模拟电路第八章ch.pps

8.1 功率放大电路的一般问题,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.4 甲乙类互补对称功率放大电路,8 功率放大电路,甲乙类双电源互补对称电路,甲乙类单电源互补对称电路,8.2射极输出器甲类放大的实例,教学要求,掌握OTL和OCL互补对称电路的工作原理，最大输出功率和效率的估算。 熟悉功率放大电路非线性失真的概念。 了解功率放大电路的一般要求。 了解集成功率放大电路的特点。,8.1 功率放大电路的一般问题,1. 功率放大电路的主要特点,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。,一般直接驱动负载，带载能力要强。主要特点:,（1）根据负载要求，提供所需的输出功率；输出电压和电流都应该有足够大的变化量。 （2）具有较高的效率（ )。 （3）尽量减小非线性失真。 （4）BJT的散热问题 （5）采用图解法分析,8.1 功率放大电路的一般问题,1. 功率放大电路的主要特点,2. 要解决的问题,提高效率,减小失真,管子的保护,3. 提高效率的途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,# 功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？,4. 三种工作状态,三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为几个工作状态：,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,# 用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？,乙类和甲乙类。,8.2 射极输出器甲类放大的实例,射极输出器的电压增益虽然近似为1。但电流增益很大，可获得较大的功率增益。由于它有一突出优点：输出电阻小，带负载能力强，因而常用作集成放大器的输出级。,1电路结构及工作原理 用电流源作射极偏置和负载的射极输出器简化电路如图8.2.1a所示。图8.2.1b是它的详图。下面研究其工作原理。,8.2.1一个集成射极输出器输出级 （a）简化电路（b）带电流源祥图的电路图,（a）,（b）,设vi为正弦波，T1工作在放大区，它的基射电压近似为0.6V，因此输出电压与输入电压的关系为,当vi为正半周， T1 进入临界饱和，vo正向振幅达到最大值。设T1 的饱和电压VCES0.2V，则有,当vi 为负半周， T1 出现截止或T3达到饱和， vo将出现削波。如果T1 首先截止，则输出的(负向)电流和电压的振幅分别为,若T3 首先些饱和， vo 输出的负向振幅为,2功率及效率的计算举例,例8.2.1 设电路如图8.2.1所示。VCC=VEE=15V,IBIAS=1.85A,RL=8,vI=VBIAS+vi,在偏置电压源VBIAS=0.6V作用下，当vi=0时，输出电压vo0.若vi为正弦信号电压，试计算最大输出功率Pom、T1的管耗、电流源的损耗和效率。,图8.2.1,解：(1)求最大输出功率Pom,(2)求管耗和电流源损耗,可求出,输出电压正负最大幅值均为14.8V,最大输出功率为,输出电压和负载电流分别为,T1的集电极电流近似为,其平均值为1.85A。因此正电源提供的功率为,负电源VEE提供的功率为,管耗 为,(3) 求放大器的效率,可以证明，理想情况下，变压器耦合的甲类放大电路的效率最高为50。,OTL互补对称电路（单电源） OCL互补对称电路（双电源）,83 乙类双电源互补对称功率放大电路,OTL：Output TransfomerLess (无输出变压器） OCL：Output CapacitorLess (无输出电容器）,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.3.1 电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。,工作原理:,两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,8.3.2 分析计算,图解分析,8.3.2 分析计算,（1）输出功率,实际输出功率Po,(最大不失真输出功率Pomax),单个管子只在半个周期内有管耗，则周期内的平均管耗为,（2）管耗PT,分析计算,（2）管耗PT,两管管耗,最大管耗与最大输出功率的关系,选管依据之一,分析计算,（3）电源供给的功率PV,当,当,当vi=0时，Pv=0,当vi0时，,（4）效率,8.3.3 功率BJT的选择：,1、最大管耗与最大输出功率的关系,可见,管耗最大,选管依据,图8.3.3,图8.3.3 乙类互补对称电路PO,PV,PT1与Vom/ Vcc变化的关系曲线,功率与输出幅度的关系,2、 功率BJT的选择：,（1）、 每只管的最大允许管耗：,(3)、,（2）、 每只管的最大反向电压：,例8.3.1 功放电路如图8.3.1a所示，设 VCC=12V, RL=8, 功率BJT的极限参数为ICM=2A, V (BR)CEO =30V, PCM=5W.试求:(1)最大输出功率Pom值 ，并检验所给功率BJT是否能安全工作？ （2）放大电路在0.6时的输出功率Pom值。,图8.3.1a,解：（1）,BJT的最大集电极电流、ce间最大压降和它的管耗为,所求的值均小于极限参数，故BJT能安全工作。,（2）,4. 功率与输出幅度的关系,8.4 甲乙类互补对称功率放大电路,乙类互补对称电路存在的问题,非线性区,8.4 甲乙类互补对称功率放大电路,乙类互补对称电路存在的问题,交越失真： 输出信号在正、负半周交接处产生的波形失真称为交越失真，为非线性失真，由于功率管的发射结存在“死区”而造成。,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,1. 静态偏置,可克服交越失真,2. 动态工作情况,二极管等效为恒压模型,# 在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向偏置状态？,理想二极管,设T3已有合适 的静态工作点,(不会！）,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,VBE4可认为是定值,R1、R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。,设T4基极电流远小于流过R1和R2的电流。则,8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路,1. 静态偏置,2. 动态工作情况,调整R1、R2阻值的大小，可使,此时电容上电压,# 在怎样的条件下，电容C才可充当负电源的角色？,电容上电压是T2的电源,前置放大级为NPN共射电路,（教材P394第5、6行和注脚）,前置放大级为PNP共射电路,图8.4.4采用单电源的互补对称原理电路,3. 带自举电路的单电源功放,end,静态时,C3充电后，其两端有一固定电压。,动态时,C3充当一个电源。,# 在怎样的条件下，电容C3才能起到电源的作用？,（1）C当电源使用 VK=（1/2）VCC,（2）利用前面的公式 电源用：（1/2）VCC,（3）、引入负反馈工作稳定，改善性能。,（4）、自举升压电路,电路说明：,4、OTL和OCL互补对称功率放大电路比较,8.5 集成功率放大器,8.5.1 功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题,功率器件(含BJT和MOSFET)都存在散热问题，典型的功率BJT外形如图8.5.1所示。通常BJT有一个大面积的集电结，为了使热传导达到理想情况，BJT的集电极衬底与它的金属外壳保持良好的接触。,图8.5.1,1功率BJT的散热是重要问题 在功率放大电路中，管子本身也要消耗一部分功率。管子消耗的功率直接表现在使管子的结温升高。当结温升高到一定程度(锗管一般约为90 ，硅管约为150)以后，就会使管子损坏，因而输出功率受到管子允许的最大集电极损耗的限制。,如果采取适当的散热措施，就有可能充分发挥管子的潜力，增加功率管的输出功率。反之，就有可能使BJT由于结温升高而被损坏。所以研究功率BJT的散热问题，是一个重要问题,(1)表征散热能力的重要参数热阻,热的传导路径，称为热路。阻碍热传导的阻力称为热阻。真空不易传热，即热阻大；金属的传热性好，即热阻小。在一定程度上，热路可与电路比对，热阻可与电阻比对。,BJT热阻的大小，通常用 W(或mW)表示，它的物理意义是每瓦(或每毫瓦)集电极耗散功率使BJT温度升高的度数(例如，手册上标出3AD6的热阻为2W，即表示集电极损耗功率每增加1 W，结温升高2 )。,显然，BJT的热阻大小，即表明管子的散热能力的强弱。必须注意的是，通常手册中给出的最大允许集电极耗散功率PCM，是在环境温度为25时的数值。,(2)功率BJT的散热等效热路,在BJT中，集电极损耗的功率是产生热量的源泉。它使结温升高到Tj，并沿着管壳把热量散发到环境温度为Ta的空间。,为了提高集电结允许的功耗PCM ，通常要加散热装置，如图8.5.2a所示。,总热阻为,加散热片后的散热等效热路如图8.5.2b所示。图中RTj一般可由手册中查到。,(3)功率BJT的散热计算,功率BJT的最大允许耗散功率PCM ，决定于总的热阻RT ,最高允许结温Tj和环境温度Ta。它们之间的关系为,上式说明，在一定的温升下， RT小，也就是散热能力强，功率BJT允许的耗散功率PCM就大；另一方面，在一定的Tj和RT的条件下，环境温度Ta愈低，允许的PCM也大。利用此式，在给定的条件下，可以分析求解散热问题。,例8.5.1 设功率BJT的集电结到管壳的热阻RTj =4W，散热片与周围空气间的热阻RTf =5W，在管壳与散热片间，利用0.2 mm厚云母垫片进行装配，因此在管壳与散热片间引入的热阻为RTc =1 W(如图8.5.2a所示)。如果在VCE=10 V时，流过功率BJT的平均电流IC=1 A，试求当环境温度Ta =25时，BJT的集电结结温Tj 、管壳温度Tc和散热片温度Tf。设BJT发射结的功耗可忽略。,解：（1）如果忽略输入功率则BJT消耗的功率为,（2）求结温Tj 、管壳温度Tc和散热片温度Tf,结果只是近似,2、器件工作不应进入二次击穿区,（1）、二次击穿现象,vCE增大的击穿，一次击穿现象，（短时间）具有可逆性（雪崩）；若此时iC增大，使成为低压大电流区的击穿，即二次击穿；不同的IB值，二次击穿的临界点不同（临界线图中红线）.,（2）、二次击穿产生 的原因,（3）、功率BJT的安 全工作区,3.提高功率BJT可靠性的主要途径是使用时要降低额定值,（1）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不应超过极限值的80；,（2）在最坏的条件下（包括冲击电流在内），工作电流不应超过极限值的80；,（3）在最坏的条件下（包括冲击功耗在内），工作功耗不应超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的50；,（4）工作时，器件的结温不应超过器件允许的最大结温的7080；,4.为保证器件正常运行，可采取适当保护措施,保护措施如在感性负载两端并接二极管（或二极管和电容）；用适当VZ稳压管并联在功率管的c,e两端，以吸收瞬时的 过电压等等。,8.5.2 功率VMOSFET和DMOSFET,为适应大功率的要求，20世纪70年代末出现了一种V型开槽的纵向MOS，称为VMOS. 80年代末又出现了一种更新型的双扩散MOS，称为DMOS。,本章讨论的BJT功率放大电路（含散热分析）对FET同样适用。,1. VMOS.,目前的产品耐压可达1000V以上，最大连续电流高达200A。,VMOS2N6657的输出特性,2. DMOS,目前的产品耐压可达600V以上，最大连续电流高达50A以上。,与BJT 相比，VMOS和DMOS有许多优点：,（1）与MOS器件一样是电压控制电流器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小，功率增益高。,（2）VMOS器件不可能有热击穿和二次击穿，温度稳定性高。,（3）高频性能好，VMOS的fT600MHz.,（4）导通电阻rDS(on)小。,8.5.3 以MOS功率管作输出级的甲乙类功率放大器,SHM1150型集成功放,VMOS,VMOS,输入级,中间放大级,输出级,电压串联负反馈,可在12V 50V电压下工作，最大输出功率可达150W,8.5.4 BJT集成功率放大器举例,LM380(384)集成音频功放原理电路,（）,（）,（）,（）,（）,（）,可输出5W,小结,1、功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解法进行分析。研究的重点是如何在允许失真的情况下，尽可能提高输出功率和效率。功率管要采取散热措施。,2、乙类互补对称功率放大电路效率较高，但出现交越失真，采用甲乙类互补对称功率放大电路可以克服交越失真。通常可利用二极管或VBE扩大电路进行偏置。,3、单电源互补对称电路的功率、效率、管耗和电源功率计算可借用双电源互补对称电路的公式，以VCC/2代替原公式的VCC即可。,作业：8.3.4; 8.4.5; 8.5.1,习题选解,8.3.3 在图示电路中，设vi为正弦波，RL8，要求最大输出功率Pom9W 。试求在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的条件下，求：(1) 正、负电源VCC的最小值； (2) 根据所求VCC最小值，计算相应的ICM, V(BR)CEO的最小值；,(3) 输出功率最大（ Pom9W）时，电源供给的功率PV; (4) 每个管子允许的管耗PCM的最小值； (5) 当输出功率最大（ Pom9W）时的输入电压有效值。,解：（1）由,(2),解：（3）求电源供给的功率，先求电源电流平均值,(4) 管耗的最小值为,(5) 输入