.5 集成功率放大器,6.5 集成功率放大器,二、 集成音频功放LM386,图 6.12,6.6 功率器件,一、功率B

9、JT,1、功率BJT的散热问题 在功率放大器中,晶体管在给负载输送功率的同时,自己也要消耗一部分功率.晶体管消耗的功率直接表现在其结温升高,当结温升高到一定程度,就会烧坏管子,因而输出功率受,图 6.13,6.6 功率器件,到管子允许的PCM的限制.值得注意的是,管子允许的功耗与管 子的散热情况密切相关.如果采取适当的散热措施,就有可能 充分发挥管子的潜力,增加功率管的输出功率. 表征散热能力的重要参数 热阻RT 热的传导路径,称为热路.阻碍热传导的阻力称为热阻. RT ( oC/W oC/mW ) RT PCM RT PCM (2) 功率BJT的散热等效热路,RT RTj +RTc +RTf

10、 (68),0.13 oC/W,6.6 功率器件,图 6.14,(a),(b),(c),6.6 功率器件,(3) 功率BJT的散热计算 TjTa= RT PCM (69),最高允许结温,环境温度,RTPCM, Ta PCM ,【例6-2】 设一功率三极管的集电结到管壳的热阻RTj=4oC/W,散热 片与周围空气的热阻 RTf=5oC/W, 在管壳与散热片间, 利用,6.6 功率器件,0.2mm厚云母垫片进行装配,因此在管壳与散热片之间引 入的热阻为RTc=1oC/W, 如果在VCE=10V时,流过功率三极管 的 平均电流IC=1A,试求当环境温度Ta=25oC时,三极管的集电 结结温Tj,管壳

11、温度Tc和散热片温度Tf.设三极管发射结的功耗 可忽略. 【参考答案】 Tj=125oC, Tc=85oC, Tf=75oC 二、二次击穿,6.6 功率器件,1、二次击穿现象 功率管在实际应用中,常发现功耗并未超额,管子也不发烫,但却突然失效,这种损坏不少是由于“二次击穿”所致.,6.6 功率器件,产生二次击穿的机理目前尚不完全清楚.一般说来,二次 击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应.其 物理过程多数认为是由于流过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.这与BJT的 制造工艺有关. 2、BJT的安全工作区,V 80% V(BR)CEO I 80

12、% ICM P 50%PCM T (70% 80%) Tj,6.6 功率器件,二、功率MOSFET,与BJT相比,VMOS器件有以下优点: 1、功率增益高; 2 、增益稳定性好; 3 、温度稳定性高,不会产生二次击穿; 4 、开关速度快,可用于高频电路或开关式稳压电源等.,章末总结与习题讨论,一、本章小节 1 、熟悉对功率放大电路的一般研究问题,掌握功率放大电路的图解分析法,理解提高功率放大电路效率的主要思想; 2 、掌握乙类功率放大电路的电路组成及工作原理(包括各项指标的分析),理解产生交越失真的原因; 3 、熟悉VBE扩大电路及甲乙类功放的电路结构(包括达林顿管功放). 4 、注意双电源供

13、电的功放与单电源供电的功放的区别. 二、例题讨论,章末总结与习题讨论,【例6-3】 电路如图6.19所示,设输入电压vi为正弦 波,由VT3管 组成的放大电路的增益vC3/vB3=16,射极输出器的电压增 益为1,试计算当输入电压有效 值Vi=1V时,电路的输出功率 Po、电源供给的功率PD、两 管的管耗PT以及效率. 【解】,Vo2 (16Vi )2 Po= = =16W RL RL,章末总结与习题讨论,PT =PDPo=21.6-16=5.6W,Po 16 = 100%= 100%74.1% PD 21.6,【例6-4】单电源供电的OTL电路如图6.20所示,假定负载为8, 要求最大输出功

14、率Pom=10W,试问(1)电源电压VCC?,2 VCC2 2 VCC2 Vom 2 VCCVom PD = = = RL RL VCC RL,章末总结与习题讨论,(2)电源供给的功率PD=? (3)管子的击穿电压V(BR)CEO? (4)管子的允许功耗PCM ? (5)放大器转换能量的效率 =? (6)电容C2承受的直流电压为多少? (7)若要求由C2引入的下限频率 fL2=10Hz,问C2应选多大的值?,(8)若输出产生交越失真,应调节什么元件?如何调?,章末总结与习题讨论,【解】(1),1 VCC2 Pom= 8 RL,(2),取 VCC=28V,2 (VCC /2)Vom 2 (28/

15、2)12.65 PD= = 14.1W RL 3.14 8,(3) V(BR)CEO VCC 取 V(BR)CEO=40V,(4) PCM 0.2Pom = 0.210=2W,章末总结与习题讨论,(5),Pom 10 = 100%= 100%71% PD 14.1,(6) 电容C2承受的直流电压为,VCC VC2= =14V 2,1 fL2= =10Hz 2RL C2,(7),1 1 C2= = 1989F 2RL fL2 23.14810,(8) 若输出产生交越失真,应调节R2, 将R2调大.,图 6.21,章末总结与习题讨论,【例6-5】 P165 题【6-8】,章末总结与习题讨论,【解】(1) 输出功率为:,1 VCC2 1 122 Poc= = =9W 2 RL 2 8,其中:,负载功率为: Po= PocT =90.8=7.2W,电源提供的功率为:,2 VCC2 2 122 PD= = =1