模電第九章功率放大電路

1、第九章第九章 功率放大器功率放大器 第九章第九章 功率電路及系統(tǒng)功率電路及系統(tǒng) 本章重點(diǎn)主要介紹低頻功率放大器，重點(diǎn)介紹互補(bǔ)對(duì) 稱推挽乙類功放電路的工作原理及其分析計(jì)算。 9.1 功率放大電路的一般問題 9.2 互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大電路 9.3 D類功率放大電路 9.4 集成功率放大電路 9.5 功率器件 第九章第九章 功率放大器功率放大器 9.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題 功放的作用：提供不失真的足夠大的信號(hào)功率 C 100% 1 o EoCo E P PPPPP P 1) 輸出功率盡可能的大。 Po=I 有效U有效=I omUom/2 功率管處于大信號(hào)范圍，因此一般采用

2、圖解法分析。 2) 效率要高 電源功率PE，輸出功率Po，集電極損耗功率PC，則： 第九章第九章 功率放大器功率放大器 3) 非線性失真矛盾突出。 如何減小非線性失真，又得到大的交流輸出功率。 4) 功率器件的安全問題必須考慮。 管耗主要體現(xiàn)在集電極的功耗，導(dǎo)致管子的結(jié)溫和 管殼溫度升高。 穩(wěn)定工作：限制最大功耗、最大電流和管子承受的 反壓，良好的散熱，適當(dāng)?shù)倪^流、過熱保護(hù)。 功放電路的要求：效率高、非線性失真小、安全工 作的前提下，提供足夠的功率。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 A類(導(dǎo)通角為360) 二、工作狀態(tài)分類二、工作狀態(tài)分類 根據(jù)Q點(diǎn)的位置不同，功放電路可分為A類、B類、C類

3、等。 B類(導(dǎo)通角為180)C類(導(dǎo)通角180) 靜態(tài)電流大 非線性失真小 管耗大，效率低 小信號(hào)放大和驅(qū)動(dòng)級(jí) 靜態(tài)電流約等于零 非線性失真大 效率較高 功率放大電路 靜態(tài)電流等于零 非線性失真最大 效率最高 高頻功率放大電路 第九章第九章 功率放大器功率放大器 AB類功放電路的工作狀態(tài)： 特點(diǎn)：導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周 期小于一個(gè)周期，兼有A類 失真小B類效率高的優(yōu)點(diǎn)。 AB類互補(bǔ)對(duì)稱功放得到廣泛應(yīng)用。 三、提高功放電路效率的方法三、提高功放電路效率的方法 故功放電路多采用AB類或B類工作狀態(tài)。 結(jié)論：采用互補(bǔ)或推挽功率電路。 CoE PPP C P C I 第九章第九章 功率放大器功率放大器 一

4、、B類互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大器互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大器 9.2 互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大器互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大器 -UCC +UCC R1 R2 RL uo VD1 VD2 ui V1 V2 ui wt 0 1、電路及工作原理 +UCC ui + - - V1 RL uo V2 RL uo ui -UCC iC1 iC2 uo wt 0 uo wt 0+ uo wt 0 + 第九章第九章 功率放大器功率放大器 0 iC1 wt 2 0 iC2 wt2 任意任意 理想理想 最大最大 Icm iC1 iC2 QUCES UCES0 0 UCC Uo 理想理想 最大最大 任意任意 最大最大 理想理想 2、指

5、標(biāo)分析計(jì)算 輸出波形的三種狀態(tài)： 任意狀態(tài)：Uom=Uim 最大狀態(tài)：Uom=UCC-UCES 理想狀態(tài)：UomUCC 第九章第九章 功率放大器功率放大器 有關(guān)指標(biāo)計(jì)算：有關(guān)指標(biāo)計(jì)算： 1) 輸出功率 Po L om omom R U UI UI P 2 omom o 2 1 2 1 22 一般Uom UCC，定義電源利用系數(shù)： 222 omCC o CC 11 22 om LL UUU P URR 輸出電壓Uom 為：) 1( om CCCESCC UUUU 故理想狀態(tài)下Pom 為： L R U P 2 CC om 2 1 第九章第九章 功率放大器功率放大器 2) 直流電源提供的功率 cm

6、cmo I tdtII 0 )()sin( 2 1 單管電流為半個(gè)周期的非正弦波形，均值為： 兩個(gè)電源提供的總平均功率為 ： L CC CC L omCCcm CCoE R U U R UUI UIP 2 22 2 2 由此：電源提供的功率PE為不是恒定的，隨輸入信號(hào)大小 而改變，輸入信號(hào)大， PE大，輸入信號(hào)小， PE小。 2 maxmin 2 (1) 0 0 CC EE L U PP R （） 第九章第九章 功率放大器功率放大器 3) 效率 o 100%100%100%78.5% 44 E P P 實(shí)際效率一般在60%左右。 4) 管耗 PC（單管管耗） 2 o 2 2 2 22 22 o

7、 1 224 112 ()0 2 121 21 () 4 211 0.2 2 CCooE C LL CCC ooCC oL CCCC CmCCCC LL CmCCCC LLm PUUUP P RR dPU UUU dUR UU PUU RR PUU RRP 選擇功率管選擇功率管 功耗的依據(jù)功耗的依據(jù) 第九章第九章 功率放大器功率放大器 5) 選擇功率管的原則選擇功率管的原則 (2) 已知Pom，選擇管子允許的最大功耗PCM LmCmCM PPP2 . 0 2 omom 1 2 2 CC CCL L U PUP R R (1) 已知Pom 及 RL，選UCC，則 (3) 功率管的最大耐壓U(BR

8、)CEO CCCEOBR UU2 )( (4)管子允許的最大集電極電流ICM L CC CmCM R U II 第九章第九章 功率放大器功率放大器 例9.2.1 在圖示功放電路中，已知UCC=12V，RL=8， 功率管的飽和壓降UCES=1V，試問： + - + - ui uo V1 V2 VD R1 R2 R3 RL +UCC - -UCC 1) 靜態(tài)時(shí)調(diào)整哪個(gè)電阻可使uo=0? 2)調(diào)節(jié)哪個(gè)電阻可克服交越失真? 3)二極管的作用是什么，若二極管 反接，對(duì)V1、V2產(chǎn)生什么影響？ 4)輸入幅度為10的正弦信號(hào)時(shí)，求 電路輸出功率Pom，電源供給的功率 PE、單管管耗PC和效率。 5)若V1、

9、V2功率管的極限參數(shù)為PCM=10W，ICM=5A， U(BR)CEO= 40V，驗(yàn)證功率管的安全性 第九章第九章 功率放大器功率放大器 解： 1) 靜態(tài)時(shí)調(diào)整電阻 R1 可使uo=0 2)調(diào)節(jié)電阻R2并適當(dāng)增大，以恰好克服交越失真為限。 3)二極管：提供適當(dāng)?shù)恼蚱?微導(dǎo)通狀態(tài))，工作于AB 狀態(tài)。若反接，流過R1的靜態(tài)電流全部成為V1、V2的基極 電流，導(dǎo)致晶體管的基極電流過大，甚至燒壞。 4) 輸入信號(hào)的最大值為 2 om om oo 10 2 V 1 10 2 21 12.5 W 16.9 W 2 2.2 W 100%74% 22 imuoMim om ECC LL E C E UA

10、UU UU PPU RR PPP P P 第九章第九章 功率放大器功率放大器 5) 功率管的安全與否 2 omM omM 0.20.22.8 W10 W 2 230 V40 V 1.875 A5 A CC CMom L CC CC L U PP R UU U I R 結(jié)論：功率管是安全的。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 二、二、AB類單電源互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大器類單電源互補(bǔ)跟隨對(duì)稱功率放大器 單電源互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器電路如圖 1、工作原理 靜態(tài)，UA=UCC/2 電容C2上的直流電位為UCC/2， 相當(dāng)于負(fù)電源供電 動(dòng)態(tài)時(shí) 輸入負(fù)半周，V1導(dǎo)通V2截止，C2充電，RL正半周信號(hào)； 輸

11、入正半周，V1截止V2導(dǎo)通，RL上得到負(fù)半周信號(hào)。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 2、分析計(jì)算 L CC L CC L om om R U R U R U P 2 2 2 8 1 ) 2 ( 2 1 2 1 為保證功率放大器良好的低頻響應(yīng)，電容C2必須滿足 2 CC om U U 交流電壓振幅的最大值為： 負(fù)載最大交流功率為： LLR f C 2 1 2 f 2為放大器要求的下限頻率(忽略共集電極電路輸出電阻) 第九章第九章 功率放大器功率放大器 三、復(fù)合管及準(zhǔn)互補(bǔ)三、復(fù)合管及準(zhǔn)互補(bǔ)B類功率放大器類功率放大器(OCL電路電路) 復(fù)合管：輸出大的電流來驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率管。 復(fù)合管由兩只三極管組

12、成，前管的C-E跨接在后管的B-C 極之間，前管用小功率推動(dòng)管，后管為大功率輸出管。 21 總 復(fù)合管的總值為 組成復(fù)合管的原則有以下幾點(diǎn)： (1) 電流流向要一致。 (2)各極電壓必須保證所有管子工作在放大區(qū)。 (3) 復(fù)合管的性質(zhì)取決于第一個(gè)晶體管的性質(zhì)。若第一 個(gè)管子為PNP，則復(fù)合管也為PNP,反之為NPN。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 復(fù)合管的幾種接法及其等效 第九章第九章 功率放大器功率放大器 復(fù)合管等效電流放大倍數(shù) IC1 IC2 IE1=IB2 IE=IE2 IB=IB1 12111 1211211 12112 (1) (1) (1) BBBEB CCCBB IIIII

13、 IIIII 第九章第九章 功率放大器功率放大器 由復(fù)合管構(gòu)成的互補(bǔ)B類功率放大器電路 第九章第九章 功率放大器功率放大器 9.3 D類功率放大電路類功率放大電路 D類功率放大電路利用開關(guān)技術(shù)放大音頻信號(hào)的音頻功 率放大器。 D類功率放大電路的工作原理：基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù) PWM模式。 D類功率放大電路的特點(diǎn)： 1、效率高，最小80% 2、耗散功率小，產(chǎn)熱小。 3、連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)百瓦。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 9.5 功功 率率 器器 件件 一、雙極型大功率晶體管雙極型大功率晶體管(BJT) PCM與總熱阻RT、結(jié)溫TjM和環(huán)境溫度To之間關(guān)系為 T ojM CM R TT

14、P 1、散熱與最大功耗的關(guān)系； 功率管的集電結(jié)管耗變?yōu)闊崮芏构苄镜慕Y(jié)溫上升。 管芯材料的最大允許結(jié)溫TjM(鍺管TjM75100, 硅管TjM 150200)，則晶體管將永久損壞。 這個(gè)界限稱為晶體管的最大允許功耗PCM。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 功率管的功耗并未超額，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。 2、二次擊穿和安全工作區(qū)。 一次擊穿 二次擊穿 二次擊穿機(jī)理：流過BJT的電流在功率管結(jié)面上分布不 均勻，造成結(jié)面局部溫度過熱(成為熱斑)所致。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 二、功率二、功率MOS器件（器件（VMOS） 與BJT管比較，VM

15、OS具有許多優(yōu)點(diǎn)： (1)輸入阻抗大，所需驅(qū)動(dòng)電流小，功率增益高。 (2)溫度穩(wěn)定性好，漏極電阻為正溫度系數(shù)，當(dāng)器件溫 度上升時(shí)，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) 開關(guān)速度快，適合高頻工作(工作頻率達(dá)幾百kHz甚 至于幾MHz)。 對(duì)VMOS加以改進(jìn)，可獲得雙擴(kuò)散MOS管(簡稱DMOS)。 可承受高電壓、大電流，速度快等特點(diǎn)。 第九章第九章 功率放大器功率放大器 三、功率管的保護(hù)、功率管的保護(hù) 為保證功率管的正常運(yùn)行，要附加一些保護(hù)電路，包括 安全區(qū)保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等等。 舉例：在VMOS的柵極加限流、限壓電阻和反接二極管， 在感性負(fù)載上并聯(lián)電容和二極管，以限制過壓或