電子技術(shù)基礎(chǔ)第5章-低頻功率放大器課件_第1頁
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文檔簡介

1、第5章 低頻功率放大器概述乙類雙電源互補對稱功率放大電路集成功率放大器功率器件本章主要內(nèi)容基本概念: 三極管的甲類、乙類和甲乙類工作狀態(tài); 交越失真 PO(輸出功率); POM(最大輸出功率); PV(電源供給的功率)=PO+PT;本章主要講述功率放大電路的基本原理和基本分析方法?!疽笾攸c掌握以下內(nèi)容:】本章主要內(nèi)容雙電源互補對稱電路工作在乙類時,BJT器件安全工作必須要滿足的極限參數(shù)(3個):PCM,V(BR)CEO,ICM PT(管耗) (效率)=PO/PV;5.1 概述一.什么是功率放大電路?能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路,簡稱功放。 二者無本質(zhì)的區(qū)別,都是能量的

2、控制與轉(zhuǎn)換。二.功率放大電路與前面介紹的電壓放大電路有本質(zhì)上的區(qū)別嗎?不同之處在哪里? 不同之處在于:各自追求的指標不同。電壓放大電路:功率放大電路:主要要求使負載得到不失真的電壓信號,其輸出功率并不一定很大;通常為小信號放大電路。主要要求獲得盡可能大的不失真(或失真較?。┹敵龉β屎娃D(zhuǎn)換效率,通常是在大信號狀態(tài)下工作。5.1.1 功率放大電路的特點輸出功率要大;效率要高;輸出功率電源提供的功率越大,效率越高非線性失真要?。还芎妮^大,要考慮散熱問題;功放管的保護問題5.1.2 功率放大電路分類四種工作狀態(tài) 根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)三極管的導通情況劃分乙類:導通角等于180甲類:一個周期內(nèi)均導通甲乙

3、類:導通角大于180丙類:導通角小于180功放管只在信號的半個周期內(nèi)導通功放管的導通時間大于信號的半個 周期而小于信號的一個周期功放管的導通時間小于信號的半個周期QICQ 甲類放大電路的特點:稱為甲類放大電路在整個周期內(nèi)都有電流流過放大器件,即在一周期內(nèi)iC0。 甲類放大電路的缺點:管耗大故電壓放大電路不適宜作為功率放大電路!效率低max=50%Q稱為乙類放大電路乙類放大電路的特點: 在一個周期內(nèi)只有半個周期iC0。 max=78.5%缺點:波形失真嚴重Q甲乙類放大電路的特點:稱為甲乙類放大電路在一個周期內(nèi)有半個周期以上iC0。甲乙類放大電路的缺點:iC波形會產(chǎn)生失真思考題:功率放大電路中電源

4、的功率除了提供給負載外,其余的消耗在什么地方?消耗在管耗上。提高功放效率的根本途徑是減小功放管的功耗。思考題:功放中的功放管采用哪種工作狀態(tài)最合適?采用甲乙類工作狀態(tài)最合適,因為甲類效率太低,丙類失真太大,乙類會產(chǎn)生交越失真。唯一的辦法就是在電路結(jié)構(gòu)上做文章,于是引出:如何解決提高了效率卻使電路波形產(chǎn)生嚴重失真的矛盾呢?5.2 乙類互補對稱功率放大電路5.2.1 OCL互補對稱功放 組成和原理 互補對稱: 電路中采用兩個雙極性三極管:NPN、PNP各一支; 兩管特性一致。組成互補對稱式射極輸出器。5.2 乙類互補對稱功率放大電路 OCL:Output Capacitorless【無輸出電容器】

5、RLui-VCCT2先單獨分析一下T1和T2:RLui+-VBE前提:忽略b、e間壓降,即:視VBE=0。是射極輸出 為電壓跟隨器T1T2ui0時,T1導通;ui0時,T1不導通ui0時,T2導通;ui0時,T2不導通二者可以互補輸出靜態(tài)時:ui = 0V綜合分析該互補輸出電路iC2iC1 ic1、ic2均=0(乙類工作狀態(tài)) uo = 0V沒有電流,故沒有消耗,從而解決了靜態(tài)功耗的問題動態(tài)時:ui 0VT1導通,T2截止iL= ic1 ;iC1 動態(tài)時:ui 0VT1截止,T2導通ui 0VT1導通,T2截止iL= ic1 ;iL=ic2T1、T2兩個管子交替承擔放大任務(wù),在負載上得到完整的

6、正弦波。iC2組成“推挽式電路”最大不失真輸出功率Pom輸出功率Po設(shè)Vom為輸出電壓的最大值,即幅值,則有效值Vo為:,若忽略UCES則這里需熟記5.2.2 OCL互補對稱功放分析 電源供給的最大功率2.直流電源供給的功率PV當PV一部分供給負載輸出:另一部分供給管耗:3.效率最高效率max可見效率與負載RL無關(guān)這里需熟記一個管子的管耗4.管耗PT兩管管耗設(shè)輸出電壓為而這 里 需 熟 記求最大管耗PTM 用求極限的方法求解:對Vom求導,令導數(shù)為0。因時具有最大管耗。即:該公式用來求最大管耗而已求得則體現(xiàn)的是最大管耗和最大輸出功率之間的關(guān)系。這里需熟記5.最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系因為當

7、0.6VCC 時具有最大管耗0.2Pom 選管依據(jù)之一選取兩個額定管耗大于0.2Pom的管子,但要留有充分余地。6.選功率BJT管的原則最大允許管耗PCM必須大于PT1m0.2Pom;應(yīng)選用V(BR)CEO2VCC;通過BJT的最大集電極電流為VCC/RL,所選BJT的ICM一般不宜低于此值。5.2.3 OTL單互補功率放大電路 當電路對稱時,輸出端的靜態(tài)電位等于VCC /2。為了使負載上僅獲得交流信號,用一個電容器串聯(lián)在負載與輸出端之間。這種功率放大電路稱為OTL互補功率放大電路。 電容器的容量由放大電路的下限頻率確定。 LL21fRC5.2.4 BTL互補功率放大電路 BTL互補功率放大電

8、路由兩路功率放大電路和反相比例電路組合而成,負載接在兩輸出端之間。兩路功率放大電路的輸入信號是反相的,所以負載一端的電位升高時,另一端則降低,因此負載上獲得 的信號電壓要增 加一倍。BTL放 大電路輸出功率 較大,負載可以 不接地。乙類互補對稱放大電路的輸入輸出波形圖uiuououo 交越失真死區(qū)電壓考慮實際電路中VBE0Si:約0.6VGe:約0.2V乙類互補對稱電路存在的問題交越失真可見,利用乙類雙電源互補對稱電路在一定程度上解決了效率和電路波形產(chǎn)生嚴重失真的矛盾,但是這類電路還存在著一個不可克服的缺點:交越失真!如何解決交越失真的問題呢?5.2.5 消除交越失真互補對稱功率放大電路措施:

9、修改電路,想辦法解決交越失真的問題。一.甲乙類雙電源互補對稱電路解決方法:設(shè)法建立合適的Q點,使兩只三極管T1和T2均工作在臨界導通或稱微導通狀態(tài)。因此想到利用二極管進行偏置,從而可以克服交越失真。5.2.5 消除交越失真互補對稱功放電路voviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理: 靜態(tài)時,即vi0T3必導通??粗绷魍罚簭?VCC經(jīng)Re3、T3、D1、D2、RC3到-VCC形成一個通路,則:T1和T2均處于微導通狀態(tài)voviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理:兩管分別有一個微小的基極電流IB1和IB2導致兩管集電極分

10、別有微小的電流IC1和IC2從而建立了一個在輸出特性曲線上較低的Q點電路處于甲乙類 工作狀態(tài)。voviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理: 動態(tài)時,設(shè)vi=VmSintvi0,即正半周時T1導通, T2截止; T1 基極電位進一步提高,進入良好的導通狀態(tài);T2導通, T1截止;T2 基極電位進一步降低,進入良好的導通狀態(tài)。Vi0,即負半周時B1和B2可近似視為一點前面講的這個電路解決了乙類放大電路的交越失真問題,但它也存在一個缺點:由于D1、D2的導通壓降是固定的,故電路的偏置電壓不可調(diào)。如何解決這個問題?引出了前面電路的改進電路,如下:改進電路:vovi

11、T3Re3Rc3iC1iC2iLiB1iB2B2B1R1*R2T4-+VCE4VBE4+-將D1、D2的位置換成一個三極管T4。只考慮改進部分:而VBE4固定(Si:0.60.7V),故調(diào)整R1與R2的比值就可改變T1與T2間偏置電壓。電路缺點:雙電源!1W的小功率放大器 10W以上的中功率放大器 25W的厚膜集成功率放大器 輸出功率發(fā)展變革5.3 集成功率放大器單聲道的單路輸出集成功率放大器 雙聲道立體聲的二重雙路輸出集成功率放大器 電路結(jié)構(gòu)發(fā)展變革一般的OTL功率放大器集成電路 具有過壓保護電路、過熱保護電路、負載短路保護電路、電源浪涌過沖電壓保護電路、靜噪聲抑制電路、電子濾波電路等功能更

12、強的集成功率放大器 電路功能發(fā)展變革6.5 功率器件6.5.1 功率BJT6.5.2 功率MOSFET6.5.3 功率模塊圖 二次擊穿實驗曲線 圖 二次擊穿臨界線 反偏二次擊穿觸發(fā)功率 零偏二次擊穿觸發(fā)功率 正偏二次擊穿觸發(fā)功率 在二次擊穿現(xiàn)象中,當?shù)谝淮窝┍罁舸┖螅瑥碾娏魃仙絀SB ,再到觸發(fā)產(chǎn)生二次擊穿的時間延遲,稱為觸發(fā)時間。意味著BJT工作點進入一次擊穿區(qū)時,并不立即產(chǎn)生二次擊穿,而要有一個觸發(fā)時間。當加在BJT上的能量超過臨界值(觸發(fā)能量)時,才產(chǎn)生二次擊穿,也就是說二次擊穿需要能量。5.4.1 功率BJT二次擊穿5.4 功率器件BJT的安全工作區(qū) BJT工作的安全范圍由幾條曲線限

13、定:集電極最大允許直流電流線ICM,由集電極允許承受的最大電流決定;集電極允許最高電壓UCE0,由雪崩擊穿決定;集電極直流功率耗散線PCM ,由熱阻決定;二次擊穿臨界線PSB,由二次擊穿觸發(fā)功率決定。 圖 BJT的安全工作區(qū)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷k娏OSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu),又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET)。按垂直導電結(jié)構(gòu)的差異,分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。結(jié)構(gòu)5.4.2 功率MOSFET

14、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件:柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號5.4.3 功率模塊IGBT的特性和參數(shù)特點開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時,安全工作區(qū)比GTR大,且 具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高,輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比,耐壓和通流能力還可以進一步提高,同時保持開關(guān)頻率高的特點 。 本章小結(jié)歸納一下本章的線索:電壓放大電路(甲類放大電路)為了提高轉(zhuǎn)換效率引出了乙類、甲乙類放大電路乙類雙電源互補對稱功率放大電路為解決波形失真問題為了解決交越失真問題甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路(可利用二極管或vBE擴大電路進行偏置)甲乙類單電源互補對稱功率放大電路為解決電路工作點偏置和穩(wěn)定問題,及雙電源的缺點為解決輸出電壓VomVCC/2的矛盾自舉電路必須要掌握,會求各參數(shù)求各參數(shù)時用VC

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