西安交大模電課件第9章功率放大器課件

9.1功率放大電路的特點及分類1．特點（1）要有盡可能大的輸出功率（2）效率要高（3）非線性失真要小（4）要加裝散熱和保護裝置（5）要用圖解法分析9功率放大電路2．工作狀態(tài)分類

(1)甲類放大電路

根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點的位置不同分：

b.能量轉換效率低特點：c.放大管的導通角θ=2π靜態(tài)工作點位置iC1ICQωt=2

02集電極電流波形大a.靜態(tài)功耗uCEiC0QA(2)乙類放大電路b.能量轉換效率高c.輸出失真大特點：d.放大管的導通角θ=πωtiC2π2π=π03π集電極電流波形a.靜態(tài)功耗靜態(tài)工作點位置uCEiC0QA(3)甲乙類放大電路

a.靜態(tài)功耗較小b.能量轉換效率較高c.輸出失真較大特點：d.放大管的導通角π<θ<2πωtiC3π2π03πICQπ<<2π集電極電流波形靜態(tài)工作點位置uCEiC0QA思考題1.功率放大器的作用是什么？對它有那些要求？它與電壓放大電路有那些區(qū)別？2.試說明甲類、乙類、甲乙類功率放大器的區(qū)別？9.2互補推挽功率放大電路電路特點：（1）晶體管T1、T2特性對稱（2）電源對稱（3）T1、T2射極輸出9.2.1乙類互補推挽功率放大電路RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_1.工作原理a.當ui=0時設ui=UimsintT1、T2截止UA=0uO=0靜態(tài)功耗為零RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_Ab.ui>0時T1導通T2截止輸入信號輸出信號電流方向uO≈ui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuO_Ac.ui<0時T2導通T1截止輸入信號輸出信號電流方向uO≈uiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuO+_A乙類互補推挽電路工作情況T1通T2通Uopp=2(VCC

–

UCES)UOPPuCE0QtiC0iCuCE2.主要指標計算

（1）輸出功率

當Uom達到最大值(VCC–

UCES)時設RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當忽略三極管的飽和壓降UCES時RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_（2）電源供給的功率平均集電極電流IC(AV)為RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_兩個電源供給的總電源功率

（3）能量轉換效率

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當時RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_(4)晶體管的耗散功率令RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_最大管耗為

即當輸出電壓幅值為

晶體管的管耗最大每只管子的最大管耗為

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當ui較小時，管子T1、T2都截止3.電路存在的主要缺陷存在交越失真a.失真的原因晶體管存在死區(qū)電壓。b.失真的現(xiàn)象輸出電流出現(xiàn)一段“死區(qū)”RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_0tiCiBuBE0uit0交越失真在兩個管子交替工作區(qū)域出現(xiàn)的失真稱為交越失真輸入信號輸出信號交越失真的產生4.克服交越失真的常用方法給功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微導通狀態(tài)，即甲乙類工作狀態(tài)。9.2.2甲乙類互補推挽電路1.利用二極管提供偏壓二極管提供偏壓，使T1、T2微導通狀態(tài)D1RLT1uI+_+VCC_iC1iC2iOT2T3D2uO+_RERCVCC原輸出波形2.利用擴大電路實現(xiàn)偏置圖中RLT1uI+_+VCC_T2uO+_T3R1R2R3R4VCC（1）當uI=0

時2.工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2輸出電壓uO=01.電路組成D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC9.2.3單電源功率放大電路（2）當uI為負半周時T1導通，T2截止電容C同時充電D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCuB1信號為正半周uB1uB2輸出信號為正半周T1截止，T2導通電容C放電uB2信號為負半周uB1uB2（3）當uI為正半周時D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC輸出信號為負半周注意：電容C起負電源-VCC的作用1.每只管子的工作電壓變成了VCC/2，在計算各項指標時電源電壓要用VCC/2。2.電容C足夠大，使輸出正負半周對稱。D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC1.電路組成9.2.4前置級為運放的功率放大電路AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC2.電路特點(1)電路引入了電壓并聯(lián)負反饋。(2)電路的穩(wěn)定性高。AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC3.電路的閉環(huán)電壓增益Auf≈－R2/R1·AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC思考題1.乙類互補推挽功率放大器產生交越失真的原因是什么？怎么克服交越失真？2.為什么說前置級為運放的功率放大電路交越失真很??？9.3.1雙極型功率晶體管（BJT）1.功率管的選擇（1）

PCM≥0.2Pom

（2）|U(BR)CEO|>2VCC（3）

ICM＞VCC/RC9.3功率器件與散熱極限參數(shù)應滿足(在互補推挽功率放大電路中)2．二次擊穿的影響iCuCE0BA二次擊穿一次擊穿S/B曲線二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿臨界曲線iCuCE01.

V型NMOS管的結構結構剖面圖9.3.2功率MOSFET

S源極G柵極金屬源極SiO2溝道溝道外延層襯底D漏極_N

+PPNN

+N

+2.

V型NMOS管的主要特點（1）開關速度高（2）驅動電流?。?）過載能力強（4）易于并聯(lián)9.3.3絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT等效電路DT1GSRT2IGBT電路符號GSDT絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的主要特點：（1）輸入阻抗高（2）工作速度快（3）通態(tài)電阻低（4）阻斷電阻高（5）承受電流大兼顧了MOSFET和BJT的優(yōu)點，成為當前功率半導體器件發(fā)展的重要方向。外殼c集電結j散熱器sR(th)jcR(th)csR(th)sa環(huán)境a9.3.4功率器件的散熱晶體管的散熱示意圖導電回路（電路）散熱回路（熱路）參量符號單位參量符號單位電壓UV溫差ΔToC電流IA最大允許功耗PCMW電阻RΩ熱阻RToC/W功率器件的散熱分析方法：即用電路來模擬功率器件的散熱回路導電回路和散熱回路參數(shù)對照表電－熱模擬法Tj——集電結的結溫Tc

——功率管的殼溫Ts

——散熱器溫度Ta

——環(huán)境溫度Rjc

——集電結到管殼的熱阻Rcs

——管殼至散熱片的熱阻Rsa

——散熱片至環(huán)境的熱阻散熱等效熱路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM散熱回路的總熱阻為最大允許功耗TajCMRTTP-=TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM練習題例1乙類互補推挽功放電路如圖所示。已知ui為正弦電壓，RL=8W，要求最大輸出功率為16W。假設功率管T1和T2特性對稱，管子的飽和壓降UCES=0。試求：（1）正、負電源VCC的最小值；（2）當輸出功率最大時，電源供給的功率；（3）當輸出功率最大時的輸入電壓的有效值。

T1T2RL+VCCVCC__+uOui[解]（1）由于電路的最大輸出功率所以電源電壓（2）當輸出功率最大時，電源供給的功率T1T2RL+VCCVCC__+uOui（3）因為輸出功率最大時，輸出電壓的幅值為所以輸入電壓的有效值為

T1T2RL+VCCVCC__+uOui例2在圖示的電路中，已知運放性能理想，其最大的輸出電流、電壓分別為15mA和15V。設晶體管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。試問（1）該電路采用什么方法來減小交越失真?。

R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?（2）如負載RL分別為20W、10W時，其最大不失真輸出功率分別為多大?

（3）為了使不失真輸出功率達到最大，其電路的最佳負載RLopt及此時的最大輸出功率Pom。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?（4）功放管T1和T2的極限參數(shù)PCM、

ICM和|U(BR)CEO|應選多大?

解（1）在電路即將導通之時，電路中各支路中的電流為零。這時R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?在管子即將導通時，uo1等于其死區(qū)電壓UBE(th)。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?故電路的死區(qū)電壓Ui(th)為R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?即當時

,

T1和T2均未導通；

當時,

T1