电子线路非线性部分第五版第一章功率放大器

1、第 一 章,功率电子线路,1.1 概述 功率电子线路是采用功率电子器件实现能量变换和控制功能的电路。 功率电子线路分为功率放大电路和电源变换电路； 功率放大电路是在输入信号作用下,把直流能量转换成交流输出功率的放大电路； 电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电路。,1.1.1 功率放大器,功率放大器与小信号放大器的区别： 小信号放大的是电压或者电流，对输出功率无要求。 功率放大器的要求是，在安全工作条件下，高效率，小失真，输出尽可能大的功率。 集电极效率 PO 信号输出功率，PD 直流功率，功耗 PC ， PO 相同，PC越小，C 越大。 大信号运用电路，放大管特性非线性引起失真比小信号

2、放大器大，减小非线性失真必须认真考虑。,按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙类和丙类等。集电极效率甲类最低，丙类最高。,1.1.2 电源变换电路,将电源能量进行特定方式的变换 AC-DC：把交流电变成直流电 整流器； DC-DC：把一种数值的直流电变成另一种数值或者极性的直流电 斩波器； DC-AC：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电 逆变器； AC-AC：把50Hz交流电变成不同幅值，频率的交流电 变换器； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的效率。,1.1.3 功率器件,大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同 比如功率晶体管发射极面积较大，较低，ICBO较 大，V(BR

3、)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相连，便于安装散热器。 一、散热 热阻与温度的关系T2-T1=RTHP 集电极最大耗散功率PCM =(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca R(th)jc为结与底座的热阻， R(th)ca为管壳与周围环境的热阻,加散热器后的总电阻 Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa,二、二次击穿 集电极电压超过V(BR)CEO而引起的击穿，只要限制击穿电流，是可逆的。而如果不限制电流，可能出现集电极电压迅速减小，电流急剧增大的现象，这种由高压小电流迅速转移为低压大电流的现象就是二次击穿，而且不

4、可逆。,双扩散MOS管(Double-diffused MOSFET)，它可承受的电流高达数百安，电压高达几百伏，甚至上千伏。,三、器件,绝缘栅双极型功率管（IGBT） 与双扩散MOS管相比， IGBT仅在高掺杂N+区与金属漏极之间插入一层高掺杂的P+区，与作为MOS管衬底的P+区之间夹着N区，形成两个PN结，构成PNP型晶体三极管，这个晶体三极管与MOS管共同组成组合管。,1.2 功率放大器的电路组成和工作特性,性能分析时，器件采用大信号模型。工程上，采用图解分析。,1.2.1 从一个例子讲起,iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce = V

5、CEQ Vcm sint,Vcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / RL,PL中交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相应的最大集电极效率,1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能,= n2RL,一、甲类变压器耦合功率放大电路,直流负载线是自vCE=VCC出发的垂直线EF 直流负载线与iB=IBQ交点即为静态工作点Q。,交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率为-1/,性能分析 iC = ICQ+Icmsint vCE = VCEQ-Vcmsint， Vcm=IcmRL 输出信号功率： 直流功率： P

6、D= VCCICQ 集电极管耗： PC = = PD-Po 集电极效率：,PD一定时，要使输出信号功率最大，应使Q点正好在有效交流负载线的中点，即 Vcm = VCC-VCE(sat) ， Icm = ICQ-ICEO 。 若忽略VCE(sat），ICEO，则有 Vcm=VCC，Icm=ICQ ， Pomax=1/2 VCCICQ ，cmax =50% 。 当Q点选定后，在充分激励情况下，仅有一个交流负载值，能输出最大信号功率，其交流负载线的中点必定通过Q点。,vCEmax= 2VCCV (BR)CEO VCC V (BR)CEO/2 iCmax = 2ICQI CM ICQ I CM /2

7、PCmax= PDP CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全区。,安全工作条件,二、乙类推挽功率放大电路,变压器耦合电路,互补推挽电路,电路介绍,两管配对，无信号时，截止，输出为0。加信号vi = Vimsint，两管轮流导通。正半周， T1导通， T2截止， iE1 iC1；负半周， T1截止，T2导通， iE2 iC2。负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。,工作原理,假设T1和T2完全配对，ICEO和VBE(ON)均为零。管子导通时，交流负载为RL ，交流负载线为从电源出发，斜率为-1/RL的直线。管子截止时交流负载线为与横轴重合的水平线。,性能分析,输入为正弦

8、信号的推挽式乙类功放，在最大不失真条件下两管轮流导通，集电极电流在信号的不同半周为正弦波，另半周为零。 通过负载RL的电流 iL ic1-ic2= Icmsint 相应产生的电压 vL Vcmsint = RLIcmsint,负载功率： PL =Po = VcmIcm /2 电源提供的总功率： PD = PD1PD2 =2VCCIC0 = 2VCCIcm/ 令电源电压利用系数为： 集电极效率CPo /PD (/4) 单管集电极功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2/- /2)Pomax =2/0.636 PCmax 0.2Pomax,注意：在乙类推挽功率放大器中，PC的最大值既

9、不出现在=0即静止状态，也不出现在=1即最大输出状态。因为小时，虽然Po小，但PD也小，结果PC小；反之，接近1时，虽然PD大，但 也高。PD中大部分转化为Po，结果PC也较小。 安全工作的条件： vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax= Icm VCC/RL ICM PC1max = PC2max = 0.2 PLomax PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区,1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路,一、交叉失真和偏置电路 1.交叉失真 由于导通电压的影响，电路传输特性的起始段弯曲，因此两管合成的传输特性在零点附近出现非线性，在输入正弦波激励下，输出合成电压波形将在衔

10、接处出现严重失真，这就是交叉失真或者交越失真。加偏置可以克服失真。,VBB=2 VTIn(IR/IS),2. 二极管偏置电路,VBE3 = VTln(IC3/IS) VTln(IR/IS) VBB = VBE3(1+R1/R2) 通过改变R1和R2， 可提供需要的 VBB,3. VBE倍增偏置电路,如果使用单电源供电，必须在公共负载端串接大容量电容 CL。CL可以充当VCC /2的直流电源作用。,二、 单电源供电的互补推挽电路,复合管取代互补管， T1 、T3为小功率管， T2 、T4为大功率管， T1 、 T2等 效为一个NPN管，T3 、T4等 效为一个PNP管。 复合管类型取决第一只管的

11、 类型。这样的配对更容易实现。,三 、准互补推挽电路,四、保护电路 保护电路有过流，过压和过热之分。,过流保护电路,五、输入激励电路,1.3 集成功率放大器,1.3.1 LM380集成功率放大器,T1T6管为输入级，其中，T1、T3和T2、T4管接成共集共射组合差分放大电路。T5、T6为镜象电流源，作为有源负载，R3为发射极反馈电阻。差放中T3管的静态电流ICQ3（IEQ3）由 VCC通过T10管和R1设定，T4管的静态电流ICQ4（IEQ4）由输出静态电位VOQ通过反馈电阻R2设定。,1.3.2 功率运算放大器,在集成运放输出端接入T1T4管组成的互补推挽功率放大器。T5、T6管为电流自举电

12、路，当T3（或T4）管电流iC3（或iC4）增大到R3（或R4）上的压降导致T5（或T6）管导通时，RL上便附加T5（或T6）管的输出电流。,1.3.3 MOS管集成功率放大器,T8、T9互补推挽输出级，由T10、T12和T11 、 T13推动；T7，R7， R8偏置电路，克服交越失真；IR，T6，R6共源放大器，推动两个双极型互补推挽电路；T14 ，T15和D6,，D7为T8 ，T9的过流保护电路；R9过流取样电路。,PA04集成MOS功率放大器的输出级电路。,1.3.4 桥式功率放大器,A1同相，A2反相， 悬浮负载RL上的电压幅度为单个放大器的两倍,接成桥路后，合成的输出功率为单个放大器

13、的四倍。,1.3.5 集成Class D音频功率放大器,Class D类功放采用了脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)，用模拟音频信号调制一系列矩形脉冲的宽度，使该等幅脉冲信号的宽度随模拟音频信号幅度大小而变化。因此，脉冲信号的宽度中包含了模拟音频信号。用该脉冲信号驱动输出功率级，产生信号，最后采用低通滤波器还原出音频信号。所以，输出功率管完全工作在开关状态，获得高效率。,Class D音频功放主要由比较器，三角波发生器，功率放大器和LC低通滤波器等组成。,采用桥式输出可增加Class D功放的输出功率，只是需要产生两路互补PWM信号以驱动桥式输出功率级。在互补P

14、WM信号激励下，T1、T4和T2、T3交错导通，输出功率增加到4倍。,1.4 功率合成技术,功率合成是实现多个功率放大器联合工作的技术。 A、B为功率提供端，C、D为功率合成端。C为同相合成端，D为反相合成端，在一端合成功率输出时，另一端无功率输出。 当Rd和Rc之间满足特定关系时，A、B两输入端彼此隔离。 功率合成电路也可实现功率分配的功能。,1.4.1 功率合成电路的作用,一、变压器和传输线的工作频带 上限频率主要受绕组电感和匝间分布电容限制，下限频率主要受到有限激磁电感量限制。传输线有极宽的工作频带和很高的上限频率。 传输线指连接信号源和负载的两根导线。低频工作，信号波长远大于导线长度时

15、，传输线为两根普通的连接线，下限频率为零。高频工作，信号波长与导线长度可比拟时，两导线上的固有分布电感和线间分布电容的影响不能忽略。,1.4.2 传输线变压器,二、传输线变压器的工作原理,在上限频率范围内,1：1倒相,对称（平衡）与不对称（不平衡）的转换,三、传输线变压器功能,阻抗变换器,4：1,1：4,Tr1魔T混合网络，Tr2 对称一不对称变换器。Tr1两绕组上电压等于 vd/2,1.4.3 用传输线变压器构成的魔T混合网络,i = iaid ， i = idib,id = （ia+ib）,ic = 2i = iaib,一、功率合成,i = （ iaib）,ia = ib 反相输入,(2)

16、 ia =-ib 同相输入,id = （ia+ib）,ic = 2i = iaib,分三种情况,ic =0,id = ia = ib,Pd=Pa+Pb,C端无输出，D端合成,va = vb =vd/2,输入为正弦波,Pc=Pa+Pb,id =0,ic =2ia =2ib,D端无输出，C端合成,vd=0,（3）ia ib，va vb,v = vd/2，vd = idRd， vc = icRc， ic =2i,va = v + vc = idRd+2iRc ， vb = v - vc = idRd-2iRc,只要,负载均为,极端情况若 等同,ib =0,Pc=Pd=Pa/2,二、功率分配,同相功率

17、分配,反相功率分配,三、另一种混合网络,由两个11传输线变压器组成,实例,宽带功率合成,1.5 整流电路,整流电路将电力网提供的频率为50Hz的交流电压变换为直流电压（或电流）。 根据电路中采用的整流器件不同，下面按二极管整流电路、三极管整流电路和可控整流电路介绍,1.5.1 二极管整流电路 二极管整流电路按半波、全波、桥式三种介绍,Tr电源变压器，D整流二极管， RL负载， CL滤波电容。,工作原理：二极管上电压为（v2-v0），大于零D导通，给CL充电，充电时间常数RDC；小于零D截止，CL放电，放电时间常数RLC。 RDRL，充电快放电慢，电容上电荷积累。随v0增长，充电时间短，放电时间

18、长，达到平衡时，v0在均值VO上下做等幅波动。VO为输出整流电压，波动为纹波。,一、半波整流电路,纹波大小取决于CL和RL的大小，当增大CL或RL时，由于减慢了CL通过RL的放电速度，从而减小了CL的泄放电荷量，因而达到动态平衡时CL的充电电荷量也就必须相应减小，结果是D的导通时间减小，Vo增大，纹波电压减小。,由两个半波整流电路组成，在每个输入信号周期内，CL经历两次充放电过程。通过RLCL电路的电流io在每个输入信号周期出现两个同极性电流脉冲，叠加在VO上纹波电压频率加倍，滤波能力加强，纹波电压比半波整流电路小。,二、全波和桥式整流电路,全波整流,截止时最大反向电压由两管共同承担，降低了对

19、整流二极管的要求，电源变压器不需要中心抽头。,桥式整流,三、倍压整流电路,二倍压,三倍压,1.5.2 三极管整流电路,1.5.3 可控整流电路,晶闸管又名可控硅,结构,电路符号,等效电路,iA= iE1 = iC1+ iC2 iK= iE2 = iA+ iG iC1=a1 iA+I CBO1 iC2 = a2 ik+I CBO2 iA= a1 iA+ a2 ik+I CBO I CBO = I CBO1 +I CBO2,1、vAK0，iG=0，正向截止； 2、vAK0 ，iG 0，正向导通； 3、 vAK0 ，反向截止；,半波可控整流电路,1.6 稳压电路,为获得稳定的直流电压，整流器后面一般

20、都加接直流稳压电路。 直流稳压电路分为并联型，串联型和开关型三种。 并联型稳压电路是由稳压二极管构成的稳压电路，简单但稳压性能差。 串联型稳压电路，除传统结构电路外，还介绍目前应用较广的低压差线性稳压电路。 开关型稳压电路是一种非线性电路，电路中的主要器件工作于开关状态，从而获得更高的效率。,1.6.1 串联稳压电路,原理电路,组成框图,基准电压源电路,T16、T17为调整管。 T15 ，D2和R11, R12, R13 构成调整管的过压过 流保护电路。 T14为 过热保护管。而T12， T13， D1， R4 R7和 R18构成稳压器的启 动电压。 T1T7基准电压源电兼作比较放大器； R19，R2