電子線路_非線性部分(第五版)謝嘉奎第1章

1、第一章非線性電子線路非線性電子線路1u 功率放大器功率放大器u 功率合成功率合成u 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源第一章第一章 功率電子線路功率電子線路本章主要內容本章主要內容第一章非線性電子線路非線性電子線路21.1 功率電子線路概述功率電子線路概述u安全安全u效率效率u失真失真u功率功率 不要損壞元件不要損壞元件 要高要高 在允許范圍內在允許范圍內 足夠大足夠大1.1.1 功率放大器功率放大器 對小信號放大器的要求，主要體現(xiàn)在增益、頻率響應和穩(wěn)定性等對小信號放大器的要求，主要體現(xiàn)在增益、頻率響應和穩(wěn)定性等方面；而對功率放大器的要求，除了增益、頻率響應、穩(wěn)定性以外，最方面；而對功率放大器的要求，除

2、了增益、頻率響應、穩(wěn)定性以外，最主要的是在保證功率管安全工作的條件下，高效率地輸出盡可能大而失主要的是在保證功率管安全工作的條件下，高效率地輸出盡可能大而失真在允許范圍內的功率。真在允許范圍內的功率。一、一、 功率放大器的性能要求功率放大器的性能要求第一章非線性電子線路非線性電子線路3 二、功率管的運用特性二、功率管的運用特性u甲類甲類u乙類乙類u甲乙類甲乙類u丙類丙類u丁類丁類底底效效率率高高功率放大器的分類：功率放大器的分類： 根據(jù)放大管集電極電流導通時間的根據(jù)放大管集電極電流導通時間的長短，功率放大器可分為甲類長短，功率放大器可分為甲類(或稱為或稱為A類類)，乙類，乙類(或稱或稱B類類)

3、，丙類，丙類(或稱或稱C類類)等。等。第一章非線性電子線路非線性電子線路4 1.1.2 電源變換電路電源變換電路u穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器 AC-DCu斬波器斬波器 DC-DCu逆變器逆變器 DC-ACu調壓器調壓器 AC-AC第一章非線性電子線路非線性電子線路5 1.1.3 功率器件功率器件u三個極限參數(shù)三個極限參數(shù)u功率管的二次擊穿功率管的二次擊穿u功率管的熱設計功率管的熱設計CthajPRTTsathcsthjcththRRRR)()()(第一章非線性電子線路非線性電子線路6 功率管功率管uVMOS 垂直溝道功率垂直溝道功率MOS管管u雙擴散功率雙擴散功率MOS管管u IGBT 絕緣柵雙極型功率三極

4、管絕緣柵雙極型功率三極管u達林頓管達林頓管第一章非線性電子線路非線性電子線路71.2 功率放大器的電路組成和工作特性功率放大器的電路組成和工作特性u直流電源功率直流電源功率u負載損耗功率負載損耗功率u負載輸出功率負載輸出功率u集電極耗散功率集電極耗散功率u集電極效率集電極效率2021tdivPCCCD20221tdRiPLCLcmcmOIVP212021tdivPCCEC%100DOPP1.2.1 1.2.1 充分激勵、負載匹配充分激勵、負載匹配第一章非線性電子線路非線性電子線路8靜態(tài)工作點、激勵、負載三者要最佳配置靜態(tài)工作點、激勵、負載三者要最佳配置cmcmCQCEQCcmcmOcmcmCQ

5、CEQLCQCCDIVIVPIVPIVIVPIVP212121%25maxcCCceCQcVvIimaxmax,2第一章非線性電子線路非線性電子線路91.2.2 甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率特性甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率特性一、甲類變壓器耦合功率放大電路一、甲類變壓器耦合功率放大電路cmcmCQCCCcmcmOLCQCCDIVIVPIVPPIVP2121%50maxc)8/, 2/min()(maxCMCEOBRCMOIVPP甲類功放的特點：甲類功放的特點： 電源提供的功率只與靜態(tài)工作點有關，電源提供的功率只與靜態(tài)工作點有關，與激勵無關；輸入激勵越大，效率越高，最大不超過

6、與激勵無關；輸入激勵越大，效率越高，最大不超過25或或50%。CCceCQcVvIi2,2maxmax第一章非線性電子線路非線性電子線路10二、二、 乙類推挽功率放大電路乙類推挽功率放大電路u提高效率：直流工作點降低為零（乙類工作）提高效率：直流工作點降低為零（乙類工作）u克服失真：兩管互補推挽克服失真：兩管互補推挽1 1） 變壓器耦合乙類推挽功率放大器變壓器耦合乙類推挽功率放大器第一章非線性電子線路非線性電子線路112)2)無輸出變壓器乙類推挽電路無輸出變壓器乙類推挽電路無輸出變壓器乙類推挽電路，簡稱無輸出變壓器乙類推挽電路，簡稱OTLOTL電路電路互補對稱互補對稱電路電路第一章非線性電子線

7、路非線性電子線路123) 乙類推挽性能分析乙類推挽性能分析u電壓利用系數(shù)電壓利用系數(shù)u輸出功率輸出功率u管耗管耗u集電極效率集電極效率u極限應用極限應用CMOPP5maxLCCLcmORVRVP/21/212224c)2/2(2maxOCPPCCcmVVCMCEOBROIVP )(max41乙類推挽功率放大器中的匹配負載乙類推挽功率放大器中的匹配負載第一章非線性電子線路非線性電子線路131.2.3 乙類互補推挽放大器實際電路乙類互補推挽放大器實際電路u非線性失真非線性失真交叉失真交叉失真u單電源供電的互補推挽電路單電源供電的互補推挽電路u準互補推挽電路準互補推挽電路u保護電路（保護電路（過流過

8、流、過壓、過熱）、過壓、過熱）u自舉電路自舉電路要求：要求：能設計并畫出實用電路能設計并畫出實用電路第一章非線性電子線路非線性電子線路141.3 集成功率放大器集成功率放大器uLM380集成功率放大器集成功率放大器u功率運算放大器功率運算放大器uMOS管集成功率放大器管集成功率放大器u橋式功率放大器橋式功率放大器 （有源功率合成）（有源功率合成）橋式功率放大器：適合低電源工作，在電路參數(shù)相同情況橋式功率放大器：適合低電源工作，在電路參數(shù)相同情況下，它比單個下，它比單個OTLOTL（或（或OCLOCL）電路輸出電壓幅值增大）電路輸出電壓幅值增大2 2倍，倍，輸出功率增大輸出功率增大4 4倍。倍。

9、集成集成Class DClass D音頻功率放大器音頻功率放大器第一章非線性電子線路非線性電子線路151.4 功率合成技術功率合成技術當需要的功率超過單個電子器件所能輸出的功率時，將幾當需要的功率超過單個電子器件所能輸出的功率時，將幾個電子器件的輸出功率疊加起來，以獲得足夠大的輸出功個電子器件的輸出功率疊加起來，以獲得足夠大的輸出功率，這就是功率合成技術。率，這就是功率合成技術。（一）（一） 功率合成電路的功率合成電路的 作用示意圖作用示意圖有源器件有源器件/無源器件無源器件/隔離技術隔離技術第一章非線性電子線路非線性電子線路161. 1. 傳輸線變壓器的基本構造和特點傳輸線變壓器的基本構造和

10、特點變壓器變壓器（二）（二） 傳輸線變壓器傳輸線變壓器頻率覆蓋系數(shù)頻率覆蓋系數(shù) f fH H/f/fL L10103 3 f fH H最高只能達到幾十最高只能達到幾十MHzMHz 磁環(huán)：鎳鋅高磁導率的鐵氧體磁心磁環(huán)：鎳鋅高磁導率的鐵氧體磁心傳輸線：同軸電纜、雙絞線、或帶狀線傳輸線：同軸電纜、雙絞線、或帶狀線 f fH H高，頻率覆蓋系數(shù)高高，頻率覆蓋系數(shù)高第一章非線性電子線路非線性電子線路172 工作原理和作用工作原理和作用前提條件前提條件: :傳輸線理想無損耗，終端匹配（工程上傳輸線理想無損耗，終端匹配（工程上 ）傳輸線變壓器滿足：傳輸線變壓器滿足：端口電壓相等端口電壓相等（即（即v v1

11、1= =v v2 2= =v v ）流過傳輸線電流大小相等，方向相反流過傳輸線電流大小相等，方向相反( (i i1 1= =i i2 2) ) A 1A 1：1 1倒相器倒相器 Ri : RL=1:1vi=v，vo=v第一章非線性電子線路非線性電子線路18B 平衡不平衡變換器平衡不平衡變換器第一章非線性電子線路非線性電子線路19C C 1 1：1 1不平衡不平衡- -平衡變換器平衡變換器D D m:1m:1傳輸線變壓器傳輸線變壓器一般構成原則：一般構成原則：n n個個1 : 11 : 1理想傳輸線變壓器與一根短路線理想傳輸線變壓器與一根短路線始端始端相串，終端相并相串，終端相并構成構成m m

12、: 1 : 1傳輸線變壓器傳輸線變壓器E E 1:m1:m傳輸線變壓器傳輸線變壓器 m m =(1+=(1+n n) )2 2 一般構成原則：一般構成原則：n n個個1 : 11 : 1理想傳輸線變壓器與一根短路線理想傳輸線變壓器與一根短路線始端始端 相并，終端相串相并，終端相串構成構成1 : 1 : m m 的傳輸線變壓器的傳輸線變壓器 m=(1+n)2第一章非線性電子線路非線性電子線路20（三）（三） 功率合成和功率分配電路功率合成和功率分配電路功率合成電路功率合成電路功率分配電路功率分配電路第一章非線性電子線路非線性電子線路21整整 流流 電電 路路濾濾 波波 電電 路路穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電

13、 路路 u1u2u3u4uo直流穩(wěn)壓電源的組成電源變換電路電源變換電路u電源變壓器電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓變?yōu)楹线m的交流電壓u2。u整流電路整流電路: 將交流電壓將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓u3。u濾波電路濾波電路: 將脈動直流電壓將脈動直流電壓u3轉轉變?yōu)槠交闹绷麟妷鹤優(yōu)槠交闹绷麟妷簎4。u穩(wěn)穩(wěn)壓電路壓電路: 清除電網(wǎng)波動及負載變化影響清除電網(wǎng)波動及負載變化影響,保持輸出電壓保持輸出電壓uo穩(wěn)定。穩(wěn)定。第一章非線性電子線路非線性電子線路221.5.1 二極管整流電路二極管整流電路1.5 整流電路整流電路1 1 半波整流電路半波

14、整流電路t uo(3) (3) 輸出電壓平均值：輸出電壓平均值：(1) (1) 輸出電壓波形：輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL(2) (2) 二極管上承受的最高電壓：二極管上承受的最高電壓：22UURM(4) (4) 負載和二極管的平均電流負載和二極管的平均電流245. 022)d(0sin2221LoUUttUUULLoLDRURUII245.0第一章非線性電子線路非線性電子線路23220 V1212R2+Luuu2L1DD2+變壓器副邊中變壓器副邊中心抽頭，感應心抽頭，感應出兩個相等的出兩個相等的電壓電壓u u2 2當當u2正半周時，正半周時， D1導通，導通，D2截止。截止。當

15、當u2負半周時，負半周時， D2導通，導通，D1截止。截止。2 單向全波整流電路單向全波整流電路第一章非線性電子線路非線性電子線路24全波整流電壓波形全波整流電壓波形u2uLuD1 t 2 3 4 0uD2V22012122uuDD221+uLLR第一章非線性電子線路非線性電子線路25uL 2 0 tIL= UL /RL =0.9 U2 / RL （2）輸出電流平均值）輸出電流平均值IL ：）（ tduULL 2021（1）輸出電壓平均值）輸出電壓平均值UL：）（ ttdsinU21022U9 . 0V22012122uuDD221+uLLRIL第一章非線性電子線路非線性電子線路26uD 2

16、0 t（3）流過二極管的平均電流：）流過二極管的平均電流：ID = IL/2（4）二極管承受的最高反向電壓：）二極管承受的最高反向電壓：V22012122uuDD221+uLLR2DRMU22U第一章非線性電子線路非線性電子線路27 u2正半周時正半周時電流通路電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo+-+-1 1） 工作原理工作原理3、單相橋式整流電路、單相橋式整流電路第一章非線性電子線路非線性電子線路28 -+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時負半周時電流通路電流通路+-第一章非線性電子線路非線性電子線路29 u20 時時D1,D3導通導通D2,D4截止截止電流通路電流通路:

17、A D1RLD3Bu20 時時D2,D4導通導通D1,D3截止截止電流通路電流通路:B D2RLD4A輸出是脈動的直流電壓！輸出是脈動的直流電壓！橋式整流電路輸出波形橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形及二極管上電壓波形u2D4D2D1D3RLuoABu2ttuD4,uD2tuouD3,uD1第一章非線性電子線路非線性電子線路30 a. a. 整流輸出電壓平均值（整流輸出電壓平均值（U Uo o）b. b. 負載上的負載上的( (平均平均) )電流電流: :29 . 0222)d(20sin2221LoUUttUUULLRU.I290LoDRU.II24502122UURMc. c. 流過二

18、極管的流過二極管的( (平均平均) )電流電流: :d.d.二極管承受的最大反向電壓二極管承受的最大反向電壓2） 參數(shù)計算參數(shù)計算第一章非線性電子線路非線性電子線路31幾種常見的硅整流橋幾種常見的硅整流橋+ A C -+- + - u2uL+ 第一章非線性電子線路非線性電子線路321 1 ） 二倍壓整流電路二倍壓整流電路u2的正半周時：的正半周時：D1導通，導通，D2截止，理截止，理想情況下，電容想情況下，電容C1的電壓充到：的電壓充到：22Uu2的負半周時：的負半周時：D2導通，導通，D1截止，理截止，理想情況下，電容想情況下，電容C2的電壓充到：的電壓充到：22U負載上的電壓：負載上的電壓

19、：222Uuo+u1u2+D1C2C1D2uoRL4 倍壓整流電路倍壓整流電路第一章非線性電子線路非線性電子線路33 +22U+222Uu u2 2的第一個正半周：的第一個正半周：u u2 2、C C1 1、D D1 1構成回路，構成回路，C C1 1充電到：充電到：22Uu u2 2的第一個負半周：的第一個負半周：u u2 2、C C2 2、D D2 2 、C C1 1構成回路，構成回路，C C2 2充電到：充電到：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C62） 多倍壓整流電路多倍壓整流電路第一章非線性電子線路非線性電子線路34 +22U+222U+222U+222U+

20、222U+222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u u2 2的第二個正半周：的第二個正半周：u u2 2、C C1 1、C C3 3 、D D3 3 、C C2 2構成回構成回路，路， C C1 1補充電荷，補充電荷，C C3 3充電到：充電到：222Uu u2 2的第二個負半周：的第二個負半周： u u2 2、C C2 2、C C4 4、D D4 4、C C3 3 、C C1 1構成構成回路，回路， C C2 2補充電荷，補充電荷， C C4 4充電到：充電到：222U從不同端點可引出所需的多倍壓直流輸出。從不同端點可引出所需的多倍壓直流輸出。第一章非線性電子線路非

21、線性電子線路35交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件利用儲能元件電容電容兩端的電壓兩端的電壓( (或通過或通過電感電感中的電中的電流流) )不能突變的特性不能突變的特性, , 將將電容電容與負載與負載R RL L并聯(lián)并聯(lián)( (或將或將電電感感與負載與負載R RL L串聯(lián)串聯(lián)) )，濾掉整流電路輸出電壓中的交，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。形的目的。 濾波電路濾波電路第一章

22、非線性電子線路非線性電子線路36u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL未接入時未接入時u2t設設t1時刻接時刻接通電源通電源t1充電結束充電結束忽略整流電路內阻忽略整流電路內阻u0t沒有電容時的輸沒有電容時的輸出波形出波形1. 電容濾波第一章非線性電子線路非線性電子線路37u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且接入（且RLC較大）時較大）時 u2tuot電容通過電容通過RL放電，放電，在整流電路電壓小在整流電路電壓小于電容電壓時，二于電容電壓時，二極管截止，整流電極管截止，整流電路不為電容充電，路不為電容充電，uo會逐漸下降。會逐漸下降。第一章非線性電子線路非線性電

23、子線路38近似估算近似估算: : U UL L=1.2=1.2U U2 2(b) (b) 流過二極管瞬時電流很大流過二極管瞬時電流很大整流管導電時間越短整流管導電時間越短 i iD D的峰值電流越大的峰值電流越大(a) (a) U UL L與與R RL LC C的的 關系：關系：R RL LC C 愈大愈大 C C放電愈慢放電愈慢 U UL L( (平均值平均值) )愈大愈大RLC 較大較大一般?。阂话闳。? (T T : :電源電壓的周期電源電壓的周期) )2T)53(CRLu2tuc= uL電容濾波電路的特點：電容濾波電路的特點：第一章非線性電子線路非線性電子線路39輸出波形隨負載電阻輸出

24、波形隨負載電阻 R RL L 或或 C C 的變化而改變的變化而改變, , U Uo o 和和S S （紋（紋波因素）波因素）也隨之改變。也隨之改變。例如：例如：R RL L 愈小愈小( I( IL L 越大越大), Uo), Uo下降下降, S , S 增大。增大。結論：結論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。載變動不大的場合。uo電容電容濾波濾波純電阻負載純電阻負載1.4U20.9U20IL(c) 輸出特性輸出特性(外特性外特性)第一章非線性電子線路非線性電子線路40+4123LD+DLu4-R220V32DD

25、1u21uL電路結構電路結構: : 在橋式整流電路與負載間串入一電感在橋式整流電路與負載間串入一電感L L。輸出電壓平均值輸出電壓平均值: UL=0.9U2諧波分量諧波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,電壓大部分降在電感上。電壓大部分降在電感上。 因此，因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。在輸出端得到比較平滑的直流電壓。直流分量直流分量: XL=0 相當于短路相當于短路,電壓大部分降在電壓大部分降在RL上上2. 電感濾波電路電感濾波電路第一章非線性電子線路非線性電子線路41電感濾波的特點電感濾波的特點整流管導電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較整流管導電角較大，峰值電流很小，輸出特性比

26、較平坦，適用于低電壓大電流平坦，適用于低電壓大電流( (R RL L較小較小) )的場合。缺點是電感的場合。缺點是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。u2u1RLLuo第一章非線性電子線路非線性電子線路42 為進一步改善濾波特性，采取多級濾波。為進一步改善濾波特性，采取多級濾波。LC濾波電路濾波電路型濾波電路型濾波電路3. 其它濾波電路其它濾波電路+u+u-iC-oC12+uo+-LCu-i+第一章非線性電子線路非線性電子線路43穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性。由于利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性。由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小反向特性陡直

27、，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。的電壓變化。 iuUZIUIzminIzmax+UDziLRz-oU-+RUIZILI（五）（五） 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路1 1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路第一章非線性電子線路非線性電子線路442 串聯(lián)型穩(wěn)壓器串聯(lián)型穩(wěn)壓器1） 工作原理工作原理第一章非線性電子線路非線性電子線路45第一章非線性電子線路非線性電子線路46基準源電路基準源電路使使V VREFREF溫度系數(shù)為零溫度系數(shù)為零, ,降低輸出電壓溫度系數(shù)降低輸出電壓溫度系數(shù)第一章非線性電子線路非線性電子線路47最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端

28、, ,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。常用的故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。常用的W7800W7800系列系列W7900W7900系列系列三三端集成穩(wěn)壓器，其內部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。端集成穩(wěn)壓器，其內部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。輸出輸出電流自電流自100mA100mA到到3A3A，電壓調整率為，電壓調整率為0.005%0.005%0.02%,0.02%,負載調整負載調整率為率為0.1%0.1%1%1%。2） 集成三端穩(wěn)壓器集成三端穩(wěn)壓器分類分類:三端集成三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器固定式固定式可調式可調式正穩(wěn)壓正穩(wěn)壓負穩(wěn)壓負穩(wěn)壓W78系列系列(輸出正電壓輸出正電壓) W79系列系列(輸出負電壓輸出負電壓)輸出電

29、壓額定電壓值有輸出電壓額定電壓值有: 5V、9V、12V 、18V、 24V等等 。第一章非線性電子線路非線性電子線路481端端: 輸入端輸入端2端端: 公共端公共端3端端: 輸出端輸出端W78XX系列穩(wěn)壓器系列穩(wěn)壓器1231端端: 公共端公共端2端端: 輸入端輸入端3端端: 輸出端輸出端W79XX系列穩(wěn)壓器系列穩(wěn)壓器123穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內，電路內部穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內，電路內部附有短路和過熱保護環(huán)節(jié)。型號后附有短路和過熱保護環(huán)節(jié)。型號后XXXX兩位數(shù)字代表輸兩位數(shù)字代表輸出電壓值。出電壓值。第一章非線性電子線路非線性電子線路49輸出為固定正壓時的接法如圖所

30、示輸出為固定正壓時的接法如圖所示。注意：注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！+_W7800系列穩(wěn)壓器系列穩(wěn)壓器 基本接線圖基本接線圖CoW78XXCIUI+_Uo1320.11 F1F三端穩(wěn)壓器應用電路三端穩(wěn)壓器應用電路第一章非線性電子線路非線性電子線路50輸出正負電壓的電路輸出正負電壓的電路正負電壓同時輸出電路正負電壓同時輸出電路W78XXCIUI+ _UO132+ _CIW79XX13COCO2UO第一章非線性電子線路非線性電子線路51COW78XXCIUI+_+_UO132UXXUZRDZUXX : 為為W78XX固定輸出電壓固定輸出電壓 UO = UXX + UZ提高輸出電壓的電路提高輸出電壓的電路第一章非線性電子線路非線性電子線路523 低壓差線性穩(wěn)壓電路低壓差線性穩(wěn)壓電路LDOLDO中調整管為共源連接，輸入與輸出電壓差可中調整管為共源連接，輸入與輸出電壓差可以非常