集成功率放大器课件.ppt

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1、,第一章 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.功率电子线路教案一.学时安排 16学时授课 4学时实验1功率电子线路概述 2学时2率放大器的电路组成和工作特性 2学时3乙类推挽功率放大电路 2学时4功率合成技术 5学时5整流与稳压电路 3学时6习题课 2学时7实验仪器仪表介绍 2学时8低频功率放大器实验 2学时二.授课方式:课堂教学、讨论课、实验课,三.重点、难点 1甲类、乙类放大器的组成及其功率特性性能；2乙类互补推挽功率放大电路；3功率合成技术，整流与稳压电路。四教

2、学内容及要求 要求学生掌握功率放大器的电路组成、工作原理、性能特点。重点讨论乙类推挽功率放大电路，基本掌握魔T混合网络实现功率合成及功率分配的原理，了解三种基本整流电路的工作原理，了解稳压器的工作原理。,五教学方法1功率放大器部分 首先介绍功率放大器的性能要求，功率管的运用特点以及功率器件的特殊问题，然后介绍功率放大器的电路组成和工作特性。重点讨论甲类变压器耦合功率放大器，乙类推挽放大器输出功率，集电极功率效率。难点：乙类互补推挽功率放大器的交叉失真问题。以LM380为例介绍集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。,2功率合成技术 首先介绍输入变压器的工作原理及其功能，然后重点讨论用传输线变

3、压器构成的魔T混合网 络实现功率合成及功率分配的原理。3整流及稳压电路 在讨论三种基本整流电路：半波、全波、桥式整流电路的基础上，简单介绍半联型、开关型稳压器的工作原理及稳压性能。4为了开设实验内容，首先进行相关实验仪器、仪表的介绍，并让学生初步学会使用及进行简单操作，然后安排2学时的实验课。,1.1.1功率放大器（Power Amplifier）,一分类 1直接藕荷功率放大电路 2变压器耦合功率放大电路 3.其他类型的功率放大电路,二功率放大器的性能要求 1最主要的要求是：安全、高效率和不失真（失真可在允许的范围内）地输出信号功率。2最重要的性能指标是：集成电极效率（1-1-1）式中：3功率

4、放大器的本质是：在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，所以用 来评价这种转换能力。,三功率管的运用特性 1 甲类、功率管在一个周期内导通；图1-1-1 2乙类、功率管在半个周期内导通；3甲乙类、介于甲类乙类之间，大于半个周期小于一个周期内导通；4丙类、小于半个周期内导通；5丁类、半个周期饱和导通，半个周期截止，管子处于开关状态。目的：减小管耗，提高效率，带来的问题，非线形失真越来越严重，,1.1.2电源变换电路一整流器将电网提供的50Hz的交流电能变换成直流电能。二直流、直流变换器（斩波器）将一种电压数值的直流电能 另一种电压数值或极性的直流电能。三逆变器将直流电能变换成不

5、同幅度和频率的交流电能。四交流交流变换器将一50Hz交流电能不同幅值或频率的交流电能。,1.1.3.功率器件一功率管散热和相应的。1术语热平衡集电结产生的热量恰好等于散发到空气中的热增量，使结温在某一温度平衡的状态。热崩结温升高硅管,2.等效电路热传导过程用电流传输过程模拟。（p15 图1-1-2）(1-1-2)式中 热源温度 周围空气温度 热阻当 为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于 值，且 随成正比地增大。,当 为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于 值，且 随成正比地增大。（1-1-4）周围空气温度注：实际工作中，必须根据最高室温，确定功率管能够承受的最大允许管耗。,二

6、二次击穿11什么叫二次击穿可逆击穿：由于 而引起的击穿，只要限制击穿电流，管子不会损坏，当后，管子恢复正常工作。二次击穿：若 电流不加以限制，则 管子未发烫就已损坏，是不可逆的。,12产生二次击穿的原因及过程原因：管内结面不均匀，晶格缺陷等。过程：结面某些薄弱点电流密度 功率管尚未发烫就已损坏。二次击穿是在高压低电流时发生的，相应的功率用 表示。,3功率管的安全工作区。图1-1-5三思考题：1功率放大器分为那几类？2如何计算集电极效率？3画出功率管的安全工作区。,1-2功率放大器的功率组成和工作特性1.2.1 基本放大电路极其分析 图1-1-2一 静态工作点选在负载线的中点。设集电极饱和压降,

7、反向饱和电流，,.图1-2-1 图解分析,二.输出集电极电流和电压式中,三.讨论1集电极效率仅有25%，一部分消耗在管子上，大部分50%作为直流功率消耗在管子中。所以要提高效率；选择管子的运行状态减少管耗；力求避免管外电路中无谓地消耗直流功率；2充分激励时 变化对功率性能的影响。,当 一定，位于负载线中点时,减小 总之，充分激励相应的负载称为匹配负载。注意：匹配的含义与线形部分的区别。,.图1-2-2 充分激励时变化对功率性能的影响,结论：功率放大器在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓地消耗直流功率的电路结构。在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点是相互牵制的，要高效率地输出所需信号功

8、率，二者必须有一最佳配置。,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 1-2-3 1原理电路设变压器变比为，等效负载电阻2性能分析 静态分析 图1-2-3（b）,交流动态分析交流负载线如图1-2-4 若 则有 式中,功率讨论（1-2-4）（1-2-5）（1-2-6）（1-2-7）,3.保证管子安全工作的条件在充分激励，且保持 点处于交流负载中点的条件下，,但要在管子安全工作的范围内：因为 当 时，所以，即,即又因为所以（1-2-8a）(1-2-8b),注：要同时满足上面两个条件，取其中的小值。要保证管子安全工作，还应检查管子的动 态点是否落在二次击

9、穿的安全区内。,二乙类推挽功率放大电路 图1-2-51变压器耦合电路 工作原理：输入变压器将输入信号 变换成 和 和 分别加到同类型管，是其轮流导通，输出变压器隔断中的平均分量,并利用初级绕组的中间抽头将的基波分量在中叠加,输出完整正弦波。,.图1-2-5 乙类推挽功率放大电路原理(a)变压器耦合（a）互补推挽,2互补推挽电路分析 原理：、为两个特性配对的互补功率管，两管轮流导通，合成完整正弦波。性能分析 a)静态分析：设：,两管的负载线均为，因为,b)图解分析 图1-2-6若不考虑失真：当 时，,当 时，（1-2-9）式中（1-2-10）,功率讨论（1-2-11）为半正弦波的分量。a)当为充

10、分激励，且令,（1-2-12）（1-2-13）（1-2-14）,b)若输入激励不足，则（1-2-15）称为电源电压利用系数。（1-2-16）,c)、随变化的特性 当 在0和1之间变化时，出现非单调的变化。（1-2-20）安全工作条件：,或（1-2-21a）(1-2-21b)注意：上式中取其中的小值，并检验动态点是否处在二次击穿限定的安全区。,1-3 乙类推挽功率放大电路要点：讨论基本电路存在的问题，研究解决的 办法，给出实用电路。一.交叉失真及偏置电路 P29 1-1-3 p30 1-3-2产生的原因 由射极输出器电路的传输特性。曲线其始段出现弯曲，将其接成乙类推挽电路时，两管合成的传输特性，

11、在衔接处出现严重失真交叉失真。,克服的办法 图1-3-3 为了克服交叉失真，必须在输入端为两管加合适的正偏电压，使他们工作在甲乙类状态。2.二极管偏置电路 图 1-3-4（1-3-1）式中:为二极管的反向饱和电流。,.图1-3-4 二极管偏置电路,3 倍增偏置电路（图1-3-5）一种具有热补偿作用的高热稳定偏置电路。若 足够大，（1-3-3）,是 的倍增值，且受、控制。温度稳定性分析：二单电源供电的互补推挽电路。图1-3-6单电源供电电路等效为 和 的双电源供电电路。,三准互补推挽电路 图1-3-7 四保护电路 图1-3-8 过流保护电路 保护管、过流取样电阻原理分析；正常工作时，上的电压不足

12、以使 导通，异常情况下，导致 导通，从而分流 管电流，限制 管的输出电流，即起保护作用，的作用与此类似。,五输入激励电路 p34 图1-3-9图(a)为基本电路，缺点：交流负载电阻小于直流负载电阻，使电压振幅受到截止失真的限制。图(a)为自举电路，其，图中，,容量较大对交流近似短路。，、为，射极跟随器的电阻，其值较大，一般大于直流电阻（）,132 集成功率放大器一LM380集成功率放大器LM380集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。主要参数：电源电压范围1222V，当=22V，时，,非线性失真参数 当 时，时，V,W,二功率运算电路 图1-3-11 功率运算放大器 图1-3-10 集成功

13、率放大器的内部简化电路(a)内部简化电路（b）外接电路,.图1-3-11 功率运算放大器,三、桥式功率放大器 p38图1-3-12 桥式功率放大器（同相）（反相）令，,14 功率合成技术1.1.4功率合成电路的作用 p40 图 1-4-1功率合成是实现多个功率放大器联合工作的技术。1C端为同相功率合成端当AB两端输入等值同相功率时，C端负载上获得两输入功率的合成，而D端负 载上无功率输出。2D为反向功率合成端当AB两端输入等值反向功率时，D端负载 上获得两输入功率的合成，而C端负载 上无功率输出。,3隔离特性当 和 之间满足特定关系时，AB两输入端彼此隔离，即任一端功率放大器的工作状态变化或损

14、坏时，不会影响另一端功率放大器的工作状态，并维持原输出功率。4功率分功能当 时，加在D端的功率放大器将其输入功率均等地分给 和，且为反相的，而C端无功率输出；加到C端的功率放大器将其输出功率均等地分配给 和，且为同相的，而D端无功率输出。魔T混合网络由无源元件组成的功率合成电路。,1.4.2 传输线变压器 一变压器和传输线的工作频带1变压器 上限频率达几十MHz,受绕组电感和匝间分布电容的限制；下限频率受到有限激磁电感量的限制，上、下频率的比值可达几百，所以由变压器构成的魔T混合网络不适宜宽频带工作。2传输线连接信号源和负载的两根导线。图1-4-3低频工作时，导线长，特性为两普通导线，。高频工

15、作时，时，在传输线是无损耗的，且它的端阻抗是匹配的，而,（为特性阻抗，理想无损耗的传输线，理想无损耗的传输线，为纯电阻）(1-4-1)在上限频率范围内，线上电压、电流处处相等，即：（1-4-2）二传输线变压器的结构及性能分析。1组成结构传输线变压器是一种绕在磁环上的传输线。传输线可采用：同轴电缆，双股线或带状线，磁环：镍锌高磁导率()的铁氧体。,2为什么要采用磁环构成变压器结构？采用这种结构可使1、2间，3、4间的短路短线成为感抗较大的电感线圈，且，保证了传输线传输信号功率并实现了倒相作用。3变压器工作对信号传输的影响 传输线的下限频率为零，而传输线变压器的下限频率受有限激磁电感量的限制。输入

16、信号除通过传输线从始端传送到终端的i外，还有输入端电压v直接在12端间初级绕组电感上产生的电流，即输入的信号源提供的电流为,分析:在上限频率附近，可以忽略。所以，变压器的初级电感限制了传输线变压器的下限频率。结论：传输线变压器是依靠传输线传送信号的一种宽带匹配元件，它的上限频率取决于传输线的长度，下限频率取决于初级绕组电感量。三传输线变压器功能 11:1倒相功能 图1-4-4（c）对称 不对称变换2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。图1-4-6（a）不对称 对称变换,.图1-4-4 1:1倒相变压器(a)结构(b)传输线变压器(c)等效为1:1倒相变压器,3对地不对称的单端

17、输入信号转换为对地对称的双端输出信号。图1-4-6(b)44:1和1:4阻抗变换器（指）图 1-4-7 4:1阻抗变换器：图(a)(1-4-3)传输线的特性阻抗（1-4-4）1:4阻抗变换器 图（b）,所以，（1-4-5）传输线的特性阻抗为：（1-4-6）习题1-20 阻抗变换器 9:1 1:9 16:1 1:6,143 用传输线变压器构成的魔T混合网络一功率合成 图1-4-8 1电路结构，为魔T混合网络，为对称不对称变换器。2工作原理 由图 即 node A node B,解得:(1-4-7)(1-4-8)node C(1-4-9)分三种情况讨论：端合成端无输出，（为反向端，反相功率合成）,

18、当 时由于A、B提供的功率反相，所以称为反相功率合成。此时，每个功率放大器的等效负载（1-4-10）,C端合成，D端无输出（C端为同相功率合成端）当，时 两功率放大器提供等值同相功率。,每个功率放大器的等效负载（1-4-11）异常条件下的隔离条件 发生在异常时，两功率放大器提供不等值功率。（1-4-12a）（1-4-12b）,若，则 仅与 有关，而 与无关；仅与 有关，而与 无关；且每个功率放大器的等效负载均为 或。称为A、B端间的隔离条件。二功率分配1同相功率分配功率放大器接到C端 A、B端接负载电阻,。,当 时，D端无功率输出，而A、B端获得等值同相功率。又，A、B、C三端电位相同，接在C

19、 端的等效负载即为 和 的并联后，2反相功率分配 图1-4-9（b）功率放大器接到D 端,A、B端接负载电阻 和。,.图1-4-9 功率分配电路(a)同相（b）反相,当 时，C端无功率输出，A、B 端获得等值同相功率,D 端等效负载，。注意：不论哪种功率分配电路，当 时，功率放大器的输出功率就不能均等地分配到 和 上，且另一端（C 端或D 端）也有功率输出。,三另一种混合网络 p48 图1-4-10四功率合成电路实例 图1-4-11 图1-4-12 图1-4-11 四个功率放大器组成的功率合成电路,.图1-4-12 宽频带功率合成电路,1-5 整流与稳压电路 115 整流电路 分类：半波、全波

20、和桥式三种类型一、半波整流电路,图1-5-1 半波整流电路及其波形(a)半波整流电路（b）电压波形（c）电流波形 1原理电源变换器，整流二极管，输出负载，输出滤波电容，当 时，通，经间充电（设起始电荷为零），当 时，截至 经 放电。随充、放电进行逐渐增大 导通时间,截止时间直到一个周期内。动态平衡，在 上、下接50Hz频率作锯齿波等振幅振动。整流输出电压。平衡 后是一串窄脉冲序列，整流输出电流，注：叠加在 上的各次谐波电流在 上产生的各次谐波电压的叠加即为 上、下的锯齿波电压。,2.、对纹波的影响 一定，纹波 一定，。图1-5-3附加电源滤波器的半波整流电路。3.极限参数 整流电路为功率电路，

21、必须保证电路中各元件 的安全。整流管反向电压,电源变压器的极限参数是伏安容量 的有效值。二全波整流电路 原理：，交替导通，正峰附近 导通 截止。经 间 充电，经 放电。即在一个周期内，经历两次充放电，出现两个同极性电流脉冲，叠加在 上的锯齿波电压频率加倍(100Hz)。在同样 乘积值时，提,高了它的滤波能力，从而减小了滤波电压；同时，在相同 时，和 也比半波整流电流大。三桥式整流电路。图 1-5-5 原理分析：桥式整流电路实际上是全波整流电路的变形电路。达到动态平衡后，正峰附近，通 止，经 向 充电。负峰附近，通 止，经 向 充电，所以桥式电路中的 与全波整流电,.1-5-4 全波整流电路及其

22、电压和电流波形,路相同，不过，由于两个串接二极管同时截止，反 峰电压由两只二极管同时承担，降低了对二极管的 耐压要求，且通过 次级的电流 是正负交替的脉 冲电流，伏安量小。小结：全波和桥式电路的性能比半波电路好，而桥式 电路与全波电路比较，前者的电源变压器无中心抽头，结构简单，且伏安容量小，因而在中小功率整流器 中，桥式电路应用最广。,四.倍压整流电路用于要求 大而 小的场合。图1-5-9是二倍频整流电路。152串联型稳压器 一.串联型稳压器的工作原理 1.:调整管，接于输入和输出之间，受基极电压控制，即受 比较放大器输出 电压的控制、工作于放大区。,比较放大器：组成的有源负载差分放大 器。为

23、基准电压，为取样电压，比较放大器的输出电压反映了 和 的差值。组成框图及原理电路。2稳压分析若，即，为取样比。则比较放大器的差模电压为零，此时，输出仅是 管的集电极静态电压 管产生静态电压，且,.（1-5-4）稳压过程：若因 增大或负载增大使 增加 增大使 加小结：串联型稳压电路是根据 和 的比较结果控制调整管的管压降来稳定输出电压的。,二稳压性能一）参数1电压调整率（稳压系数）稳压电路对输入电压变化的抑制能力。(1-5-5)2.负载调整率（电流调整率）对输出负载电流变化的抑制能力。（1-5-6）,3输出电阻（1-5-7）注：与负载调整率 有相同的含义，都是用来评价 对 的影响，不过 为小信号

24、参数，是微小变量，而 是大信号参数，一般是指空载（）到满负载 时的变化量。工程计算式为：（1-5-8）,4纹波抑制比 5输出电压温度系数二)各部分电路对性能参数的影响 1基准电压 它的不稳定直接造成稳压器各性能参数恶,化，反馈环路是无法对它进行抑制的。要求其值稳定且不受温度及电源电压变化的影响。2环路增益：增大环路增益，特别是比较放大器的增益，可提高环路的自动调整作用，改善稳定性能。3调整管 值 增大 值，可以用较小 产生较大,同时可减小输出电阻（带负载能力强），采用复合管可改善稳压性能。,三集成串联稳压电路分类：多端式输出电压可调。三端式输入、输出（固定）、接地 端。图1-5-13 基准电源

25、电压电路。,1-5-14 7800系列三端式集成稳压 器的外接电路及其内部组成电路。,153开关型稳压器 与串联稳压电路不同，在开关稳压电路中，调整管工作在开关状态而非大区。通过控制开关的开启时间来自动调整输出电压。一直流直流变换器（斩波器）开关稳压 部分的核心部分。分类：降压型、升压型、降压升压型三种。1降压型变压器 p65 图1-5-15,：开关，：续流二极管，低通滤波器。原理分析：设开关闭合电阻为零。1）当 S闭合时,D截止,向充电，。当S断开时 产生反极性感应电压导通 D导通 是幅值为 的周期脉冲，其平均值即为通过。,.即为通过 低通滤波器在 上产生的输出直流电压。2）（忽略 的纹波电

26、压）当S闭合时，线性上升。,所以 当S断开时 线性下降，并经过D构成闭合回路，（故称D为续流二极管）取则当 一定时，控制 值，即可改变 值，,因为，所以。2.升压型变压器 图1-5-16 当S闭合时,D截止,当S断开时,D导通,要求 解得,.(1-5-14)3.降压升压型变压器 图1-5-17 当S闭合时，D截止，当S断开时，,D导通，要求 得,.(1-5-15)当 时,当 时,升压型 当 时,降压型,二开关稳压电路的工作原理 p68图1-5-18 1构成：将电压变换电路与相应的控制电路组合成一个闭合环路，其中控制电路的作用是使开关管启闭时间受到输出电压变化的控制，而输出电压又由开关管的启闭时间调整，这样就构成了具有稳压功能的开关稳压电路。控制电路又称为脉冲宽度调制器。,2原理；、为取样电阻，取样电压 及 加到误差放大器，其输出 反映二者差值电压，将其接到比较器的反相端。振荡器产生的固定f三角波 加到比较器的同相端，当 时，比较器输出高电压，开关管 饱和导通；当 时，比较器输出低电平，截止。,稳压过程：当 时，误差放大器输出静态电压，经比较器使 导通时间为，或占空系数为则若因某种原因，导通时间或，反之亦然。若因某种原因，导通时间 或，反之亦然。,四.开关型稳压控制电路举例 图1-5-20用集成脉冲调制器构成的稳压电路。,