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) 本章重點主要介紹低頻功率放大器，重點介紹互補對稱推挽乙類功放電路的工作原理及其分析計算。9.1 功率放大電路的一般問題9.2 互補跟隨對稱功率放大電路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功率C 100% 1oEoCoEPPPPPPP1) 輸出功率盡可能的大。 Po=I 有效U有效=I omUom/2 功率管處于大信號范圍，因此一般采用圖解法分析。2) 效率要高電源功率

2、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。 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點的位置不同，功放電路可分為A類、B類、C類等。B類(導(dǎo)通角為180)C類(導(dǎo)通角180)靜態(tài)電流大非

3、線性失真小管耗大，效率低小信號放大和驅(qū)動級靜態(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：導(dǎo)通時間大于半個周期小于一個周期，兼有A類失真小B類效率高的優(yōu)點。AB類互補對稱功放得到廣泛應(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：采用互補或推挽功率電路。CoEPPPCPCI第九章第九章 功率放大器功率放大器一、B類互補跟隨對稱功率放大器互補跟隨對稱功率放大器9.2 互補跟隨對稱功率放大器互補跟隨對稱功率放大器-UCC+UCC

4、R1R2RLuoVD1VD2uiV1V2uiwt01、電路及工作原理+UCCui+- -V1RLuoV2RLuoui-UCCiC1iC2uowt0uowt0+uowt0+第九章第九章 功率放大器功率放大器0iC1wt20iC2wt2任意任意理想理想最大最大IcmiC1iC2QUCESUCES00UCCUo理想理想最大最大任意任意最大最大理想理想2、指標(biāo)分析計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)計算：有關(guān)指標(biāo)計算：1) 輸出功率 PoLomomomRUUIUIP2omomo212122一般

5、Uom UCC，定義電源利用系數(shù)：222omCCoCC 11 22omLLUUUPURR輸出電壓Uom 為：) 1( omCCCESCCUUUU故理想狀態(tài)下Pom 為：LRUP2CCom21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 cmcmoItdtII0)()sin( 21單管電流為半個周期的非正弦波形，均值為：兩個電源提供的總平均功率為 ：LCCCCLomCCcmCCoERUURUUIUIP 2 2222由此：電源提供的功率PE為不是恒定的，隨輸入信號大小而改變，輸入信號大， PE大，輸入信號小， PE小。2maxmin2 (1) 0 0 CCEELUPPR（）第九章第九

6、章 功率放大器功率放大器3) 效率o100%100%100%78.5%44EPP實際效率一般在60%左右。4) 管耗 PC（單管管耗）2o2222222o1224112()0 2121 21() 42110.22CCooECLLCCCooCCoLCCCCCmCCCCLLCmCCCCLLmPUUUPPRRdPUUUUdURUUPUURRPUURRP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PCMLmCmCMPPP2 . 02omom1 22CCCCLLUPUP RR (1) 已知Pom

7、 及 RL，選UCC，則(3) 功率管的最大耐壓U(BR)CEOCCCEOBRUU2)(4)管子允許的最大集電極電流ICMLCCCmCMRUII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：+-+-uiuoV1V2VDR1R2R3RL+UCC- -UCC1) 靜態(tài)時調(diào)整哪個電阻可使uo=0?2)調(diào)節(jié)哪個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V1、V2產(chǎn)生什么影響？4)輸入幅度為10的正弦信號時，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、V2功率管的極限參

8、數(shù)為PCM=10W，ICM=5A，U(BR)CEO= 40V，驗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)時調(diào)整電阻 R1 可使uo=02)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) 輸入信號的最大值為2omomoo10 2 V 1 10 22112.5 W 16.9 W2 2.2 W 100%74%22imuoMimomECCLLECEUAUUUUPPURRPPPPP第九章第九章 功率放大器功率放大器5) 功

9、率管的安全與否2omMomM0.20.22.8 W10 W2230 V40 V1.875 A5 ACCCMomLCCCCLUPPRUUUIR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類單電源互補跟隨對稱功率放大器類單電源互補跟隨對稱功率放大器單電源互補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)于負電源供電動態(tài)時輸入負半周，V1導(dǎo)通V2截止，C2充電，RL正半周信號；輸入正半周，V1截止V2導(dǎo)通，RL上得到負半周信號。第九章第九章 功率放大器功率放大器2、分析計算LCCLCCLomomRURURUP22281)2(

10、2121為保證功率放大器良好的低頻響應(yīng)，電容C2必須滿足 2CComUU交流電壓振幅的最大值為：負載最大交流功率為：LLRfC 212f 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)互補三、復(fù)合管及準(zhǔn)互補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)動后級功率管。 復(fù)合管由兩只三極管組成，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： (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

11、一個晶體管的性質(zhì)。若第一個管子為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)IC1IC2IE1=IB2IE=IE2IB=IB112111121121112112 (1)(1)(1)BBBEBCCCBBIIIIIIIIII 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。

12、D類功率放大電路的特點： 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TojMCMRTTP 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

13、。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，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，漏極電阻為正溫度系數(shù)，當(dāng)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) 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)。 對VMOS加以改進，可獲得雙擴散MOS管(簡稱DMOS)?？沙惺芨唠妷?、大電流，速度快等特點。第九章第九章 功率放大器功率放大器三、功率管的保護、功率管的保護 為保證功率管的正常運行，要附加一些保護電路，包括安全區(qū)保護、過流保護、過熱保護等等。舉例：在VMOS的柵極加限流、限壓電阻和反接二極管，在感性負載上并聯(lián)電容和二極管，以