第8章功率放大电路

1、第,8,章,功率放大电路,在工程上要驱动负载，不仅要求有较大的电压输出，,同时还要求有较大的电流输出，因此放大电路的末级常是,功率放大电路。,信号源,传感器,非电量,电压放大,功率放大,放大电路,负载,把电信号转换成,其他形式的能量,功率放大电路与电压放大电路的相同点：,放大电路实质上都是能量转换电路。是利用三极管的,控制作用把直流电源的能量按照输入信号的变化规律进,行放大后传送给负载。,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,1,.,2,.,3,.,4,.,5.,要求给负载提供足够大的功率。,在输入为大信号下工作。,分析方法以图解法为主。,非线性失真矛盾突出。,提高效率

2、成为重要的关注点。,6.,功率器件的安全问题必须考虑,。,一般直接驱动负载，带负载能力要强。,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。,4. BJT,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：,甲,类：,一个周期内均导通,乙,类：,导通角等于,180,甲乙类：,导通角大于,180,5.,功放的分类,根据管子静态工作点的不同分为三类,甲类功放、乙类功放、甲乙类功放,（,1,）甲类功放,静点在负载线的中点，在整个信号周期内管子都导通。,特点,：,i,C,i,C,集电极电流大、管耗大，,效率,50%,

3、低、,波形不失真,I,C,Q,Q,0,0,用途,：,小信号放大,甲类功放：射极输出器,0,t,u,CE,u,CE,U,CE,Q,t,（,2,）,乙类功放,在半个信号周期内，管子导通，静点在横轴上。,特点,：,I,C,=0,效率高,78.5%,失真大,0,i,C,i,C,Q,t,0,0,u,CE,u,CE,用途,：,用于互补对称的功放,t,（,3,）,甲乙类工作状态,半个周期管子导通时间一个周期，静电在交流负载,线中点以下横轴之上。,特点,：,I,C,小,效率高,失真小,用途,：,0,t,0,0,i,C,i,C,Q,u,CE,u,CE,OCL,互补对称的功放,t,8.2,乙类双电源互补对称功率放

4、大电路,8.2.1,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,互补对称功率放大电路。,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。,8.2.2,分析计算,一、静态分析,偏置电流为零，管子工作在乙类状态。,I,B,?,0,I,C,1,?,I,C,2,?,0,因为两个管子参数特性相同，所以,V,E,?,0,V,O,?,0,二、动态分析,当,u,i,为正半周时，,T,1,正偏导通，,T,2,反偏截止，输出,u,o,正半周波形；,当,u,i,为负半周时，,T,2,正偏导通，,T,1,反偏截止，输出

5、,u,o,负半周波形。,负载在输入信号的整个周期内都有电流，输出电压为一完整正弦波。,两管交替工作，互相补充并且电路对称所以称为互补对称的功放。,1.,输出功率,P,o,输出电压与输出电流有效值的乘积。,V,om,V,om,V,om,P,o,=,V,o,I,o,?,?,?,2,2,?,R,L,2,R,L,最大不失真,输出功率,P,omax,P,omax,=,(,V,CC,?,V,CES,2,R,L,),2,2,(,V,CC,?,V,CES,),V,CC,?,?,2,R,L,2,R,L,2,2,V,CES,V,CC,2.,管耗,P,T,1,P,T1,=,2,1,?,2,1,?,2,?,?,?,v

6、,o,(,V,CC,?,v,o,),d,(,?,t,),0,R,L,V,om,sin,?,t,(,V,CC,?,V,om,sin,?,t,),d(,?,t,),0,R,L,0,V,CC,V,om,V,om,2,(,sin,?,t,?,sin,?,t,),d(,?,t,),R,L,R,L,2,2,1,V,CC,V,om,V,om,?,(,?,),R,L,?,4,两管管耗,2,2,V,CC,V,om,V,om,P,T,=,P,T1,?,P,T2,?,(,?,),R,L,?,4,3.,电源供给的功率,P,V,2,V,CC,V,om,P,V,=,P,o,?,P,T,?,?,R,L,当,V,om,?,V

7、,CC,时，,P,Vm,4.,效率,?,2,V,CC,?,?,?,R,L,2,P,o,?,V,om,?,=,?,?,P,V,4,V,CC,当,V,om,?,V,CC,时，,?,?,?,4,?,78.5,%,8.2.3,功率,BJT,的选择,1.,最大管耗与最大输出功率的关系,当,V,OM,0.6V,CC,时每管具有最大管耗,2.,功率,BJT,的选择,选管依据,:,P,T1m,?,0,.,2,P,om,P,T1m,?,0,.,2,P,om,|V,(BR)CEO,| 2V,CC,I,CM,V,CC,/R,L,3.,改善器件的散热条件,普通功率三极管的外壳较小,散热效果差,所以允许的耗散功率低。当

8、加上散热片,使得器,件的热量及时散热后,则输出功率可以提高很多。,例如低频大功率管,3AD6,在不加散热片时,允许的,最大功耗,P,cm,仅为,1W,加了,120mm,120mm,4,mm,的,散热片后,其,P,cm,可达到,10,W,。,在实际功率放大电路中,为了提高输出信号功,率,在功放管一般加有散热片。,例题,功放电路如图所示，设,V,CC,=12V,，,R,L,=8,，,BJT,的极,限参数为,I,CM,=2A,，,|,V,（,BR,）,CEO,|=30V,，,P,CM,=5W,。试求：,1.,最大的输出功率,P,om,，检验,BJT,能否安全工作？,2.,放大电,路在,=0.6,时的

9、输出功率,P,o,值。,解：,1,1,V,12,P,om,?,?,?,9,W,2,R,L,2,?,8,2,CC,2,i,Cm,V,CC,12,?,?,?,1,.,5,A,R,L,8,v,CEm,?,2,V,CC,?,2,?,12,?,24,V,P,T,1,m,?,0,.,2,P,om,?,0,.,2,?,9,?,1,.,8,W,?,i,Cm,?,I,Cm,?,2,A,v,CEm,?,|,V,(,BR,),CEO,|,?,30,V,P,T,1,m,?,P,Cm,?,5,W,，,?,BJT,能安全工作,2.,当,=0.6,时，求输出功率,P,o,?,?,?,?,V,om,4,V,CC,V,CC,?

10、,2,?,V,om,?,?,?,4,2,om,0,.,6,?,4,?,12,?,?,?,9,.,2,V,1,V,9,.,2,P,o,?,?,?,?,5,.,3,W,2,R,L,2,?,8,8.3,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,0.6V,-0.6V,8.3.1,甲乙类双电源互补对称电路,1.,静态偏置,可克服交越失真,设,T,3,已有合适,的静态工作点,2.,动态工作情况,二极管等效为恒压模型,T,3,、,R,e3,、,D,1,、,D,2,、,R,C3,组成,前置放大级，,T,1,和,T,2,组成互,补对称功放输出级。,静态时，,D,1,、,D,2,产生的压降为,T,1

11、,和,T,2,提供偏压，使管子微导通。,由于电路对称：,i,C,1,?,i,C,2,i,L,?,0,v,O,?,0,当有输入信号时，电路工作在甲乙类，进行线性放大。,电路的缺点：偏置电压不能调整,是利用,U,BE,倍压电路向两,管提供所需的偏压,其关系推,导如下,:,R,e3,+,V,CC,U,BE,4,R,2,?,(,U,BE,1,?,U,EB,2,),R,1,?,R,2,R,1,?,R,2,?,U,BE,4,R,2,i,C1,T,1,v,i,R,1,R,2,R,3,T,3,U,BE,1,?,U,EB,2,T,4,v,o,T,2,R,1,?,(,1,?,),U,BE,4,R,2,i,C2,-

12、,V,EE,R,L,i,L,由于,U,BE4,为,0.60.7V,值固定，所以调节电阻的比,值即可改变两管的偏压,8.3.2,甲乙类单电源互补,对称电路（,OTL,）,1.,静态偏置,调整,R,1,、,R,2,阻值,的大小，可使,1,此时电容上电压,V,?,V,C,CC,2,2.,动态工作情况,此电路存在的问题：,K,点电位受到限制,1,V,K,?,V,CC,2,3.,带自举电路的单电源功放,静态时,1,V,K,?,V,CC,2,自举电路,C,3,充电后，其两,端有一固定电压,动态时,C,3,充当一个电源,8.4,功率器件,8.4.1,双极型大功率晶体管,(BJT),功率管的最大工作电流必须小

13、于该功率管的,最大允许电流,I,CM,；最大工作反压必须小于允许的,击穿电压,U,(BR)CEO,；功率管的功耗要小于允许的最,大功耗,P,CM,。,这里有两个问题还需加以说明：一是散热与最,大功耗的关系，二是有关二次击穿和安全工作区。,一、散热与最大功耗,P,CM,的关系,电源供给的功率，一部分转换为负载的有用,功率，另一部分则消耗在功率管的集电结，变为,热能而使管芯的结温上升。如果晶体管管芯的温,度超过管芯材料的最大允许结温,T,jM,(,锗管,T,jM,约为,75,100,硅管,T,jM,约为,150,200,),，则晶体管,将永久损坏。我们把这个界限称为晶体管的最大,允许功耗,P,CM

14、,。,描述热传导阻力大小的物理量称为热阻,R,T,。,R,T,的量纲为,/W,，它表示每消耗,1W,功率结温上,升的度数。,为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用,加散热器的方法。下图给出一种铝型材散热器的,示意图。,加散热器后，热,传导阻力等效通,路如图所示。,图中：,R,Tj,内热阻，表示管芯到管壳的热阻；,R,Tfo,管壳到空间的热交换阻力；,R,Tc,管壳到散热器之间的接触热阻，与,管壳和散热器之间的接触状况有关；,R,Tf,散热器到空间的热交换阻力，与散,热器的形状、材料以及面积有关。,由图可见，不加散热器时，总热阻,R,To,为,R,To,=,R,Tj,+,R,Tfo,由于管壳散热

15、面积很小，,R,Tfo,是很大的。,加散热器后，由于,(,R,Tc,+,R,Tf,),R,Tfo,，所以，总,热阻,R,T,为,R,T,R,Tj,+,R,Tc,+,R,Tf,显然，,R,T,R,To,功率管的最大允许功耗,P,CM,与总热阻,R,T,、最,高允许结温,T,jM,和环境温度,T,o,有关，其关系式为,P,CM,?,T,jM,?,T,o,R,T,二、二次击穿现象与安全工作区,功率管在实际应用中，常发现功耗并未超额，,管子也不发烫，但却突然失效。这种损坏不少是由,于“二次击穿”所致。,二次击穿现象可由下图,(a),来说明。当集电极电,压增大时，首先可能出现一次击穿,(AB,段,),。

16、这是正,常的雪崩击穿。二次击穿的起点与,i,B,大小有关。通常,将其起、始点连线称为二次击穿临界线，如图,(b),为保证功率管安全可靠地工作，除保证电流,小于,I,CM,、功耗小于,P,CM,、工作反压小于一次击穿,电压,U,(BR)CEO,外，还应避免进入二次击穿区。所以，,功率管的安全,工作区如图所示。,8.4.2,功率,MOS,器件,有许多适合大功率运行的,MOS,器件，其中突,出的代表是,VMOS,管和双扩散,MOS,管。,VMOS,管的结构,剖面图如图所,示。,与,BJT,管比较，,VMOS,具有许多优点：,(1),输入阻抗大，所需驱动电流小，功率增益高。,(2),温度稳定性好，漏极

17、电阻为正温度系数，当器,件温度上升时，电流受到限制，不可能产生热,击穿，也不可能产生二次击穿。,(3),没有,BJT,管的少子存贮问题，加之极间电容小，,所以开关速度快，适合高频工作,(,工作频率达,几百,kHz,甚至于几,MHz),。在,VMOS,基础上加以改,进，前又出现了双扩散,MOS,管,(,简称,DMOS),。此,类管子在承受高电压、大电流，速度快等性能,方面又有不少提高。,8.4.3,绝缘栅,双极型功率管,(IGBT),及功率模块,一、,IGBT,的等效电路及符号,它综合了,MOS,管输入阻抗大、驱动电流小和,双极型管导通电阻小、高电压、大电流的优点。,当,MOS,管栅压大于开启电

18、压后，出现漏极电流。,该电流就是双极型晶体管的基极电流，从而使,BJT,管导通，且趋向饱和,(,管压降很低，电位很大,),。,当,MOS,管栅压减小使沟道消失时，,I,D,=0,，,I,B,=0,管子截止。,IGBT,具有许多优点，但工作频率不太高，,一般小于,50kHz,左右。,二、功率模块,功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种,MOS,管或,BiFET,组件等。下图给出一种高速大功,率,CMOS,器件,(TC4420/29,系列,),，其脉冲峰值电流,高达,6A,，开关速度高达,25ns,，使用十分方便，而,且能带动大电容负载,(,C,L,1000pF),。,下图是由两块,TC4420,组成的桥式电路，驱动,电机或陀螺正、反向转动。,目前，还出现了许多高速大功率运算放大器,(PowerOperationalAmplifiers),，如,OPA2544,、,3583,等。,OPA2544