第一章功率放大器

1、1.1 概述概述功率電子線路是采用功率電子器件，高效率和安全地實(shí)現(xiàn)能量變換和控制功能的電子線路。n功率電子線路分為功率放大電路和電源轉(zhuǎn)換電路；n功率放大電路是在輸入信號(hào)作用下,把直流功率按照輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流輸出功率的放大器；n電源轉(zhuǎn)換電路是把電源能量進(jìn)行特定方式轉(zhuǎn)換的電路器件。1.1.1 功率放大器功率放大器 功率放大器與小信號(hào)放大器的區(qū)別是小信號(hào)放大的 是電壓或者電流,對(duì)輸出功率沒(méi)有要求;而功率放大器要求的就是放大輸出功率。同時(shí)有大動(dòng)態(tài)電壓和電流，且能夠安全工作 功率放大器的性能指標(biāo)：集電極效率和失真度； 集電極效率 PO為信號(hào)輸出功率，PD為直流功率，管耗為PC ，PO相同時(shí)，c越大，P

2、D越小，PC也越??； 功率放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)，放大管非線性引起的失真比小信號(hào)放大器大； 功率放大器是保證功率管安全工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效率和“不失真”地輸出所需信號(hào)功率的放大器。CooDoCPPPPP 按照功率管不同工作狀態(tài)，分為甲類，乙類，甲乙類和丙類等。集電極效率甲類最低，丙類最高。1.1.2 電源變換電路電源變換電路n將電源能量進(jìn)行特定方式的變換n整流器：把交流電變成直流電（AC-DC） ；n斬波器：把一種數(shù)值的直流電變成另一種數(shù)值或者極性的直流電（DC-DC）；n逆變器：把直流電能變成不同幅值，頻率的交流電（DC-AC）；n交流交流變換器：把50Hz交流電變成不同幅值，頻率的交流電（AC

3、-AC）； 它們同樣要求選擇合適的功率器件，并具有很高的效率。1.1.3 功率器件功率器件 大功率器件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與小信號(hào)器件不同， 比如功率晶體管發(fā)射極面積較大，較低，Icbo較 大，V(BR)CEO和ICM也較大。且集電極一般與管座相連，便于安裝散熱器。 一、散熱一、散熱 熱阻與溫度的關(guān)系T2-T1=RTH*P 集電極最大耗散功率Pcm =(TjM-Ta)/Rth 集電結(jié)與周圍環(huán)境的熱阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca R(th)jc為結(jié)與底座的熱阻， R(th)ca為管殼與周圍環(huán)境的熱阻 加散熱器后的總熱阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa加散熱器后的

4、總熱阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa二、二次擊穿二、二次擊穿 集電極電壓超過(guò)V(BR)CEO而引起的擊穿，只要限制擊穿電流，是可逆的。而如果不限制電流，集電極電壓迅速減小，集電極電流急劇增大，這種由高壓小電流迅速轉(zhuǎn)移為低壓大電流的現(xiàn)象就是二次擊穿，而且不可逆。三、功率三、功率MOS管管n在大功率放大器和高效率電源變換電路中，除功率三極管外，還廣泛應(yīng)用正在迅速發(fā)展的功率MOS管。n在功率MOS管的發(fā)展過(guò)程中，提出了各種適合于大功率運(yùn)用的結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用的是雙擴(kuò)散MOS管(Double-diffused MOSFET)，它可承受的電流高達(dá)數(shù)百安，電壓高達(dá)幾百伏，甚至上

5、千伏。 四、絕緣柵雙極型功率管（四、絕緣柵雙極型功率管（IGBT）nIGBT在高摻雜N+區(qū)與金屬漏極之間插入一層高摻雜的P+區(qū)，它與作為MOS管襯底的P+區(qū)之間夾著N區(qū)，它們形成兩個(gè)PN結(jié)，構(gòu)成PNP型晶體三極管，這個(gè)晶體三極管與MOS管共同組成組合管。1.2 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1.2.1 從一個(gè)例子講起從一個(gè)例子講起功率放大器為大信號(hào)放大器，進(jìn)行性能分析時(shí)，功率器件必須采用一般模型（大信號(hào)模型）。目前，在工程上，采用較多的是在特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce =

6、 VCEQ Vcm sintVcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / RL ICQ CQCCCCC20D21IVtdiVPcmcmCQCEQL2cmL2CQL2C20L212121IVIVRIRItdRiPcmcmCQCEQCEC20C2121IVIVtdviP在上述表示式中，PL和PC均由直流和交流兩部分合成。以PL為例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，最大最大交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相應(yīng)的最大最大集電極效率 %254/1/DoCmaxPP1.2.2 甲類、乙類功率放大器的電路組成及甲類、乙

7、類功率放大器的電路組成及 其功率性能其功率性能 RL= n2RL 一、甲類變壓器耦合功率放大電路n直流分析直流分析直流負(fù)載方程：相應(yīng)的直流負(fù)載線是自VCC出發(fā)的一條直線EF：vCE = VCC直流負(fù)載線與靜態(tài)電流iB=IBQ， iC=ICQ的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。 n交流分析交流分析 交流負(fù)載方程： 當(dāng) iC =ICQ時(shí)， vCE =VCEQ=VCC，而它在兩座標(biāo)軸上的截距為 viIVRivVIRCECCQCEQLCCECEQCQL00時(shí)時(shí)/相應(yīng)畫(huà)出的交流負(fù)載線是一條通過(guò)Q點(diǎn)的直線MN，它的斜率即為-1/ 。 RLcLce iRvceCEQCEvVvcCQCiIi)(CQCLCEQCEIiRV

8、vn性能分析性能分析 iC = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ - Vcmsint， Vcm= IcmRL 輸出信號(hào)功率： PL=Po=()IcmVcm = ()Icm2 RL= ()Vcm2 / RL 直流功率：PD= =VCCICQ 集電極管耗： PC= = PD - Po集電極效率：012cmcmcDCCCQPV IPVI20CCC21tdiV20cmcmCQCCCCE2121IVIVtdivn當(dāng)PD一定時(shí)，要使輸出信號(hào)功率最大，要使Q點(diǎn)正在好交流負(fù)載線的中點(diǎn)。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。n輸出交流電壓： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 電流Icm = IC

9、Q-ICEO 此時(shí) Pomax=1/2 VCCICQ cmax =50% n當(dāng)Q點(diǎn)選定后，在允許的最大基極電流激勵(lì)下，僅有一個(gè)交流負(fù)載值，能使功放高效率的輸出最大信號(hào)功率，這個(gè)負(fù)載值所畫(huà)出的交流負(fù)載線的中點(diǎn)應(yīng)通過(guò)Q點(diǎn)。n進(jìn)一步增大不失真信號(hào)功率，可以提高Q點(diǎn)，但最終受到管子安全工作條件的限制。n加在集電極上最大電壓為 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO iCmax = 2ICQI CM PCmax= PDPCM 還應(yīng)保證動(dòng)態(tài)點(diǎn)不超過(guò)二次擊穿限定的安全區(qū)。n 甲類功放效率不高，理論不超過(guò)50，又需要變壓器和大電容，輸出功率由功率三角形決定，在集成功率放大器中幾乎不用。而廣泛使用下面的乙類

10、推挽功率放大器。n 乙類推挽功放既解決了甲類功放效率不高的缺點(diǎn)，又較好的解決了乙類功放的失真問(wèn)題，特別是交越失真的問(wèn)題，因此，在工程上得到廣泛運(yùn)用。二、乙類推挽功率放大電路二、乙類推挽功率放大電路n圖（a）為變壓器耦合電路，它由輸入變壓器Tr1、輸出變壓器Tr2和兩個(gè)特性配對(duì)且相同導(dǎo)電類型的NPN功率管T1、T2組成。輸入變壓器Tr1利用次級(jí)繞組的中心抽頭將輸入信號(hào)電壓 vi (t)分成兩個(gè)幅值相等、極性相反的激勵(lì)電壓，分別加到兩管基射極間，實(shí)現(xiàn)兩管輪流導(dǎo)通。輸出變壓器Tr2的作用是隔斷iC1和iC2中的平均分量，并利用初級(jí)繞組的中心抽頭將iC1和iC2中的基波分量在RL中疊加，輸出正弦波。右

11、圖T 1和T 2是完全一致的互補(bǔ)功率管，接成共集組態(tài)。 T1為NPN型管，T2為PNP型管，輸出端接公共負(fù)載RL,集電極正負(fù)電源供電。 工作原理：工作原理： 未輸入信號(hào)時(shí)，兩管截止，輸出電壓為0。加信號(hào)vi = Vimsint后，兩管輪流導(dǎo)通。 正半周期， T1導(dǎo)通， T2截止， iE1 iC1；負(fù)半周期， T1截止，T2導(dǎo)通， iE2 iC2。通過(guò)負(fù)載RL的電流iL = iE1-iE2, 為完整的正弦波。n性能分析：假設(shè)T1和T2完全配對(duì)，ICEO和VBE(ON)均為零。在vi 正半周期， T1導(dǎo)通，交流負(fù)載為RL，交流負(fù)載線為從Vcc出發(fā)，斜率為-1/RL的直線。而vi 負(fù)半周期，T1截止

12、，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通電流在RL建立相應(yīng)電壓。說(shuō)明T1截止時(shí)交流負(fù)載線為與橫軸重合的水平線段。對(duì)T2管，同理交流負(fù)載線為從-Vcc出發(fā)，斜率為-1/RL的直線，截止時(shí)為與橫軸重合的水平線段。 T1AiLIcmQOVcc2VccvCE1Dn輸入為正弦波信號(hào)的推挽式乙類功放，在最大不 失真條件下的兩管集電極電流為： iC1Icmsint 0 t 0 t 2 iC20 0 t -Icmsint t 2 vCE1 VCC-Vcmsint vCE2 -VCC-Vcmsintn通過(guò)負(fù)載RL的電流 iL iC1 iC2 = Icmsintn相應(yīng)產(chǎn)生的電壓 vL Vcmsint = RLIcmsint 合成輸出最大

13、不失真信號(hào)功率： P L = ()VcmIcm = () Vcm2/ RL 電源電壓利用系數(shù)： 正負(fù)直流電源供電的總直流功率為 集電極效率 cPL /PD ( /4) 時(shí) 集電極功耗 PC1= PC2=(PDPL ) /2 =(2/ 2 /2)PLmax 總耗散功率 PC = PC1PC2 = (4/ 2 )PLmax 當(dāng)=2/ 0.636時(shí)，PC 最大PCmax= 4PLmax/ 20.4PLmaxmax78.5%4CCCcm/VVLmax2L2CC2L21PRVPL2ccLmax21RVP1maxLL2CCCCLcmcmCCD2D1D4222PRVVRVIVPPP 可見(jiàn)，在乙類推挽功率放大

14、器中，PC的最大值既不出現(xiàn)在=0即靜止?fàn)顟B(tài)，也不出現(xiàn)在=1即最大輸出狀態(tài)。因?yàn)樾r(shí)，雖然Po小，但PD也小，結(jié)果PC??；反之， 接近于1時(shí)，雖然PD大，但由于 高，PD中大部分轉(zhuǎn)化為Po ，結(jié)果PC也較小。 乙類推挽管安全工作的條件： vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax= ILm VCC/RL ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax PCM 同時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)不能超過(guò)二次擊穿限定的安全區(qū)C1.2.3 乙類互補(bǔ)推挽放大器實(shí)際電路乙類互補(bǔ)推挽放大器實(shí)際電路一、交叉失真和偏置電路一、交叉失真和偏置電路1.交叉失真交叉失真 當(dāng)輸入信號(hào)很小，沒(méi)有達(dá)到管子導(dǎo)通電壓VBE(on)時(shí)，管子

15、沒(méi)有導(dǎo)通，正負(fù)周期交替過(guò)零時(shí)不能銜接，會(huì)有非線性失真，這就是交叉失真或者交越失真。如果輸入信號(hào)電壓振幅越小，交越失真就越嚴(yán)重。為了消除交越失真，必須在管子B-E間加合適的正向偏置電壓，其值應(yīng)該稍大于兩管導(dǎo)通電壓之和。2. 二極管偏置電路二極管偏置電路 電流源激勵(lì)二極管，提供晶體管偏置電壓 VBB=2 VTIn(IR/IS)3. VBE倍增偏置電路倍增偏置電路 VBE3 = VTIn(IC3/IS) VTIn(IR/IS) VBB= VBE3(1+R1/R2)通過(guò)改變R1和R2，可提供需要的 VBB二、單電源供電的互補(bǔ)推挽電路二、單電源供電的互補(bǔ)推挽電路 如果使用單電源供電，必須 在公共負(fù)載端串

16、接大容量電 容 CL。CL可以充當(dāng)VCC /2的直流 電源作用。三三 、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路 復(fù)合管取代互補(bǔ)管， T1為小 功率管， T2為大功率管，等 效一個(gè)NPN管。 復(fù)合管類型取決第一個(gè)管的 類型。這樣他們的配對(duì)更容 易實(shí)現(xiàn)。四、保護(hù)電路四、保護(hù)電路分為過(guò)流，過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)三種。 過(guò)流保護(hù)電路如圖T1,T2為保護(hù)管五、輸入激勵(lì)電路五、輸入激勵(lì)電路 T3為激勵(lì)級(jí)，甲類工作，（ R1 + R2 )為集電極電阻， T1， T2為互補(bǔ)功率管，單電源供電，C為自舉電容。1.5 整流電路整流電路整流電路將電力網(wǎng)提供的頻率為50Hz的交流電壓變換為直流電壓（或電流）。 根據(jù)電路中采用的主要整

17、流器件不同，整流電路分為二極管整流電路、三極管整流電路和可控整流電路1.5.1 二極管整流電路二極管整流電路分為半波、全波、橋式三種 一、一、半波整流電路半波整流電路 Tr為電源變壓器，D為整流二極管， RL為輸出負(fù)載電阻， CL為輸出濾波電容。 半波整流電路工作原理：輸入交流電壓v2為正時(shí)，D導(dǎo)通，給CL充電，當(dāng)上升到A點(diǎn)時(shí)，實(shí)際加到D上電壓（v2-v0）下降為零，D截止，CL放電，v0下降到B, v2又大于v0，（v2-v0）為正，D導(dǎo)通，v2再次向CL充電；在v0增長(zhǎng)過(guò)程中，充電電荷減少，泄放電荷增加，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，v0在均值VO上下做等幅波動(dòng)。VO即為輸出整流電壓。n紋波大小取決于CL

18、和RL的大小，當(dāng)增大CL或RL時(shí)，由于減慢了CL通過(guò)RL的放電速度，從而減小了CL的泄放電荷量，因而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)CL的充電電荷量也就必須相應(yīng)減小，結(jié)果是D的導(dǎo)通時(shí)間減小，Vo增大，紋波電壓減小。二、全波和橋式整流電路二、全波和橋式整流電路 由兩個(gè)半波整流電路組成，在每個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)，CL經(jīng)歷兩次充放電過(guò)程。通過(guò)RLCL電路的電流io在每個(gè)輸入信號(hào)周期出現(xiàn)兩個(gè)同極性電流脈沖，疊加在VO上紋波電壓頻率加倍，濾波能力加強(qiáng)，紋波電壓比半波整流電路小。n橋式整流中vo, io均與全波整流電路相同。每次導(dǎo)通和截止都是兩只串聯(lián)的整流管同時(shí)導(dǎo)通或截止。因此，功耗增加，效率降低，但截止時(shí)最大反向電壓由兩管共

19、同承擔(dān)，降低了對(duì)整流二極管的要求。而且電源變壓器不需要抽頭，降低制作成本1.6 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路整流器輸出的直流電壓不穩(wěn)定，且疊加了較大的紋波電壓。為了獲得穩(wěn)定的直流電壓，整流器后面一般都加接直流穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路分為并聯(lián)型，串聯(lián)型和開(kāi)關(guān)型三種。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路是由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，但缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能差，一般不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路外，目前應(yīng)用較廣的低壓差線性穩(wěn)壓電路是一種特殊的串聯(lián)型穩(wěn)壓器。在同樣電源電壓情況下，它可以獲得比普通串聯(lián)穩(wěn)壓電路更高的輸出穩(wěn)定電壓，從而獲得更高的效率。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路是一種非線性電路，電路中的主要器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而獲得更

20、高的使用效率。 1.6.1 串聯(lián)穩(wěn)壓電路串聯(lián)穩(wěn)壓電路n基準(zhǔn)電壓源電路BE(on)32132TBE(on)322REF)ln(VIIRRVVRIVVVVVVRRRR VRR VRRREFz(on)z(on)z(on)23212121212()ln(213T2IIRVI 1.6.2 低壓差線性穩(wěn)壓電路低壓差線性穩(wěn)壓電路 低壓差線性穩(wěn)壓器是基于負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)作用來(lái)獲得穩(wěn)定的輸出電壓，由串聯(lián)調(diào)整管T、取樣電阻R1和R2、比較放大器A和基準(zhǔn)電壓源電路組成。取樣電壓加在比較放大器A的同相端，與加在反相端的基準(zhǔn)電壓Vref相比較，兩者的差值經(jīng)A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。 LDO與一般串聯(lián)穩(wěn)壓電路的最大區(qū)別在于調(diào)整管的接法。在一般串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管共集連接，工作在放大區(qū)；LDO中的調(diào)整管為共源連接，可工作在飽和區(qū)，甚至于非飽和區(qū)。一般串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸入和輸出電壓差至少為一個(gè)集射飽和電壓和一個(gè)基射導(dǎo)通電壓之和。而對(duì)于LDO，當(dāng)調(diào)整管工作于非飽和區(qū)時(shí)，其輸出電壓可以非常接近輸入電壓，即其可以獲得非常小的壓差。1.6.3 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路