模電第九章 功率放大電路

第九章功率電路及系統(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9.3D類功率放大電路9.4集成功率放大電路9.5功率器件9.1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1)輸出功率盡可能的大。

Po=I有效U有效=IomUom/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PE，輸出功率Po，集電極損耗功率PC，則：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。A類(導(dǎo)通角為360°)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。一、B類互補跟隨對稱功率放大器9.2

互補跟隨對稱功率放大器-UCC+UCCR1R2RLuoVD1VD2uiV1V2uiwt01、電路及工作原理+UCCui+-V1RLuoV2RLuoui-UCCiC1iC2uowt0uowt0+uowt0+0iC1wt0iC2wt任意理想最大IcmiC1iC2QUCESUCES00UCCUo理想最大任意最大理想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)：Uom≈UCC有關(guān)指標(biāo)計算：1)輸出功率Po一般Uom

<<UCC，定義電源利用系數(shù)ξ：輸出電壓Uom

為：故理想狀態(tài)下Pom

為：2)直流電源提供的功率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：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。3)效率實際效率一般在60%左右。4)管耗PC（單管管耗）選擇功率管功耗的依據(jù)5)選擇功率管的原則(2)已知Pom，選擇管子允許的最大功耗PCM

(1)已知Pom

及RL，選UCC，則(3)功率管的最大耐壓U(BR)CEO(4)管子允許的最大集電極電流ICM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η。5)若V1、V2功率管的極限參數(shù)為PCM=10W，ICM=5A，U(BR)CEO=40V，驗證功率管的安全性解：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5)功率管的安全與否結(jié)論：功率管是安全的。二、AB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(fù)電源供電動態(tài)時輸入負(fù)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(fù)半周信號。2、分析計算為保證功率放大器良好的低頻響應(yīng)，電容C2必須滿足交流電壓振幅的最大值為：負(fù)載最大交流功率為：f2為放大器要求的下限頻率(忽略共集電極電路輸出電阻)三、復(fù)合管及準(zhǔn)互補B類功率放大器(OCL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。復(fù)合管的總β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。復(fù)合管的幾種接法及其等效復(fù)合管等效電流放大倍數(shù)IC1IC2IE1=IB2IE=IE2IB=IB1由復(fù)合管構(gòu)成的互補B類功率放大器電路9.3D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。

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(dá)數(shù)百瓦。9.5功率器件一、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

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TjM≈75℃~100℃,

硅管TjM≈150℃~200℃)，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。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。二、功率MOS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(dá)幾百kHz甚至于幾MHz)。對VMOS加以改進(jìn)，可獲得雙擴(kuò)散MOS管(簡稱DMOS)?？沙惺芨唠妷?、大電流，速度快等特點。三、功率管的保護(hù)為保證功率管的正常運行，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，以限制過壓或過流。在功率管的c、e間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以吸收瞬時