模擬電路第八章.ppt

1、1,第8章 功率放大電路,2,81功率放大器的特點(diǎn)及工作狀態(tài)分類,從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，都是利用有源器件將電源提供的直流功率轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的交流功率。,電壓放大器和功率放大器的相同點(diǎn)：,3,電壓放大器的主要要求是使負(fù)載得到不失真的電壓放大信號(hào)，討論的主要指標(biāo)是電壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻等，輸出功率并不一定大。 功率放大器主要要求獲得一定的不失真的輸出功率，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，因此，功率放大器包含著一系列電壓放大器中沒(méi)有過(guò)的特殊問(wèn)題。,兩者的不同點(diǎn)：,4,一、特點(diǎn),（1）輸出功率盡可能大 晶體管常常在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。 技術(shù)指標(biāo)1：POM負(fù)載上得到的最大輸出交流功率。,(3) 分析

2、方法以圖解法為主。,(2) 大信號(hào)工作。,5,(5) 提高效率成為重要的關(guān)注點(diǎn)。 技術(shù)指標(biāo)3：能量轉(zhuǎn)換效率。,(6) 功率器件的安全問(wèn)題必須考慮。,（4）非線性失真矛盾突出 技術(shù)指標(biāo)2：非線性失真的大小。,在效率高、非線性失真小、安全工作的前提下，向負(fù)載提供足夠大的功率。,對(duì)功率放大器的要求：,6,一般放大器與功率放大器的區(qū)別為：,7,二、工作狀態(tài)分類,甲類（A類）：工作點(diǎn)Q設(shè)在放大區(qū)，對(duì)于輸入信號(hào)為正弦波的整個(gè)周期內(nèi)ic0，即三極管在整個(gè)周期都導(dǎo)通。因此導(dǎo)通角 =。 導(dǎo)通角：通常將一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)集電極電流部分所對(duì)應(yīng)角度的一半稱為集電極電流的導(dǎo)通角,(a)甲類(導(dǎo)通角為180),能量轉(zhuǎn)換效率m

3、ax=50%,在沒(méi)有交流輸入時(shí)，電源功率全 部轉(zhuǎn)變?yōu)楣芎摹?8,乙類（B類）：工作點(diǎn)選在導(dǎo)通的閾值點(diǎn)（UBEQ= UBE(on)，ICQ=0），因此只有在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)有ic，導(dǎo)通角 =/2。,(b)B類(導(dǎo)通角為90),9,(c)C類(導(dǎo)通角90),丙類（C類）：Q點(diǎn)在選在截止區(qū)以內(nèi)，晶體管只有不到半周導(dǎo)通（導(dǎo)通角小于90o）,導(dǎo)通角0/2。,10,甲乙類（AB類）：工作點(diǎn)選在放大區(qū)中，但靠近截止區(qū)的地方，導(dǎo)通角/2。,11,電路,圖92甲類功放電路及交、直流負(fù)載線,8-2 甲類(A類)功率放大器,一、電路,12,圖92甲類功放電路及交、直流負(fù)載線,交、直流負(fù)載線,u,CE,i,C,0

4、,U,CC,(,b,),Q,直流負(fù)載線,交流負(fù)載線,iB,13,14,二、功率與效率的計(jì)算,1.電源供出功率PE,2. 負(fù)載得到的交流功率PL,15,設(shè)變壓器效率T=1,則 ，即,16,此時(shí)，最大輸出功率PLm為,3. 管子功耗PC,17,4. 轉(zhuǎn)換能量的效率,當(dāng)Ucm(max)=UCC,Icm(max)=ICQ時(shí)，效率達(dá)到最高：,18,下面計(jì)算非變量器耦合電壓放大器的各項(xiàng)指標(biāo)：,19,83 互補(bǔ)推挽乙類(B類)功率放大器,一、雙電源互補(bǔ)推挽乙類功率放大器 (OCL電路),1.電路結(jié)構(gòu)及工作原理,OTL、OCL、BTL、變壓器耦合式等。,OTL：Output transformerless（輸

5、出沒(méi)有變壓器）,OCL：Output capacitorless （輸出沒(méi)有電容）,BTL：Balanced transformerless（橋式推挽電路）,20,靜態(tài)工作點(diǎn)：ui=0，兩管都截止，ICQ=0，Uo=0，UCEQ1=UCC ，UCEQ2=UCC靜態(tài)ICQ=0，屬于乙類功放。,（1）電源靜態(tài)功耗為零,21,交流分析：設(shè)ui為一正弦波信號(hào)。設(shè)發(fā)射極導(dǎo)通電壓UBE（on）=0。,當(dāng)ui為正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，為射極輸出器，uo=ui。iC1流入負(fù)載uo0。,當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，為射極輸出器，uo=ui。iC1流出負(fù)載uo 0。,(2)兩只晶體管交替導(dǎo)通，合成

6、一個(gè)不失真的輸出信號(hào),22,(3)帶負(fù)載能力強(qiáng),電路中晶體管都接成共集組態(tài)，輸出阻抗低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓Uo與Ui同向。,23,2. 功率與效率的計(jì)算,（a）V1的輸出特性 圖8.3.2互補(bǔ)推挽乙類功放的輸出特性,24,（b）V2的輸出特性 圖8.3.2互補(bǔ)推挽乙類功放的輸出特性,25,（c）組合輸出特性 圖8.3.2互補(bǔ)推挽乙類功放的輸出特性,26,1)輸出交流功率PO,令 稱之為電壓利用系數(shù)，那么,V1、V2為半周工作，但負(fù)載電流卻是完整的正弦波。,27,信號(hào)越大，Uo增大，電壓利用率也增大。若忽略集電極飽和電壓，則最大=1，故最大輸出功率Pom為,28,當(dāng)信號(hào)為零時(shí)，工作點(diǎn)接近于截

7、止點(diǎn)，ICQ=0，電源不提供功率；而隨著信號(hào)的增大，iC1增大，電源提供的功率也將隨之增大。這點(diǎn)與A類功放有本質(zhì)的差別。,每個(gè)晶體管的集電極電流平均值為：,2)電源提供的功率,兩組電源供給的總功率 ：,29,當(dāng)信號(hào)最大時(shí)，Uom(max)UCC，所以電源輸出的最大功率為,30,3)每管轉(zhuǎn)換能量的效率,當(dāng)信號(hào)最大，=1時(shí)，效率達(dá)到最高：,可見(jiàn)，B類工作的效率遠(yuǎn)比A類的高。,31,4)每個(gè)管子損耗PC,可見(jiàn)，每個(gè)管子的損耗PC是輸出信號(hào)振幅的函數(shù)。將PC對(duì)Uom求導(dǎo)，可得出最大管耗PCm。令,32,得出，當(dāng) 時(shí)，每管的損耗最大：,33,3.選擇功率管,(1)已知Pom及RL，選UCC，則,(2)已

8、知Pom，選擇管子允許的最大功耗PTM。,管子允許的最大功耗,34,(3)管子的擊穿電壓U(BR)CEO。,(4)管子允許的最大電流ICM。,35,總結(jié)：功率管的選擇原則：,最大耐壓值：U(BR)CEO2UCC,最大集電極電流：,最大集電極耗散功率：,36,若分析時(shí)，UBE(on)0，則輸出會(huì)產(chǎn)生交越失真：,4 乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路的交越失真：,為了解決交越失真，給晶體管稍加一點(diǎn)偏置，使之工作在甲乙類放大狀態(tài)：,37,圖423克服交越失真的互補(bǔ)電路 (a)二極管偏置方式；(b)模擬電壓源偏置方式,為提高電路的能量轉(zhuǎn)換效率，設(shè)置的偏壓較小，所以分析計(jì)算時(shí)仍可視其為乙類工作狀態(tài)。,38,39,

9、當(dāng)信號(hào)最大時(shí)，Uom(max)UCC，所以輸出的最大功率為,40,二、單電源互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器(OTL),（8-3-17） 由于電容器的容量很大，動(dòng)態(tài)時(shí)，在信號(hào)變化一周內(nèi)，電 容兩端電壓可以基本保持恒定。,41,故，該電路負(fù)載得到的最大交流功率PLm為,42,為保證功率放大器良好的低頻響應(yīng)，電容C必須滿足,43,例：某OCL互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降Uces=1V，Ucc18V，RL8 (1)計(jì)算電路的最大不失真輸出功率PLM； (2)計(jì)算電路的最大效率max； (3)為保證電路正常工作，所選三極管的U(BR)CEO和ICM應(yīng)為多大?,44,解：,U(BR)CEO

10、2UCC=36V,45,例2：上題中若-Ucc接地，求：（1）A點(diǎn)的靜態(tài)工作點(diǎn)（2）PLM=? 晶體管如何選擇？（3）若T1、T2兩管性能相同，PCM=200mW，ICM=200mA，UBE(CEO)=24V，求PLM。,46,解：（1）A點(diǎn)靜態(tài)電位為9V。,（2）,最大耐壓值：U(BR)CEO2UCC=18V,最大集電極電流：,最大集電極耗散功率：,47,（3）根據(jù),可知,因此原來(lái)求出的PLM=4W已超過(guò)了最大功耗下的PLM。也就是說(shuō)根據(jù)提供參數(shù)的T1、T2管得到的功放，輸出Uo最大時(shí)不能達(dá)到Ucc/2。 根據(jù)提供的ICM，可知達(dá)到ICM時(shí)的Uom=ICMRL=200mA8=1.6V。,48

11、,三、復(fù)合管及準(zhǔn)互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器(OCL電路),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)，即保證e結(jié)正偏，c結(jié)反偏。,(3)因?yàn)閺?fù)合管的基極電流iB等于第一個(gè)管子的iB1，所以復(fù)合管的性質(zhì)取決于第一個(gè)晶體管的性質(zhì)。,49,圖96復(fù)合管的組成 (a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管； (c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管,50,圖96復(fù)合管的組成 (a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管； (c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管,51,圖96復(fù)合管的組成 (a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管； (c)等效為PNP

12、管；(d)等效為NPN管,52,圖96復(fù)合管的組成 (a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管； (c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管,53,圖97 準(zhǔn)互補(bǔ)乙類功率放大器電路,54,914集成功率放大器,一、集成功率放大器,1.SHM1150型雙極晶體管與MOS管混合的音頻集成功率放大器,55,圖98SHM1150型BiMOS集成功率放大器 (a)內(nèi)部電路；(b)外部接線圖,56,2. 橋式功率放大器,57,圖99 橋式集成功放LM4860及其外部電路,58,圖910 直流穩(wěn)壓電源的基本框圖,92 整流器和直流穩(wěn)壓電源,整流是將變壓器次級(jí)交流轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流；濾波是將整流后的波紋濾除。

13、,59,921整流濾波電路,一、整流濾波電路,常用的整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流和倍壓整流。,常用的濾波電路有電容濾波、電感電容型濾波、 電阻電容型濾波。,60,圖911常用整流電路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流,61,圖911常用整流電路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流,62,圖911常用整流電路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流,63,圖911常用整流電路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流,64,圖912 常用濾波電路 (a)電容濾波；(b)電感電容型濾波

14、；(c)電阻電容型濾波,65,圖913全波整流電路及電壓電流波形,(a)電路,二、整流濾波電路的工作原理及主要性能,1. 工作原理,66,圖913全波整流電路及電壓電流波形,(b)管子流過(guò)的電流及輸入輸出電壓波形,67,圖913全波整流電路及電壓電流波形(c)計(jì)算機(jī)仿真波形(為看清輸出波紋，故意將濾波電容值取得很小，實(shí)際上要加幾百幾千F),68,1)輸出直流電壓Uo,2. 主要性能,不接濾波電容(C=0)時(shí)：,當(dāng)接入濾波電容(C0)，且負(fù)載RL=時(shí)：,一般情況下(RL ,C0)，Uo的估算值為：,69,2)濾波電容估算值,式中為 變壓器次級(jí)單邊交流電壓有效值， 為交流振幅。,變壓比,此時(shí)，波紋

15、電壓峰峰值Urpp約為,式中：T為交流電網(wǎng)信號(hào)周期；IL為負(fù)載電流。,70,3)整流管的選擇,(1)整流管最大允許電流,(2)整流管反向擊穿電壓。,71,圖914用“硅橋”實(shí)現(xiàn)正、負(fù)兩路直流輸出的全波整流電路,72,922串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓器的工作原理,一、電路,圖915 串聯(lián)型穩(wěn)壓器框圖,73,二、主要參數(shù),1.主要指標(biāo),1)穩(wěn)壓系數(shù)S,74,2)輸出電阻Ro,3)溫度系數(shù)ST,75,2. 調(diào)整管參數(shù),3.電路輸出電壓調(diào)節(jié),(1)大波段調(diào)節(jié)依靠改變整流器變壓器抽頭。,(2)波段內(nèi)調(diào)節(jié)靠電位器RW。,76,三、集成三端穩(wěn)壓器,(a)78系列典型接法；,圖916三端集成穩(wěn)壓電源的典型接法,77,

16、(c)三端穩(wěn)壓器外形圖,圖916三端集成穩(wěn)壓電源的典型接法,(b)79系列典型接法；,78,(a)擴(kuò)流電路,圖917三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展,79,圖917三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展,(b)擴(kuò)壓電路,80,(c)輸出電壓可調(diào)電路,圖917三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展,81,923開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器,圖918 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源框圖,82,圖919 脈寬調(diào)制器的各點(diǎn)波形,83,圖920 一個(gè)實(shí)際的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路,84,圖921 脈寬調(diào)制器UC3842框圖,85,934 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(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等等。,1.在VMOS的柵極加限流、限壓電阻和反接二極管；,2.在感性負(fù)載上并聯(lián)電容和二極管；,3.在功率管的c、e間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。,86,作 業(yè),9-1,9-3,9-8,9-11,87,1.功率管在實(shí)際應(yīng)用中，常發(fā)現(xiàn)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。,二