第8章功率放大電路

1、第,8,章,功率放大電路,在工程上要驅(qū)動負載，不僅要求有較大的電壓輸出，,同時還要求有較大的電流輸出，因此放大電路的末級常是,功率放大電路。,信號源,傳感器,非電量,電壓放大,功率放大,放大電路,負載,把電信號轉(zhuǎn)換成,其他形式的能量,功率放大電路與電壓放大電路的相同點：,放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。是利用三極管的,控制作用把直流電源的能量按照輸入信號的變化規(guī)律進,行放大后傳送給負載。,8.1,功率放大電路的一般問題,1.,功率放大電路的主要特點,1,.,2,.,3,.,4,.,5.,要求給負載提供足夠大的功率。,在輸入為大信號下工作。,分析方法以圖解法為主。,非線性失真矛盾突出。,提高效率

2、成為重要的關(guān)注點。,6.,功率器件的安全問題必須考慮,。,一般直接驅(qū)動負載，帶負載能力要強。,2.,要解決的問題,提高效率,減小失真,管子的保護,3.,提高效率的途徑,降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。,4. BJT,三種工作狀態(tài),三極管根據(jù)正弦信號整,個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可,分為幾個工作狀態(tài)：,甲,類：,一個周期內(nèi)均導(dǎo)通,乙,類：,導(dǎo)通角等于,180,甲乙類：,導(dǎo)通角大于,180,5.,功放的分類,根據(jù)管子靜態(tài)工作點的不同分為三類,甲類功放、乙類功放、甲乙類功放,（,1,）甲類功放,靜點在負載線的中點，在整個信號周期內(nèi)管子都導(dǎo)通。,特點,：,i,C,i,C,集電極電流大、管耗大，,效率,50%,

3、低、,波形不失真,I,C,Q,Q,0,0,用途,：,小信號放大,甲類功放：射極輸出器,0,t,u,CE,u,CE,U,CE,Q,t,（,2,）,乙類功放,在半個信號周期內(nèi)，管子導(dǎo)通，靜點在橫軸上。,特點,：,I,C,=0,效率高,78.5%,失真大,0,i,C,i,C,Q,t,0,0,u,CE,u,CE,用途,：,用于互補對稱的功放,t,（,3,）,甲乙類工作狀態(tài),半個周期管子導(dǎo)通時間一個周期，靜電在交流負載,線中點以下橫軸之上。,特點,：,I,C,小,效率高,失真小,用途,：,0,t,0,0,i,C,i,C,Q,u,CE,u,CE,OCL,互補對稱的功放,t,8.2,乙類雙電源互補對稱功率放

4、大電路,8.2.1,電路組成,由一對,NPN,、,PNP,特性相同,的互補三極管組成，采用正、,負雙電源供電。這種電路也稱,為,OCL,互補對稱功率放大電路。,工作原理,兩個三極管在信號正、,負半周輪流導(dǎo)通，使負載,得到一個完整的波形。,8.2.2,分析計算,一、靜態(tài)分析,偏置電流為零，管子工作在乙類狀態(tài)。,I,B,?,0,I,C,1,?,I,C,2,?,0,因為兩個管子參數(shù)特性相同，所以,V,E,?,0,V,O,?,0,二、動態(tài)分析,當,u,i,為正半周時，,T,1,正偏導(dǎo)通，,T,2,反偏截止，輸出,u,o,正半周波形；,當,u,i,為負半周時，,T,2,正偏導(dǎo)通，,T,1,反偏截止，輸出

5、,u,o,負半周波形。,負載在輸入信號的整個周期內(nèi)都有電流，輸出電壓為一完整正弦波。,兩管交替工作，互相補充并且電路對稱所以稱為互補對稱的功放。,1.,輸出功率,P,o,輸出電壓與輸出電流有效值的乘積。,V,om,V,om,V,om,P,o,=,V,o,I,o,?,?,?,2,2,?,R,L,2,R,L,最大不失真,輸出功率,P,omax,P,omax,=,(,V,CC,?,V,CES,2,R,L,),2,2,(,V,CC,?,V,CES,),V,CC,?,?,2,R,L,2,R,L,2,2,V,CES,V,CC,2.,管耗,P,T,1,P,T1,=,2,1,?,2,1,?,2,?,?,?,v

6、,o,(,V,CC,?,v,o,),d,(,?,t,),0,R,L,V,om,sin,?,t,(,V,CC,?,V,om,sin,?,t,),d(,?,t,),0,R,L,0,V,CC,V,om,V,om,2,(,sin,?,t,?,sin,?,t,),d(,?,t,),R,L,R,L,2,2,1,V,CC,V,om,V,om,?,(,?,),R,L,?,4,兩管管耗,2,2,V,CC,V,om,V,om,P,T,=,P,T1,?,P,T2,?,(,?,),R,L,?,4,3.,電源供給的功率,P,V,2,V,CC,V,om,P,V,=,P,o,?,P,T,?,?,R,L,當,V,om,?,V

7、,CC,時，,P,Vm,4.,效率,?,2,V,CC,?,?,?,R,L,2,P,o,?,V,om,?,=,?,?,P,V,4,V,CC,當,V,om,?,V,CC,時，,?,?,?,4,?,78.5,%,8.2.3,功率,BJT,的選擇,1.,最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系,當,V,OM,0.6V,CC,時每管具有最大管耗,2.,功率,BJT,的選擇,選管依據(jù),:,P,T1m,?,0,.,2,P,om,P,T1m,?,0,.,2,P,om,|V,(BR)CEO,| 2V,CC,I,CM,V,CC,/R,L,3.,改善器件的散熱條件,普通功率三極管的外殼較小,散熱效果差,所以允許的耗散功率低。當

8、加上散熱片,使得器,件的熱量及時散熱后,則輸出功率可以提高很多。,例如低頻大功率管,3AD6,在不加散熱片時,允許的,最大功耗,P,cm,僅為,1W,加了,120mm,120mm,4,mm,的,散熱片后,其,P,cm,可達到,10,W,。,在實際功率放大電路中,為了提高輸出信號功,率,在功放管一般加有散熱片。,例題,功放電路如圖所示，設(shè),V,CC,=12V,，,R,L,=8,，,BJT,的極,限參數(shù)為,I,CM,=2A,，,|,V,（,BR,）,CEO,|=30V,，,P,CM,=5W,。試求：,1.,最大的輸出功率,P,om,，檢驗,BJT,能否安全工作？,2.,放大電,路在,=0.6,時的

9、輸出功率,P,o,值。,解：,1,1,V,12,P,om,?,?,?,9,W,2,R,L,2,?,8,2,CC,2,i,Cm,V,CC,12,?,?,?,1,.,5,A,R,L,8,v,CEm,?,2,V,CC,?,2,?,12,?,24,V,P,T,1,m,?,0,.,2,P,om,?,0,.,2,?,9,?,1,.,8,W,?,i,Cm,?,I,Cm,?,2,A,v,CEm,?,|,V,(,BR,),CEO,|,?,30,V,P,T,1,m,?,P,Cm,?,5,W,，,?,BJT,能安全工作,2.,當,=0.6,時，求輸出功率,P,o,?,?,?,?,V,om,4,V,CC,V,CC,?

10、,2,?,V,om,?,?,?,4,2,om,0,.,6,?,4,?,12,?,?,?,9,.,2,V,1,V,9,.,2,P,o,?,?,?,?,5,.,3,W,2,R,L,2,?,8,8.3,甲乙類互補對稱功率放大電路,乙類互補對稱電路存在的問題,0.6V,-0.6V,8.3.1,甲乙類雙電源互補對稱電路,1.,靜態(tài)偏置,可克服交越失真,設(shè),T,3,已有合適,的靜態(tài)工作點,2.,動態(tài)工作情況,二極管等效為恒壓模型,T,3,、,R,e3,、,D,1,、,D,2,、,R,C3,組成,前置放大級，,T,1,和,T,2,組成互,補對稱功放輸出級。,靜態(tài)時，,D,1,、,D,2,產(chǎn)生的壓降為,T,1

11、,和,T,2,提供偏壓，使管子微導(dǎo)通。,由于電路對稱：,i,C,1,?,i,C,2,i,L,?,0,v,O,?,0,當有輸入信號時，電路工作在甲乙類，進行線性放大。,電路的缺點：偏置電壓不能調(diào)整,是利用,U,BE,倍壓電路向兩,管提供所需的偏壓,其關(guān)系推,導(dǎo)如下,:,R,e3,+,V,CC,U,BE,4,R,2,?,(,U,BE,1,?,U,EB,2,),R,1,?,R,2,R,1,?,R,2,?,U,BE,4,R,2,i,C1,T,1,v,i,R,1,R,2,R,3,T,3,U,BE,1,?,U,EB,2,T,4,v,o,T,2,R,1,?,(,1,?,),U,BE,4,R,2,i,C2,-

12、,V,EE,R,L,i,L,由于,U,BE4,為,0.60.7V,值固定，所以調(diào)節(jié)電阻的比,值即可改變兩管的偏壓,8.3.2,甲乙類單電源互補,對稱電路（,OTL,）,1.,靜態(tài)偏置,調(diào)整,R,1,、,R,2,阻值,的大小，可使,1,此時電容上電壓,V,?,V,C,CC,2,2.,動態(tài)工作情況,此電路存在的問題：,K,點電位受到限制,1,V,K,?,V,CC,2,3.,帶自舉電路的單電源功放,靜態(tài)時,1,V,K,?,V,CC,2,自舉電路,C,3,充電后，其兩,端有一固定電壓,動態(tài)時,C,3,充當一個電源,8.4,功率器件,8.4.1,雙極型大功率晶體管,(BJT),功率管的最大工作電流必須小

13、于該功率管的,最大允許電流,I,CM,；最大工作反壓必須小于允許的,擊穿電壓,U,(BR)CEO,；功率管的功耗要小于允許的最,大功耗,P,CM,。,這里有兩個問題還需加以說明：一是散熱與最,大功耗的關(guān)系，二是有關(guān)二次擊穿和安全工作區(qū)。,一、散熱與最大功耗,P,CM,的關(guān)系,電源供給的功率，一部分轉(zhuǎn)換為負載的有用,功率，另一部分則消耗在功率管的集電結(jié)，變?yōu)?熱能而使管芯的結(jié)溫上升。如果晶體管管芯的溫,度超過管芯材料的最大允許結(jié)溫,T,jM,(,鍺管,T,jM,約為,75,100,硅管,T,jM,約為,150,200,),，則晶體管,將永久損壞。我們把這個界限稱為晶體管的最大,允許功耗,P,CM

14、,。,描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱為熱阻,R,T,。,R,T,的量綱為,/W,，它表示每消耗,1W,功率結(jié)溫上,升的度數(shù)。,為減小散熱阻力，改善散熱條件，通常采用,加散熱器的方法。下圖給出一種鋁型材散熱器的,示意圖。,加散熱器后，熱,傳導(dǎo)阻力等效通,路如圖所示。,圖中：,R,Tj,內(nèi)熱阻，表示管芯到管殼的熱阻；,R,Tfo,管殼到空間的熱交換阻力；,R,Tc,管殼到散熱器之間的接觸熱阻，與,管殼和散熱器之間的接觸狀況有關(guān)；,R,Tf,散熱器到空間的熱交換阻力，與散,熱器的形狀、材料以及面積有關(guān)。,由圖可見，不加散熱器時，總熱阻,R,To,為,R,To,=,R,Tj,+,R,Tfo,由于管殼散熱

15、面積很小，,R,Tfo,是很大的。,加散熱器后，由于,(,R,Tc,+,R,Tf,),R,Tfo,，所以，總,熱阻,R,T,為,R,T,R,Tj,+,R,Tc,+,R,Tf,顯然，,R,T,R,To,功率管的最大允許功耗,P,CM,與總熱阻,R,T,、最,高允許結(jié)溫,T,jM,和環(huán)境溫度,T,o,有關(guān)，其關(guān)系式為,P,CM,?,T,jM,?,T,o,R,T,二、二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū),功率管在實際應(yīng)用中，常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額，,管子也不發(fā)燙，但卻突然失效。這種損壞不少是由,于“二次擊穿”所致。,二次擊穿現(xiàn)象可由下圖,(a),來說明。當集電極電,壓增大時，首先可能出現(xiàn)一次擊穿,(AB,段,),。

16、這是正,常的雪崩擊穿。二次擊穿的起點與,i,B,大小有關(guān)。通常,將其起、始點連線稱為二次擊穿臨界線，如圖,(b),為保證功率管安全可靠地工作，除保證電流,小于,I,CM,、功耗小于,P,CM,、工作反壓小于一次擊穿,電壓,U,(BR)CEO,外，還應(yīng)避免進入二次擊穿區(qū)。所以，,功率管的安全,工作區(qū)如圖所示。,8.4.2,功率,MOS,器件,有許多適合大功率運行的,MOS,器件，其中突,出的代表是,VMOS,管和雙擴散,MOS,管。,VMOS,管的結(jié)構(gòu),剖面圖如圖所,示。,與,BJT,管比較，,VMOS,具有許多優(yōu)點：,(1),輸入阻抗大，所需驅(qū)動電流小，功率增益高。,(2),溫度穩(wěn)定性好，漏極

17、電阻為正溫度系數(shù)，當器,件溫度上升時，電流受到限制，不可能產(chǎn)生熱,擊穿，也不可能產(chǎn)生二次擊穿。,(3),沒有,BJT,管的少子存貯問題，加之極間電容小，,所以開關(guān)速度快，適合高頻工作,(,工作頻率達,幾百,kHz,甚至于幾,MHz),。在,VMOS,基礎(chǔ)上加以改,進，前又出現(xiàn)了雙擴散,MOS,管,(,簡稱,DMOS),。此,類管子在承受高電壓、大電流，速度快等性能,方面又有不少提高。,8.4.3,絕緣柵,雙極型功率管,(IGBT),及功率模塊,一、,IGBT,的等效電路及符號,它綜合了,MOS,管輸入阻抗大、驅(qū)動電流小和,雙極型管導(dǎo)通電阻小、高電壓、大電流的優(yōu)點。,當,MOS,管柵壓大于開啟電

18、壓后，出現(xiàn)漏極電流。,該電流就是雙極型晶體管的基極電流，從而使,BJT,管導(dǎo)通，且趨向飽和,(,管壓降很低，電位很大,),。,當,MOS,管柵壓減小使溝道消失時，,I,D,=0,，,I,B,=0,管子截止。,IGBT,具有許多優(yōu)點，但工作頻率不太高，,一般小于,50kHz,左右。,二、功率模塊,功率模塊有許多，有達林頓電路模塊、各種,MOS,管或,BiFET,組件等。下圖給出一種高速大功,率,CMOS,器件,(TC4420/29,系列,),，其脈沖峰值電流,高達,6A,，開關(guān)速度高達,25ns,，使用十分方便，而,且能帶動大電容負載,(,C,L,1000pF),。,下圖是由兩塊,TC4420,組成的橋式電路，驅(qū)動,電機或陀螺正、反向轉(zhuǎn)動。,目前，還出現(xiàn)了許多高速大功率運算放大器,(PowerOperationalAmplifiers),，如,OPA2544,、,3583,等。,OPA2544