电子线路非线性部分第五版第一章功率放大器.ppt

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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放大器大，减小非线性

2、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)CEO和ICM也较大。且集电

3、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，而且不可逆。,双扩散MOS管(Double-diff

4、used 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=VCEQ Vcm sint,Vcm VCEQ VCC/2，Icm=Vcm/RL

5、 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：PD=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

6、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 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

7、，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=R

8、LIcmsint,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=Ic

9、m 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

10、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 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，

11、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

12、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

13、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PWM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

14、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，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

15、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)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=

16、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

17、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

18、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、

19、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

20、压器的启动电压。T1T7基准电压源电兼作比较放大器；R19，R20取样分压电阻。,集成稳压电路,1.6.2 低压差线性稳压电路,基于负反馈自动调节作用获得稳定的输出电压。取样电压加在比较放大器A的同相端，与加在反相端的基准电压Vref相比较，两者的差值经A放大后，控制串联调整管的压降，稳定输出电压。,LDO与一般串联稳压电路的最大区别在于调整管的接法。对控制信号前者为共源连接，调整管可工作在饱和区，甚至非饱和区。后者共集连接，调整管工作在放大区；一般串联稳压电路的输入和输出电压差至少为一个集射饱和电压和一个基射导通电压之和。对于LDO，当调整管工作于非饱和区时，其输出电压可以非常接近输入电压，

21、即可获得非常小的压差。,LDO的交流分析,以参考电压为输入，电压串联负反馈，深度负反馈,1.6.3 开关稳压电路,一、直流直流变换器,直流直流变换器有降压型、升压型和降压升压型三种典型电路。,1、降压型变换器,VA=VI,控制d即可控制输出 d 1,脉冲占空系数,2、升压型变换器,ton,toff,3、降压升压型变换器,ton,toff,二、开关稳压电路工作原理,R1和R2为取样网络，取样电压Vs加到误差放大器的正相输入端，与基准电压比较，产生误差电压经放大后加到比较器的反相输入端。振荡器产生特定频率的三角波。,开关稳压电路实例,1.6.4 LDO与开关稳压电路比较,LDO优点：成本低，噪音低，静态电流小，需要的外接元件少。开关稳压电路的优点：效率高、大电流、静态电流小。若输入电压和输出电压很接近，应选用LDO稳压器。若输入电压和输出电压不是很接近，应选用开关型稳压器。,