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(diǎn)主要介紹低頻功率放大器，重點(diǎn)介紹互補(bǔ)對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(diǎn)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(dòng)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(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(bǔ)或推挽功率電路。一、B類互補(bǔ)跟隨對稱功率放大器9.2

互補(bǔ)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(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)：Uom≈UCC有關(guān)指標(biāo)計(jì)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(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：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(shí)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(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V1、V2產(chǎn)生什么影響？4)輸入幅度為10的正弦信號時(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η。5)若V1、V2功率管的極限參數(shù)為PCM=10W，ICM=5A，U(BR)CEO=40V，驗(yàn)證功率管的安全性解：1)靜態(tài)時(shí)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(bǔ)跟隨對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；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(jì)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(bǔ)B類功率放大器(OCL電路)復(fù)合管：輸出大的電流來驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(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。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(bǔ)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(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。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(gè)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(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VMOS加以改進(jìn)，可獲得雙擴(kuò)散MOS管(簡稱DMOS)?？沙惺芨唠妷骸⒋箅娏?，速度快等特點(diǎn)。三、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，以限制過壓或過流。在功率管的c、e間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以吸收瞬時(shí)