第1章 功率电子线路

1、第第 1 章功率电子线路章功率电子线路 1.1功率电子线路概述功率电子线路概述 1.2功率放大器的电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性 乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大电路 1.3功率合成技术功率合成技术 1.4谐振功率放大器谐振功率放大器 第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路 1.1功率电子线路概述功率电子线路概述 1.1.1功率放大器功率放大器 1.1.2电源变换电路电源变换电路 1.1.3功率器件功率器件 1.1功率电子线路概述功率电子线路概述 本质：本质：是一种放大电路，能够在输入信号作用下，将是一种放大电路，能够在输入信号作用下，将 直流电源的直流功率转换为输出信

2、号功率，一般用效直流电源的直流功率转换为输出信号功率，一般用效 率来评价这种转换能力。率来评价这种转换能力。与其它放大电路本质上没有与其它放大电路本质上没有 区别，追求的是在电源电压确定的情况下，输出尽可区别，追求的是在电源电压确定的情况下，输出尽可 能大的功率。能大的功率。 种类：种类： ( (1) )功率放大电路功率放大电路 特点：放大；特点：放大； 用途：通信、音像等电子设备。用途：通信、音像等电子设备。 ( (2) )电源变换电路电源变换电路 特点：能量变换；特点：能量变换； 用途：电源设备、电子系统、用途：电源设备、电子系统、 工业控制等。工业控制等。 1.1.1功率放大器功率放大器

3、 特点：特点：工作在大信号状态。工作在大信号状态。 一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 安全安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。输出功率大，管子在极限条件下运用。 高效率高效率。 C 集电极效率集电极效率( (Collector Efficiency) ) C Co o o o D D o o C C PP P P P Po 输出信号功率输出信号功率 ；PD 电源提供的功率；电源提供的功率； PC 管耗管耗 ( (Power Dissipation) )/集电极耗散功率；集电极耗散功率； Po 一定，一定， C 越高，越高，PD 越小越小 PC 小，小， 既可选既可选 PCM

4、 小的管子，以降低费用，也节省能源。小的管子，以降低费用，也节省能源。 失真小失真小。 尽管尽管功率增益功率增益也是重要的性能指标，但也是重要的性能指标，但安全、高效安全、高效和和 小失真小失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。更重要，前者可以通过增加前置级祢补。 二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点 1功率管的运用状态功率管的运用状态 根据根据功率管功率管在一个信号周期内导通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功率功率 管运用状态管运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。等多种。 甲类：功率管在甲类：功率管在一个一个周期内导通周期内导通 ，

5、c = 2 。 乙类：功率管仅在乙类：功率管仅在半个半个周期内导通，周期内导通， c = 。 甲乙类：管子在甲乙类：管子在大于半个大于半个周期小于一个周期内导通，周期小于一个周期内导通， c 2 。 丙类：功率管在丙类：功率管在小于半个小于半个周期内导通，周期内导通， c 。 功率管运用状态功率管运用状态通常靠选择通常靠选择静态工作点静态工作点来实现。来实现。 根据下列曲线说出功率管的应用状态：根据下列曲线说出功率管的应用状态： 图图 111各种运用状态下的输出电流波形各种运用状态下的输出电流波形 2不同运用状态下的不同运用状态下的 C 管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的 C

6、max 也不同。也不同。 Co o C PP P 减小减小 PC 可提高可提高 C。 假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 PC 为为 2 0 CECC d 2 1 tviP 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE 方法方法 1：由由甲类甲类 甲乙类甲乙类 乙类乙类 丙类丙类，即减小管子，即减小管子 在信号周期内的导通在信号周期内的导通( (增大增大 iC = 0) )的时间。的时间。 方法方法 2：管子运用于开关状态管子运用于开关状态( (又称丁类又称丁类) )，即一周期内即一周期内 半饱和半截止半饱和半截止。 饱

7、和时，饱和时，vCE VCE (sat) 很小很小 PC 很小；很小； 截止时，截止时，iC 很小，很小，iC vCE 也很小也很小 PC 很小。很小。 总之：总之：为提高为提高 C，管应用状态可取管应用状态可取乙类、丙类乙类、丙类或或丁类丁类。 但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施( (见见 1.2 节节) )。 1.1.2电源变换电路电源变换电路 按变换方式不同：按变换方式不同： ( (1) )整流器整流器( (Rectifier) )：将电网提供的：将电网提供的50Hz50Hz的交流电能的交流电能 变换成直流电能（变换成直流电能（交流电

8、交流电- -直流电）直流电）。 ( (2) )直流直流- -直流变换器直流变换器( (DC-DC Converter) )：将一种电压：将一种电压 数值的直流电能变换成另一种电压值或极性的直流电能（数值的直流电能变换成另一种电压值或极性的直流电能（直直 流电流电- -直流电）直流电）。 ( (3) )逆变器逆变器( (Inverter) )：将直流电能变换成不同幅值和频：将直流电能变换成不同幅值和频 率的交流电能（率的交流电能（直流电直流电- -交流电）交流电）。 ( (4) ) 交流交流- -交流变换器交流变换器( (AC- -AC Converter) )：将一：将一50Hz50Hz 交流

9、电能变换成不同幅值或频率的交流电能（交流电能变换成不同幅值或频率的交流电能（交流电交流电- -交流交流 电）电）。 1.1.3功率器件功率器件 功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全 工作，需了解其工作，需了解其极限参数极限参数及及安全工作区安全工作区。 功率管的种类：功率管的种类： ( (1) )双极型功率晶体管双极型功率晶体管 ( (2) )功率功率 MOS 管管 ( (3) )绝缘栅双极型功率管绝缘栅双极型功率管 以以双极型双极型功率管为例，安全工作区受如下功率管为例，安全工作区受如下极限参数极限参数限制：限制： 最大允许管耗最大允许管耗 P

10、CM。与散热条件密切相关。与散热条件密切相关。 基极开路集基极开路集 - 射反向击穿电压射反向击穿电压 V(BR)CEO 。 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 。 以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。 一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 管耗管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。主要消耗在集电结上，使结温升高。 若集电极的散热条件良好，若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散集电结上的热量很容易散 发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上

11、达到 热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热 量。量。反之，散热条件不好，反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达集电结就会在更高的温度上达 到热平衡，甚至产生到热平衡，甚至产生热崩热崩而烧坏管子。而烧坏管子。 热崩热崩( (Thermal Runaway) )： 集电结结温集电结结温( (Tj) ) iC PC Tj 如此反复，直如此反复，直 至至 Tj TjM( (集电结最高允许温度集电结最高允许温度) )而导致管子被烧坏的一种而导致管子被烧坏的一种 恶性循环现象。（例如硅管恶性循环现象。（例如硅管Tj=150175C）

12、提高提高 PCM 的办法：的办法： 图图 114( (a) )、( (b) ) 功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器 ( (c) ) 相应的热等效电路相应的热等效电路 管子集电极直接固定在金属底座上。管子集电极直接固定在金属底座上。 金属底座与管壳相连。金属底座与管壳相连。 金属底座还加装金属散热器。金属底座还加装金属散热器。 各种散热片 各种功率晶体管 二、二次击穿二、二次击穿 除除 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 满足安全工作条件外，要保证满足安全工作条件外，要保证 功率管安全工作，还要求不发生功率管安全工作，还要求不发生二次击穿二次击穿。 二次击穿二次击穿( (Second

13、ary Breakdown) )： 当集当集 - - 射反向电压超过射反向电压超过 V(BR)CEO 时，会引起击穿，但时，会引起击穿，但 只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电 极电压小于极电压小于 V(BR)CEO 后，管子可恢复正常工作。后，管子可恢复正常工作。 如果发生上述击穿，电流不加限制，就会出现集电极如果发生上述击穿，电流不加限制，就会出现集电极 电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击二次击 穿穿。 后果：后果：过热点的晶体熔化，集过热点的晶体熔化，集 - - 射

14、间形成低阻通道，射间形成低阻通道， 引起引起vCE下降，下降，iC 剧增剧增，损坏功率管，且不可逆。，损坏功率管，且不可逆。 发生条件：发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为它在高压低电流时发生，相应的功率称为 二次击穿耐量二次击穿耐量 PSB。 图图 115图计及二次击穿时功率管的安全工作区图计及二次击穿时功率管的安全工作区 思考思考 l 所谓功率放大是放大功率吗？ l 电压放大电路和功率放大电路有什么区别？ l 什么是晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？ l 晶体管的最大耗散功率是否是电路的最大输出功率？ 晶体管的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？ 第第 1 章章 功率电子线

15、路功率电子线路 1.2 功率放大器的电路组成功率放大器的电路组成 和工作特性和工作特性 1.2.1从一个例子讲起从一个例子讲起 1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能及其功率性能 1.2.1从一个例子讲起从一个例子讲起 图 121图解分析(a) 图 1-2-1 示为放大器的基本电路，现将其作为功率放 大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及 其工作性能上的特点。 分析法分析法 应应 用用 等效电路法等效电路法 小信号小信号 图解法图解法 大信号大信号 幂级数法幂级数法 频率变换频率变换 时变参量法时变参量法 混频混频 电子线路分析方法电子

16、线路分析方法 功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特 性曲线上作负载线的图解分析法。 1Q 点的选择 为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输 出功率最大，需把 Q 选在负载线的中点，即 ， L CC L CEQCC CQ CC CEQ 22R V R VV I V V VCE(sat) 0 图 121图解分析 2集电极输出电压和电流(假设 VCE(sat) 和 ICEO 为 0) 图 121图解分析(b) tVVvVv tIIiIi sin sin cmCEQceCEQCE cmCQcCQC 其中， CQ L CEQ L cm cm CC CEQcm , 2 I R V R V

17、 I V VV 3PD (直流功率)、PL (负载功率) 、 PC (管耗) CQCCCCC 2 0 D d 2 1 IVtiVP cmcmCQCEQL 2 C 2 0 L 2 1 d 2 1 IVIVtRiP cmcmCQCEQCCE 2 0 C 2 1 d 2 1 IVIVtivP PL 和 PC 均由直流和交流两部分合成。例如： PL 中： )( CCCEQ D CQCEQ VV P IV 2 1 2 ，直流功率 交流功率 422 1 D CQCEQ cmcmo P IV IVP 所以 %25 D o max P P 4讨论： (1) 电路组成上 甲类功放 Cmax = 25% PD 中

18、，输出的信号功率 Po 仅占 1/4，PD/2 消耗在 RL 上。 提高 Cmax 的办法： 降低 Q 合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类) 减小管子的静态损耗。 消除 RL 上的直流功率改进管外电路，使之不消 耗直流功率。 (2) 工作特性上 VCC 一定且 Q 在负载线中点时，欲提高输出信号功率， 需增大 Icm(减小 RL)，但必须同时增大激励电流。 图图 122RL 变化对功率性能的影响变化对功率性能的影响 RL 减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅， 使 Po 减小； ICQ 增大，使 PD 增大，C 降低。 将与RL相匹配的 输入激励称为充分激 励（不出现饱和失真的最 大激

19、励），相应的负载 称为匹配负载。 小信号放大器的功率匹 配负载是指数值上等于放大 器输出电阻rce的负载，且与 输入激励大小无关；这种匹 配负载不适合功率放大器。 5结论 (1)在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓消耗 直流功率的结构。 (2)在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点 相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个 最佳配置。 1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能及其功率性能 一、甲类变压器耦合功率放大器 图 123(a)原理电路 1电路 (1)输入端 RB 偏置电阻； CB 旁路电容； Tr1 耦合变压器。 (2)输出

20、端 Tr2 耦合变压器，对 交流，Tr2 起阻抗变换作用。 2电路分析 (静态分析、动态分析、功率性能、管安全) ( (1) )静态分析静态分析 画直流通路画直流通路 画直流负载线 直流负载线方程： vCE = VCC 直流负载线：EF 图 124甲类变压器耦合功率放大器的图解分析 求求 Q 点点 iB = IBQ， iC = ICQ， vCE = VCEQ = VCC ( (2) )动态分析动态分析 画交流通路画交流通路 画交流负载线 交流负载线方程： 过 Q 点作交流负载 线 MN， L R 1 斜率斜率 Lcce Riv 2 12 W W nRnR， LL CCQc i =I+i CEC

21、EQce vVv CCQ (iI) CECEQL vVR (3)功率性能 当输入充分激励，Q 处在负载线中点时，忽略非线性 失真，且设 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则相应的集电极电压和电 流分别为： ，tIIi sin cmCQC tVVv sin cmCEQCE 其中：Vcm = VCEQ = VCC LCCLcmCQcm /RVRVII 比较： 基本放大器电路， Vcm = VCC/2； 变压器耦合电路， Vcm = VCC，若呈现在集电极上的负 载相等，则输出信号功率增大 4 倍。 功率参数计算： 50%/ /2/2 /2/2/2 D o cmax DcmcmCQCCLD

22、C DCQCEQcmcmoL CQCCD PP PIVIVPPP PIVIVPP IVP 采用变压器耦合，Cmax 将由 0.25 增大到 0.5，即 PD 的一半转换为 Po。 若 Q 处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下， 增大 VCC，或减小 ，Po 均将增大，但最后受安全工作 条件的限制。 L R (4)管安全 图 124图解分析 如图 1-2-4 所示，加在集电极上的最大电压 vCEmax = VCC + vcm 2VCC，通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。 当 Po = 0 时，PD 全部消耗在管子中，因而消耗在集电 极上的最大功率 PCma

23、x = PD 。 安全工作条件： CMDCmax CMCQ CMCQCmax (BR)CEOCC (BR)CEOCCCEmax 2/ 2 2/ 2 PPP II IIi VV VVV 即即 即即 又， 2/2/2/ DCQCCcmcmomax PIVIVP 用 Pomax 表示，上述安全工作条件变为： 2/ CQCCmaxo IVP 2/2/2/ CM(BR)CEO ）（）（IV V(BR)CEOICM/8 PCM/2 maxo maxo P P 图 115 Pomax 取二者较小的值。 此外，还需检查动态点是 否落在二次击穿限定的安全区 内。 二、乙类推挽功率放大器 乙类工作时，为在负载上合

24、成完整的正弦波，必须采 用两管轮流导通的推挽(Push-Pull)电路。 实现方案： 变压器耦合推挽功放； 乙类互补推挽功放。 1变压器耦合功放 (1) 电路结构 Tr1：输入变压器，利用二次绕组的中心抽头将 vi (t) 分 成两个幅值相等，极性相反的激励电压 vi1 = vi2 ，分别加 在两管的基 - 射极之间，实现两管轮流导通。 Tr2：输出变压器，隔断 iC1 和 iC2 到负载的平均分量， 并利用一次绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 中的基波分量在 RL 中叠加，输出正弦波。 T1 和 T2：特性配对、相同导电类型的 NPN 功率管。 图 125(a)变压器耦合 (2) 工作原

25、理 vi1(t) 0 时， T1 导通(忽略射结压降)； vi2(t) 0 时，时， T2 导导通；通； vi1(t) 0 时，时，T1 管管( (NPN 型型) ) 导通导通( (忽略射结压降忽略射结压降) )，T 2 管 管 ( (PNP型型) )截止，截止，iC1( ( iE1) )为正弦为正弦 波的正半周；波的正半周； vi(t) 0，T1 导通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 1/RL ； Vi 0，T2 导通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 1/RL 。 (2) 性能分析(忽略失真) 一般性能分析 在 0 t 时，iC2 0 iC1 Icmsin t t 2 时，iC1 0 i

26、C2 Icmsin t 集 - 射极间电压： VCE1 = VCC Vcmsin t，VCE2 = VCC Vcmsin t 通过 RL 的电流：tIiiiiisin cmC2C1EE1L 2 相应产生的电压： tVvsin cmL RL 上的输出功率： PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2 正负电源总的直流功率： PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/ 若充分激励：与 RL 相匹配的输入激励(不出现饱和 失真的最大激励)。 令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL 相应 Po 和 P

27、D 达到最大，即 L 2 CCcmcm omax 2 2R VIV P omax L 2 CC L 2 CCcmCC Dmax 4 ) 2 ( 4 22 P R V R VIV P 乙类功放的最大集电极效率 %5 .78 4 Cmax 比甲类功放高 若激励不足 Vcm 减小，引入电源电压利用系数 表示 Vcm的减小程 度。 定义 = Vcm/VCC omax 2 L CC 2 2 L cm 2 o 2 1 2 1 P R V R V P omax L 2 CC L CCCCcmCC D 42 2 2P R V R VVIV P 4 D o C P P 集电极管耗： omax 2 omax 2

28、oDC2C1 ) 2 12 () 4 ( 2 1 2/ )(PPPPPP 分析：当输入激励由大减小，即 减小时，Po、PD、C 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调， 时最大，其值为 636. 0 2 omaxomax 2 max2Cmax1C 2 . 0 2 PPPP PD, C Cmax(0.785) C 图 127 功放性能随 变化的特性： 小时，小时，PD 、Po 、 、 C 小； 小； 接近接近 1 时，时，PD 、Po 、 C 大。大。 结论：结论： PC 非单调变化，非单调变化，两两 头小，中间大。头小，中间大。 PD 随随 ( (激励激励) )线性线性 增大，与甲类

29、增大，与甲类( (不变不变) )不同。不同。 (3) 管安全 由 2 L 2 CC o 2 R V P 增大 VCC，减小 RL，且输入充分激励，输出功率将增大， 但最后受到下列安全工作条件的限制： (BR)CEOCCCEmax 2VVv CM L CC cmCmax I R V Ii PC1max PC2max 0.2Pomax PCM CM max o CM(BR)CEOCMCC max o 5 4 1 2 1 PP IVIVP 取其中的小值 检查二次击穿。 思考 l 互补式功放电路的输出功率是否为单管功放电路的两倍？ l 扩音机的输出功率是交流功率还是直流功率？若输出电 压的最大幅值为1

30、0V，负载电阻为4欧，则输出功率是 25W吗？ l 在电源电压相同且负载电阻也相同的情况下，对于不同 电路形式的功放，最大输出功率都相同吗？它们与电路 中晶体管的工作状态（甲类、乙类等）有关吗？什么样 的电路转换效率高？ 变压器耦合功放电路 优点：实现阻抗变换 缺点：体积庞大、笨重、消 耗有色金属，且效率低，低频和 高频特性均较差。 OTL电路：由于负载电流较大，电容容 量常选为几千微法，且为电解电容， （电容量愈大，电路低频特性愈好）， 但当电容容量增大到一定程度时，由于 两个极板面积很大，且卷制而成，电解 电容不再是纯电容，而存在漏阻和电感 效应，使低频特性不会明显改善。 OCL电路： 优

31、点：没有采用变压器和大电容 缺点：在制作负电源时仍需采用变 压器或带铁芯的电感、大电容，因此就 整个电路系统而言未必是最佳方案。 BTL电路（桥式推挽功率放大电路）： 所用管子数量最多，难于做到四只管子 特性理想对称；且管子的总损耗大，必 然使得转换效率降低；电路的输入和输 出均无接地点，因此有些场合不适用。 （1-10）例）例1. 如图所示为三种甲类功率放大器的输出电路，如图所示为三种甲类功率放大器的输出电路， 采用相同的功率管及采用相同的功率管及VCC值。设值。设VCE(sat) = 0，I CEO = 0，变，变 压器是理想无耗的，试在同一输出特性曲线上作出各电路压器是理想无耗的，试在同

32、一输出特性曲线上作出各电路 的交、直流负载线，并求这三种放大器的最大输出功率之的交、直流负载线，并求这三种放大器的最大输出功率之 比。比。 1.2.3乙类推挽功率放大器实际电路乙类推挽功率放大器实际电路 从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题：从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题： 交越失真交越失真 加偏置电路；加偏置电路； 双电源双电源 单电源供电；单电源供电； 互补管难配互补管难配 准互补推挽电路；准互补推挽电路； 安全安全 过载保护；过载保护； 充分激励充分激励 输入激励电路。输入激励电路。 一、交越失真和偏置电路一、交越失真和偏置电路 1交越失真交越失真( (Crossover

33、Distortion) ) ( (1) )定义定义 在零偏置条件下，考虑到导通电压的影响，输出电压在零偏置条件下，考虑到导通电压的影响，输出电压 波形在衔接处出现的失真，称波形在衔接处出现的失真，称交越失真交越失真。 图图 132图解分析图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性乙类推挽电路时，两管的合成传输特性 ( (2) ) 解决途径解决途径 图图 133加偏置的互补加偏置的互补推挽电路及其传输特性推挽电路及其传输特性 输入端两管适当正偏，使其工作在输入端两管适当正偏，使其工作在甲乙类甲乙类。 由传输特性可见：只要由传输特性可见：只要 VBB 取值合适，上下两路传输特取值合适，上下两路传输

34、特 性起始段的弯曲部分就可相互补偿，性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于合成传输特性趋近于 直线直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。 ( (3) )常用电路常用电路 二极管偏置电路二极管偏置电路 VBE 倍增电路倍增电路 2二极管偏置电路二极管偏置电路 在集成电路中，在集成电路中，偏置二极管通常由晶体管取代，如图偏置二极管通常由晶体管取代，如图 1- -3- -4( (b) )所示。或者用互补所示。或者用互补管管 T3、T4 取代取代，如图，如图 1- -3- -4( (c) ) 所示所示。 图图 1- -3- -4二极

35、管偏置电路二极管偏置电路 3VBE 倍增电路倍增电路 图图 135VBE 倍增偏置电路倍增偏置电路 )1( 2 1 BE3BB R R VV ( (1) )偏置电路偏置电路 由由 T3、R1、R2 组成，且由电组成，且由电 流源流源 IR 激励，为互补功率管激励，为互补功率管 T1、 T2 提供提供偏置电压偏置电压 VBB。 对于交流通路，对于交流通路，T3、R1 构成构成电压电压负反馈电路，反馈电负反馈电路，反馈电 路的输出电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。路的输出电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。 ( (2) )倍增原理倍增原理 )1( 2 1 BE3BB 21 2 BBBE3 R R

36、 VV RR R VV 式中，式中，VBE3 = VT ln(IE3 / IS) VT ln(IR / IS)； 图图 135VBE 倍增偏置电路倍增偏置电路 上式表明：偏置电路提供的偏上式表明：偏置电路提供的偏 置电压置电压 VBB 是是 VBE3 的倍增值，且的倍增值，且 其值受其值受 R1 和和 R2 控制，故称为控制，故称为 VBE 倍增电路倍增电路。 ( (3) )热补偿热补偿 T ICQ VBE3 VBB ICQ )1( 2 1 BE3BB R R VV 二、单电源供电的互补推挽电路二、单电源供电的互补推挽电路( (OTL) ) 图图 136 1电路特点电路特点 单电源供电单电源供

37、电 负载串接大容量隔直电容负载串接大容量隔直电容 CL。VCC 与两管串接，若两管特与两管串接，若两管特 性配对，则性配对，则 VO = VCC/2，CL 等效等效 为为电压等于电压等于 VCC/2 的直流电源的直流电源。 2工作原理工作原理 T1 管的直流供电电压：管的直流供电电压：VCC VO = VCC/2， T2 的供电电的供电电 压：压：0 VO = VCC/2。 单单电源供电电路等效为电源供电电路等效为 VCC/2 和和 VCC/2 的的双双电源供电电源供电 电路。电路。 三、准互补推挽电路三、准互补推挽电路 1问题的提出问题的提出 互补互补要求两功率管特性要求两功率管特性配对配对

38、，难实现。，难实现。 2解决办法解决办法 采用复合管取代互补管，构成采用复合管取代互补管，构成准准 互补推挽电路互补推挽电路。 3电路电路 图图 137准互补推挽电路准互补推挽电路 复合管复合管 T1、T2 等效为等效为 NPN 型管；型管； T3与与 T4 等效为等效为 PNP 型管。型管。 三、准互补推挽电路三、准互补推挽电路 3电路电路 复合管复合管 T1、T2 等效为等效为 NPN 型管；型管； T3与与 T4 等效为等效为 PNP 型管。型管。 其中，其中，T1、T3 为小功率管，它们为小功率管，它们 之间是之间是互补的互补的，T2、T4 为大功率管，为大功率管， 它们是它们是同型同

39、型，便于特性配对，故称为，便于特性配对，故称为 准互补推挽电路准互补推挽电路。 R1，R2( (几百欧姆几百欧姆) 减小复合管的反向饱和电流。减小复合管的反向饱和电流。 四、保护电路四、保护电路 1必要性必要性 实际可能发生负载短路，电流迅速增大等实际可能发生负载短路，电流迅速增大等异常现象，异常现象， 造成功率管损坏。为了造成功率管损坏。为了安全安全起见起见，应有应有过流、过压、过热过流、过压、过热 保护。保护。 2过流保护电路过流保护电路 ( (1) )电路电路 图图 138限流保护电路限流保护电路 T1、T2：保护管；：保护管；R1、R2 ： 过流取样电阻。过流取样电阻。 ( (2) )

40、原理原理 以保护管以保护管 T1 为例。为例。 四、保护电路四、保护电路 2过流保护电路过流保护电路 ( (1) )电路电路 T1、T2 ：保护管；：保护管；R1、R2 ： 取样电阻。取样电阻。 ( (2) )原理原理 以保护管以保护管 T1 为例。为例。 正常时正常时，VR1 不足以使不足以使 T1 导通导通，不起保护作用。，不起保护作用。 异常时异常时，VR1 使使 T1导通，分流导通，分流 i1，限制限制 T3 管的输出电管的输出电 流，起到了限流保护作用。流，起到了限流保护作用。 T2 对对 T4 的限流保护作用同上。的限流保护作用同上。 五、输入激励电路五、输入激励电路 1必要性必要

41、性 互补功放互补功放, 功率管为射随器，功率管为射随器，Av 1。若要求输出最大。若要求输出最大 信号功率，则要求激励信号功率，则要求激励 级提供振幅接近电源电级提供振幅接近电源电 压的推动电压压的推动电压( (单电源单电源 为为 VCC /2 ) )。 2电路电路 图图 139( (a) )未加未加自举电容的电路自举电容的电路 ( (b) )输入激励级图解分析输入激励级图解分析 T3：输入激励级，输入激励级， T3 的直流负载的直流负载 R( (忽略忽略 T1 和和 T2基基 极电流极电流) )，直流负，直流负 载线为载线为。 图图 139( (a) )未加未加自举电容的电路自举电容的电路

42、( (b) )输入激励级图解分析输入激励级图解分析 3输出振幅输出振幅 交流负载交流负载 r R/ri R，则，则 交流负载线如交流负载线如 曲线曲线 所示所示，输出信号，输出信号 电 压 振 幅 可 接 近电 压 振 幅 可 接 近 VCC/2。 4改进电路改进电路 电流源电流源构成有源负载放大器，直流电阻小，交流电构成有源负载放大器，直流电阻小，交流电 阻大。阻大。 采用采用自举电路自举电路 图图 139 ( (c) )加自举电容的电路加自举电容的电路 R1 ，R2 ， C2，取代，取代 R 。特。特 点：交流电位由点：交流电位由 O 经经 C2 自举自举到到 C 点，即点，即 vC vO

43、。 工作原理：工作原理：Av 1，故，故 vB vO vC，通过，通过 R2 的交流电流的交流电流 i 0， 因而从因而从 B 点向虚线框看进去的点向虚线框看进去的交交 流电阻流电阻( (vB/i) )很大，很大，趋于无穷趋于无穷，T3 的 交 流 负 载 电 阻 便 近 似 等 于的 交 流 负 载 电 阻 便 近 似 等 于 T1( (或或 T2) )电路的输入电阻电路的输入电阻(一般此一般此 值值 R1 + R2)。 例：例：如图所示为两级功放电路，其中，如图所示为两级功放电路，其中，T Tl l、T T2 2工作于乙类，工作于乙类， 试指出试指出T T4 4、R R2 2、R R3 3

44、的作用。当输人端加上激励信号时产生的作用。当输人端加上激励信号时产生 的负载电流为的负载电流为i iL L = 2sin = 2sin t t（A A），），试试计算：计算： （1 1）当）当R RL L = 8 = 8 时的输出功率时的输出功率P PL L； （2 2）每管的管耗）每管的管耗P PC C； （3 3）输出级的效率）输出级的效率 C C。 （设设R R5 5、R R6 6电阻不计电阻不计） 例：例：如图所示为两级功放电路，其中，如图所示为两级功放电路，其中，T Tl l、T T2 2工作于乙类，工作于乙类， 试指出试指出T T4 4、R R2 2、R R3 3的作用。当输人端加

45、上激励信号时产生的作用。当输人端加上激励信号时产生 的负载电流为的负载电流为i iL L = 2sin = 2sin t t（A A），），试试计算：计算： （1 1）当）当R RL L = 8 = 8 时的输出功率时的输出功率P PL L； （2 2）每管的管耗）每管的管耗P PC C； （3 3）输出级的效率）输出级的效率 C C。 （设设R R5 5、R R6 6电阻不计电阻不计） W16 2 1 L 2 cmL RIP ，W47.25 )( cmCC D IV P W74. 4 2 LD C PP P %83.62)4/(8 . 0 2/ C CC cm ， V V (1) (2) (

46、3) 第 1 章 功率电子线路 1.4功率合成技术功率合成技术 1.4.1功率合成电路的作用 1.4.2传输线变压器 1.4.3用传输线变压器构成的魔 T 混合网络 1.4.1功率合成电路的作用功率合成电路的作用 一个理想的功率合成电路应该具有以下特点： N 个同类型的功率放大器，它们的输出振幅相 等，通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放 大器输出功率的和。 与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离， 任何一个功率放大器发生故障时，不影响其他放大器的 功率输出。 实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件 组成，统称为魔 T 混合网络。在实际应用中，往往需 要功率合成电路具有宽带特性，

47、这种功率合成电路由传 输线变压器构成。 1.4.2传输线变压器传输线变压器 一、变压器和传输线的工作频带一、变压器和传输线的工作频带 高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的 作用，其上限频率只能工作在几十兆赫，下限频率受 有限激磁电感量的限制。 传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导 线，它的上限频率与导线长度 l 有关，l 越小，上限频 率 fH 越高。当信号波长远大于导线长度时，传输线就 是两根普通的连接线，它的下限频率为零。 传输线如图 143 所示。 图 1-4-3传输线 设上限频率 fH 对应 的波长为 min ,取 min 10 1 8 1 l *可以认为： 在上限 频率范

48、围内，线上电压 和电流出处相等。（条件： 传输线是无损耗的，即Rs=RL=Zc） v1 v2 v， i1 i2 i 二、传输线变压器的工作原理二、传输线变压器的工作原理 传输线变压 器原理图如图 1 44(a)所示。 将传输线绕 于磁环上便构成 传输线变压器。 传输线可以是同 轴电缆、双绞线、 或带状线，磁环 一般是镍锌高磁 导率的铁氧体。 参见图 144(b)，在高频时，传输线变压器以电 磁能交替变换的传输方式传送能量。 如图 144(c) 所示，在低频时，由 于传输线绕在磁环上， 1 端和 2 端与 3 端 和 4 端的短导线成 为较大的电感线圈， 避免了信号源和负载 被短接，实现了倒相

49、作用。能量通过传输 线方式和磁耦合方式 传送。 三、传输线变压器功能三、传输线变压器功能 1对称与不对称变换 对称 不对称变换，将对地对称的双端输入信号 转换为对地不对称的单端输出信号，如图 146(a)所 示。 图 1-4-6对称与不对称变压器 (a) 对称-不对称(b) 不对称-对称 不对称 对称变换，将对地不对称的单端输入信 号转换为对地对称的双端输出信号，如图 146(b)所 示。 (a) 对称 不对称(b) 不对称 对称 2阻抗变换器 传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结构的限 制，通常只能实现特定的阻抗比的变换。 4 : 1 阻抗变换器如图 147(a)所示，图中阻抗关 系为 i

50、 v i v R 22 o L Li 4 2 4 2 R i v i v R i v i v R 22 o L Li 4 2 4 2 R i v i v R 实现 4 : 1 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗 为 Lc 2 2 2R i v i v Z 1 : 4 阻抗变换器如图 147(b)所示，图中阻抗关 系为 i v i v R 2 o L Li 4 1 4 2 2 R i v i v R 实现 1 : 4 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗 为 Lc 2 12 2 1 R i v i v Z 1.4.3用传输线变压器构成的用传输线变压器构成的 魔魔 T 混合网络混合网络 一、功率合成

51、一、功率合成 输入信号接在 A 端和 B 端，根据节 点方程 i ia id，i id ib i ia id，i id ib 求出 )( 2 1 bad iii )( 2 1 ba iii 而 ic 2i ia ib i ia id，i id ib )( 2 1 bad iii )( 2 1 ba iii ic 2i ia ib 1输入为等值反相信 号 ia ib Imsin t， va vb Vmsin t 因为 ic 0，所以 C 端无功率输出。 vd va vb 2Vmsin t， tIiii sin)( 2 1 mbad ia ib Imsin t， va vb Vmsin t 因为

52、ic 0，所以 C 端无 功率输出。 vd va vb 2Vmsin t， tIiii sin)( 2 1 mbad D 端的输出功率 ba mm d 2 2 PP IV P 输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。 每个功率放大器的等效负载 2 2/ d d d b b a a L R i v i v i v R 2输入为等值同相信号 ia ib Imsin t， va vb Vmsin t 因为 id 0 所以 D 端无功率输出。 vc va vb Vmsin t， ic ia ib 2Imsin t C 端的输出功率 ba mm c 2 2 PP IV P 输出功率为 A 端输

53、入功率和 B 端输入功率的和。 2输入为等值同相信号 ia ib Imsin t， va vb Vmsin t 因为 id 0， 所以 D 端无功率输出。 vc va vb Vmsin t， ic ia ib 2Imsin t C 端的输出功率 ba mm c 2 2 PP IV P 输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。 每个功率放大器的等效负载 c c c b b a a L 2 2/ R i v i v i v R 3异常输入情况 ia ib，va vb 根据电路的约束条件 acddc 1 2 2 vvvi RiR cbdcb 2 2 1 iRRivvv 将)( 2 1 ba

54、d iii )( 2 1 ba iii 代入并整理，求解出 cd c d b cd c d aa 44 RR R R v RR R R vi cd c d a cd c d bb 44 RR R R v RR R R vi cd c d b cd c d aa 44 RR R R v RR R R vi cd c d a cd c d bb 44 RR R R v RR R R vi 若取 dc 4 1 RR ia 仅与 va 有关，ib 仅与 vb 有关。实现了 A 端和 B 端 的隔离，称为 A、B 间的隔离条件。 二、功率分配二、功率分配 1同相功率分配 同相功率分配电路如图 149(a

55、)所示。 ic = 2i ，ia = i id ，ib = i + id ，vd = idRd = iaRa ibRb 整理得到 bad ba c bad ba d 2 1 RRR RR i RRR RR ii 图 149功率分配电路 (a) 同相 ic = 2i ，ia = i id ，ib = i + id ， vd = idRd = iaRa ibRb bad ba c bad ba d 2 1 RRR RR i RRR RR ii 取 Ra Rb R 则id 0 D 端无功率输出。 ia ib ic /2 A 端和 B 端获得等值同相 功率。 C 端的等效负载为 R/2。 图 149功

56、率分配电路 (b) 反相 2反相功率分配 反相功率分配电路如图 14 9(b)所示。 同理可以证明：当 Ra Rb R 时 ic 2i 0 ia ib id 则 ic 0 C 端无功率输出。 A 端和 B 端获得等值 反相功率。 D 端的等效负载为 2R。 三、另一种混合网络 第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器 2.1谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理 2.2谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点 2.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 2.4高频功率放大器高频功率放大器 使用谐振功率放大器的目的：放大高频大信号使发 射机末级获得足够大的发射功率。 功率信号

57、放大器使用中需要解决的两个问题： 高效率输出高功率输出 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作 状态通常选为丙类工作状态，为了不失真的放大信 号，它的负载必须是谐振回路。 非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高 频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负 载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放 大器以宽带传输线为负载。 谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法 第第 2 章章 谐振功率放大器谐振功率放大器 谐振功放：谐振功放：一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大 器。器。 图图 2- -2- -1( (a) )谐振功率放大器谐振功率放大

58、器 原理电路原理电路 特点：特点：负载匹配网络为谐振系统负载匹配网络为谐振系统 应用状态：应用状态：丙类丙类( (或丁类、乙类或丁类、乙类) ) 用途：用途：对载波或已调波进行功率放大对载波或已调波进行功率放大 种类：种类：丙类谐振功放丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放丁类、戊类谐振功放 倍频器倍频器 本章内容：本章内容：工作原理、性能分析、工作原理、性能分析、 电路。电路。 2.1丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器 1电路组成电路组成 图图 211谐振功率放大器原理电路谐振功率放大器原理电路 ZL 外接负载外接负载，呈阻，呈阻 抗性，用抗性，用 CL 与与 RL 串联等效串联等效 电路表示。

59、电路表示。 Lr 和和 Cr 匹配网匹配网 络络，与，与 ZL 组成并联谐振组成并联谐振 回路。调节回路。调节 Cr 使回路谐使回路谐 振在输入信号频率。振在输入信号频率。 VBB 基极偏置电压基极偏置电压，使功率管，使功率管 Q 点设在截止区，点设在截止区， 以实现丙类工作。以实现丙类工作。 2集电极电流集电极电流 iC 图图 212 输入输入vb(t) = Vbmcos st 据据vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st 由静态转移特性由静态转移特性( (iC-vBE) )，得集电极，得集电极 电流电流 iC 波形：波形：脉宽小于半个周期的脉脉宽小于半个周期的

60、脉 冲序列冲序列。傅里叶级数展开。傅里叶级数展开 tItIIi sc2msc1m0CC cos2cos 为为平均分量、基波分量平均分量、基波分量和和各次谐波分量各次谐波分量之和之和。 3输出电压输出电压 vo ( (1) )对基波分量对基波分量 阻抗最大，为谐振电阻阻抗最大，为谐振电阻 Re( (谐振回路调谐在输入信号频谐振回路调谐在输入信号频 率上，因而对率上，因而对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电 阻阻) )。 在高在高 Q 回路中，其回路中，其 Re 近似为近似为 Lt r L 2 r 2 0 e RC L R L R 式中，式中， Lr