电子线路 非线性部分(第五版)冯军 谢嘉奎 绪论和第一章课件.ppt

1、绪论,0.1非线性电子线路的作用,0.2非线性器件的基本特点,0.3本课程的特点,0.1非线性电子线路的作用,一、线性电子电路与非线性电子电路,电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：,线性电路：对信号进行处理时，尽量使用器件特性的线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。,非线性电路：对信号进行处理时，使用了器件特性的非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功能。,器件特性与使用条件密切相关，例如：,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

2、。,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,2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, 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。, 发射机：,无线通信系统

3、的组成, 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。, 接收天线：,高频电振荡,电信号, 接收机：,将从空间接收的电磁波 高频电振荡。, 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。,表 1各波段特点,图 0-1-2无线电波传播方式,传播距离：电离层 地面 直线,3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

4、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)。,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, 减小天线的尺寸。 音频范围：20 Hz 20 kHz，若发射 100 Hz，波长 = c /f = 3 000 km，天线至少几百千米。需减少波长，提高发

5、射频率。, 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。,5调幅发射机组成,图 0-1-3调幅广播发射机的组成,调幅广播发射机的组成,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。,6

6、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,(1) 高频放大器,为小信号谐振放大器，作用：, 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。, 放大。放大选出的有用信号。,(2) 混频器,两路输入为：, 由高放级：已调信号 fc 。, 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。,(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

7、定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。,(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。,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。,7其他通信系统, 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。, 数字通信系统，调制

8、信号为数字信号，相应的调制为数字调制。, 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。,(2)本课程讨论的内容三类电路, 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。, 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。, 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

9、电路、混频电路和倍频电路。,本课程将顺序学习这三类电路。,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：, 直流参数,适用于直流分析, 交流参数,适用于频率变换电路的分析, 平均参数,适用于功率放大和振荡电路的分析,例：非线性电阻：, 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。, 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

10、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。, 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 = Vmcos t 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。,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,例 1：二极管,电压为控制量电流对电压呈指数关系变化；

11、,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,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。,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

12、分别作用外，还包含两电压乘积项产生的响应电流。若 v1 = V1mcos 1t， v2 = V2mcos 2t ，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 1 2 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。,0.3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。,

13、3重视实验环节，坚持理论联系实际,本书内容安排的三个层次：, 由电路功能的基本原理导出基本电路。, 合理近似，引出对电路的工程近似分析。, 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。,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,1.1.1功率放大器,1.1.2电源变换电路,1.1.3功率器件,1.1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。

14、,(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。,1.1.1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, 安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。, 高效率。,C 集电极效率(Collector Efficiency),Po 输出信号功率 ；PD 电源提供的功率；,PC 管耗 (Power Dissipation)/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。, 失真小。,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

15、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。, 甲类：功率管在一个周期内导通 ，c = 。, 乙类：功率管仅在半个周期内导通，c = /2。, 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通， /2 c 。, 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,根据下列曲线说出功率管的应用状态：,图 111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。,假设集电极瞬时电流和电压分别为 i

16、C 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，iC vCE 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)。,1.1.2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

17、流变换器(DC-DC Converter)：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-AC Converter)：交流电-交流电。 应用：变压等。,1.1.3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：, 最大允许管耗 PCM。与散热条件密切相关。 基极开路集 - 射反向击穿电压 V(BR)CEO 。 集

18、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。,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(Thermal Runaway)：,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：,图 114(a)、

19、(b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路, 管子集电极直接固定在金属底座上。, 金属底座与管壳相连。 金属底座还加装金属散热器。,各种散热片,各种功率晶体管,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,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

20、)时给出的数据。具体数值可由下式确定,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(Secondary Breakdown)：,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

21、压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量 PSB。,图 115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,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,1.2.1从一个例子讲起,1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能,1.2.1从一个例子讲起,图 121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。,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。,1Q 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

22、把 Q 选在负载线的中点，即,VCE(sat) 0,图 121图解分析,2集电极输出电压和电流(假设 VCE(sat) 和 ICEO 为 0),图 121图解分析(b),其中，,3PD (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,4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：, 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。, 消除 RL 上的直流功率改进管外电

23、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。,图 122RL 变化对功率性能的影响, RL 减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅，使 Po 减小；, ICQ 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。,1.2.2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 123(a)原理

24、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),(1)静态分析, 画直流通路, 画直流负载线 直流负载线方程： vCE = VCC 直流负载线：EF,图 124甲类变压器耦合功率放大器的图解分析, 求 Q 点 iB = IBQ， iC = ICQ， vCE = VCEQ = VCC,(2)动态分析, 画交流通路, 画交流负载线 交流负载线方程： 过 Q 点作交流负载线 MN，, 求动态范围,甲类变压器耦合功放图解分析,(3)功率性能,当

25、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。,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。,(4)管安全,图 124图解分析,如图 1-2-4 所示，加在集电

26、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：,又，,用 Pomax 表示，上述安全工作条件变为：, V(BR)CEOICM/8 PCM/2,图 115,Pomax 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。,实现方案： 变压器耦合推挽功放； 乙

27、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。,图 125(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

28、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。,2互补推挽电路,图 125(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。,小结：上述乙类功率放大

29、器，为实现器件轮流导通：,3乙类推挽功率放大器的性能分析,图 126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 。,(2) 性能分析(忽略失真), 一般性能分析,在 0 t 时，iC2 = 0 iC1 = Icmsin t, t 2 时，iC1 = 0 iC2 = Icmsin t,集 - 射极间电压： VCE1 = VCC - Vcmsin t，VCE2 = - VCC Vcmsin t,通过 RL 的电流

30、：,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/, 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, 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。,定义 = Vcm/VCC,集电极管耗：,分析：当输入激励由大减小，即 减小时，

31、Po、PD、C 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调， 时最大，其值为,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：, PC 非单调变化，两头小，中间大。, PD 随 (激励)线性增大，与甲类(不变)不同。,(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。,1.3乙类推挽功率放大电路,从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题： 交越失真 加偏置电路； 双电源 单电源

32、供电； 互补管难配 准互补推挽电路； 安全 过载保护； 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(Crossover Distortion),(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。,图 132图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性,交越失真,(2) 解决途径,图 133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。,(3)常用电路, 二

33、极管偏置电路, VBE 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,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,3VBE 倍增电路,图 135VBE 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。

34、,图 135VBE 倍增偏置电路,(2)倍增原理,式中， VBE3 = VT ln(IE3 / IS) VT ln(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 VBE3VBB ICQ ,二、单电源供电的互补推挽电路(OTL),图 136,1电路特点 单电源供电 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

35、 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。,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 137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。,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。,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

36、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 138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。,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。,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 139(a)未加自举电容的电路 (b)输入激励级

37、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。,图 139(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 r R/ri R ,交流负载线如所示。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 所示，输出信号电压振幅可接近 VCC/2。,4改进电路, 电流源构成有源负载放大器，直流电阻小，交流电阻大。, 采用自举电路,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

38、电流 i 0，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。,第 1 章 功率电子线路,1.4功率合成技术,1.4.1功率合成电路的作用,1.4.2传输线变压器,1.4.3用传输线变压器构成的魔 T 混合网络,1.4.1功率合成电路的作用,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。,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

39、 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。,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。,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。,一个理想的功率合成电路应该具有以下特点：, N 个同类型的功率放大器，它们的输出振幅相等，通过功率合

40、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。, 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。,1.4.2传输线变压器,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

41、率为零。,传输线变压器如图 143 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,二、传输线变压器的工作原理,传输线变压器原理图如图 1 44(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。,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 146(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,参见图 144(

42、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 144(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。,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 146(b)所示。,(a) 对称 不对称(b) 不对称 对称,2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 147(a)所示，图中阻抗关系为,实现 4 : 1 的阻抗变换。传输

43、线变压器的特性阻抗为,1 : 4 阻抗变换器如图 147(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,1.4.3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,i = ia - id，i = id - ib,求出,而,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

44、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,2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 t,C 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,3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,若取,ia 仅

45、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。,二、功率分配,1同相功率分配,同相功率分配电路如图 149(a)所示。,ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ，vd = idRd = iaRa - ibRb,整理得到,ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ， vd = idRd = iaRa - ibRb,取 Ra = Rb = R,则id = 0 D 端无功率输出。,ia = ib = ic /2 A 端和 B 端获得等值同相功率。,C 端的等效负载为 R/2。,2反相功率分配,

46、反相功率分配电路如图 14 9(b)所示。,同理可以证明：当 Ra = Rb = R 时,ic = 2i = 0,ia = ib = id,则 ic = 0 C 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。,第 1 章 功率电子线路,1.5整流与稳压电路,1.5.1整流电路,1.5.2串联型稳压器,1.5.3开关型稳压器,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。,1.5.1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 151(a)

47、 所示。,在图 151(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。,如图 152(a)所示，CL 一定时，RL 越小，纹波越大。,如图 152(b)所示，RL 一定时，CL 越大，纹波越小。,参见图 151(b)和图 151(c)，经过 RL CL 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

48、压的大小与 RL 和 CL 的数值有关。,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 154(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 154(b)所示。,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 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。,2桥式整流电路,图 155桥式整流电路及其电压和电流波形,如图 155(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。,图

49、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 55(d)、(e)、(f)所示。,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。,四、倍压整流电路,倍压整流电路如图 159 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

50、，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。,1.5.2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。,串联型稳压器的工作原理如图 1512(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。,当VS = VREF,VO = VI - VCE5 = VREF/n,若 VI 或 RL 变化使 VO 增加,VO VS (VREF 不变) VC2 = VB5 VCES VO 。,反之亦然