电子线路 非线性部分(第五版)冯军 谢嘉奎绪论和第一章课件

1、绪论绪论0.1非线性电子线路的作用非线性电子线路的作用0.2非线性器件的基本特点非线性器件的基本特点 0.3本课程的特点本课程的特点0.1非线性电子线路的作用非线性电子线路的作用一、线性电子电路与非线性电子电路一、线性电子电路与非线性电子电路 电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用： 线性电路：线性电路：对信号进行处理时，尽量使用器件特性的对信号进行处理时，尽量使用器件特性的线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。线性部分。电路基本是线性的，但存在不

2、希望有的失真。非线性电路：非线性电路：对信号进行处理时，使用了器件特性的对信号进行处理时，使用了器件特性的非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功能。能。器件特性与使用条件密切相关，例如：器件特性与使用条件密切相关，例如： 小信号小信号条件下，输入信号小，在一定条件下电路可用条件下，输入信号小，在一定条件下电路可用线性线性等效电路表示，例如各种小信号放大器等效电路表示，例如各种小信号放大器( (线性电子线线性电子线路路) )中，器件的特性归属线性电子线路。中，器件的特性归属线性电子线路。 大信号大信号条件下，输入信号大，必涉及器件的非

3、线性部条件下，输入信号大，必涉及器件的非线性部分，例如功率放大器。故不能用线性等效电路表示电子器分，例如功率放大器。故不能用线性等效电路表示电子器件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以，功放件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以，功放归属归属非线性非线性电子线路。电子线路。 二、非线性电子线路在通信系统中的应用二、非线性电子线路在通信系统中的应用1通信系统的分类通信系统的分类 ( (1) )有线通信系统：利用导线传送信息有线通信系统：利用导线传送信息( (2) )无线通信系统：利用电磁波传送信息无线通信系统：利用电磁波传送信息 ( (3) )光纤通信系统：利用光导纤维传送信息光纤通

4、信系统：利用光导纤维传送信息2无线通信系统无线通信系统图图 0-1-1无线无线通信系统的组成通信系统的组成 组成：组成：发射装置发射装置 + 接收装置接收装置 + 传输媒体传输媒体( (1) ) 发射装置发射装置 换能器：换能器： 将被发将被发送的信息变换为电信号。送的信息变换为电信号。例：话筒将声音变为电例：话筒将声音变为电信号。信号。将换能器输出的电信号变为强度足够的高将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。频电振荡。 发射机：发射机： 天线：天线：将高频电振荡变成将高频电振荡变成电磁波电磁波向传输媒质辐射。向传输媒质辐射。 ( (2) ) 接收装置接收装置 接收是发射的逆过程。接收

5、是发射的逆过程。 接收天线：接收天线： 高频电振荡高频电振荡 还还原原电信号电信号 接收机：接收机：将从空间接收的电磁波将从空间接收的电磁波 高频电振荡高频电振荡。 换能器：换能器：将电信号将电信号 还还原原所传送信息所传送信息 ( (3) ) 传输媒体传输媒体电磁波电磁波电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：长波长波、中波中波、短波短波、超短波超短波。表表 1各波段特点各波段特点波波 段段波长波长/m频率频率/MHz特特 点点说说 明明中、中、长波长波 200 1.5沿地表沿地表传播传播大地表面是导体，一部分电大地表面是导体，一部分电磁波会损耗掉，频率越

6、高，磁波会损耗掉，频率越高，损耗越大损耗越大短波短波10 2001.5 30靠电离靠电离层反射层反射传播传播电磁波一部分被吸收，另一电磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。部分被反射或折射到地面。频率越高，被吸收的能量越频率越高，被吸收的能量越小，但频率超过一定值，电小，但频率超过一定值，电磁波会穿过电离层，不再返磁波会穿过电离层，不再返回地面回地面超短波超短波 30沿空间沿空间直线直线传播传播地球表面是弯曲的，所以只地球表面是弯曲的，所以只能限制在视线范围内能限制在视线范围内图图 0-1-2无线电波传播方式无线电波传播方式传播距离：传播距离：电离层电离层 地面地面 直线直线 3无线通

7、信存在的问题无线通信存在的问题( (1) )接收信号微弱接收信号微弱 电磁波电磁波长长距距离离接收天线接收天线( (2) )存在干扰存在干扰例如其他电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射例如其他电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰等。电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰等。对接收装置的要求：增益高，选择性好。对接收装置的要求：增益高，选择性好。4解决方案解决方案 发射机发射机和和接收机接收机借助线性和非线性电子线路对携有信借助线性和非线性电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除息的电信号进行变换和处理。除放大放大外，最主要有外，最主要有调制、调制、解调解调

8、。 ( (1) )调制调制由携有信息的由携有信息的电信号电信号( (如如音频信号音频信号) )去控制高频振荡信去控制高频振荡信号的某一参数号的某一参数( (如如振幅振幅) )，使该参数按照电信号的规律而变，使该参数按照电信号的规律而变化化( (调幅调幅) )。 调制信号：调制信号：携有信息的电信号。携有信息的电信号。 载波信号：载波信号：未调制的高频振荡信号。未调制的高频振荡信号。 已调波：已调波：经过调制后的高频振荡信号。经过调制后的高频振荡信号。 根据受控参数根据受控参数：调幅、调角：调幅、调角( (调频、调相调频、调相) )。 ( (2) )解调解调调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的

9、电信号。调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。 ( (3) )调制的作用调制的作用 减小天线的尺寸。减小天线的尺寸。 音频范围：音频范围：20 Hz 20 kHz，若，若发射发射 100 Hz，波长波长 = c /f = 3 000 km，天线至少几百千天线至少几百千米米。需减少波长，提高发射频率。需减少波长，提高发射频率。 选台。选台。将不同电台发送的信息分配到不同频率的载将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其他电波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其他电台发送的信息和各种干扰。台发送的信息和各种干扰。 5调幅调幅发射机组成发射机

10、组成图图 0-1-3调幅广播发射机的组成调幅广播发射机的组成各部分作用：各部分作用：( (1) )振荡器振荡器产生产生 fosc 的高频振荡信号，几十千赫以上。的高频振荡信号，几十千赫以上。( (2) )高频放大器高频放大器多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至至 fc，并提供足够大的载波功率。，并提供足够大的载波功率。( (3) )调制信号放大器调制信号放大器多级放大器，前几级为小信号放大器，放大微音器的多级放大器，前几级为小信号放大器，放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信

11、号。 ( (4) )振幅调制器振幅调制器实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上。所需的调幅波信号，并加到天线上。6调幅接收机调幅接收机 图图 0-1-4调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成( (1) ) 高频放大器高频放大器为小信号谐振放大器，作用：为小信号谐振放大器，作用： 选台选台。利用可调谐的谐振系统选出有用信号，抑制其利用可调谐的谐振系统选出有用信号，抑制其他频率的干扰信号。他频率的干扰信号。 放大放大。放大选出的有用信号。放大选出的有用信号。 ( (2) ) 混频器混频器两路两路输入输入为：为：

12、由高放级：由高放级：已调信号已调信号 fc 。 由由本机振荡器本机振荡器：本振信号本振信号 fL。作用：载波变频作用：载波变频将将已调信号已调信号的载波由的载波由 fc ( (高频高频) )变换变换为为 fI ( (中频中频) )， fI = | |fc - - fL | |而调制波形不变。而调制波形不变。 ( (3) )本机振荡本机振荡 产生频率为产生频率为 fL =| |fc + + fI | |( (或或 fL = fc - - fI ) )的高频的高频等幅等幅振荡振荡信号。信号。fL 可调，并能跟踪可调，并能跟踪 fc。( (4) )中频放大器中频放大器为多级固定调谐的小信号放大器，作

13、用：放大中频信号。为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。 ( (5) )检波器检波器解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。( (6) )低频放大器低频放大器小信号放大器小信号放大器 功率放大器，作用：放大调制信号，功率放大器，作用：放大调制信号，向扬声器提供所需的推动功率。向扬声器提供所需的推动功率。可见，有用信号在不可见，有用信号在不同频率上进行放大同频率上进行放大超超外外差差接收机接收机 。 特点：特点：解调电路前包括解调电路前包括混频器、本机振荡、中频放大混频器、本机振荡、中频放大器器等。等。 优点：优点： 增益高，选择性好。增益高，

14、选择性好。直接高放接收机：直接高放接收机：解调前仅包括高放，无解调前仅包括高放，无混频器、本混频器、本机振荡、中频放大器机振荡、中频放大器等，增益低，选择性差。等，增益低，选择性差。 7其他通信系统其他通信系统 调频无线通信系统调频无线通信系统，发射机和接收机都包括上述各，发射机和接收机都包括上述各模块，区别主要在于模块，区别主要在于调制器调制器和和解调器解调器上。上。实现调制的模块实现调制的模块频率调制器频率调制器；实现解调的模块实现解调的模块频率检波器频率检波器或或鉴频器鉴频器。 数字通信系统数字通信系统，调制信号为，调制信号为数字信号数字信号，相应的调制，相应的调制为为数字调制数字调制。

15、 软件无线电软件无线电，用软件的方法实现通信系统中一部分，用软件的方法实现通信系统中一部分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。电路的功能，改变程序便可变更调制方式。 8小结小结( (1) )非线性电子线路讨论的范围非线性电子线路讨论的范围除小信号放大器以外的其他功能电路除小信号放大器以外的其他功能电路振荡器、功振荡器、功放、调制器、解调器、混频器、倍频器放、调制器、解调器、混频器、倍频器。 ( (2) )本课程讨论的内容本课程讨论的内容三类电路三类电路 功率放大电路功率放大电路在输入信号作用下，可将直流在输入信号作用下，可将直流电源提供的部分功率转换为按输入信号规律变化的输出信电源提供的部分

16、功率转换为按输入信号规律变化的输出信号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。 振荡电路振荡电路可在不加输入信号的情况下，稳定可在不加输入信号的情况下，稳定地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。 波形变换和频率变换电路波形变换和频率变换电路能在输入信号作用能在输入信号作用下产生与之波形和频谱不同的输出信号。包括：下产生与之波形和频谱不同的输出信号。包括：调制电路、调制电路、解调电路、混频电路解调电路、混频电路和和倍频电路倍频电路。本课程将顺序学习这三类电路。本课程将顺序学习这三类电路。0.2

17、非线性器件的基本特点非线性器件的基本特点非线性电子线路中，上述非线性电子线路中，上述三类三类功能的实现利用了器件功能的实现利用了器件的非线性特性，为此，有必要首先了解非线性器件的的非线性特性，为此，有必要首先了解非线性器件的基本基本特点特点( (参数、控制变量、参数、控制变量、不能用不能用叠加定理叠加定理) )。 一、非线性器件特性的参数一、非线性器件特性的参数 主要有三个参数：主要有三个参数： 直流参数直流参数适用于直流分析适用于直流分析 交流参数交流参数适用于频率变换电路的分析适用于频率变换电路的分析 平均参数平均参数适用于功率放大和振荡电路的分析适用于功率放大和振荡电路的分析 i v图图

18、 0- -2- -1例：非线性电阻：例：非线性电阻： 直流电导直流电导定义：定义：QQQ0VIg 意义：表明直流电流与直流电压间意义：表明直流电流与直流电压间的依存关系。的依存关系。特点：其值是特点：其值是 VQ( (或或 IQ) ) 的非线性函数。的非线性函数。应用：直流分析。应用：直流分析。 交流电导交流电导定义：定义：QQQddvivig 意义：伏安特性曲线上任一点的斜率，或该点上增量意义：伏安特性曲线上任一点的斜率，或该点上增量电流与增量电压的比值。电流与增量电压的比值。特点：其值是特点：其值是 VQ( (或或 IQ) )的非线性函数。的非线性函数。应用：交流分析。应用：交流分析。 平

19、均电导平均电导图图 0- -2- -2在大信号作用下的在大信号作用下的电流波形电流波形定义：定义：当器件两端加余弦电压当器件两端加余弦电压 v = Vmcos t 时，时，因因特性的非线性，特性的非线性，流过器件的电流必为非余弦，将其流过器件的电流必为非余弦，将其按按傅傅里叶级数展开：里叶级数展开： + + + + tItIIi 2coscos2m1m0则则平均电导平均电导即为即为基波电流振幅基波电流振幅与与外加电压振幅外加电压振幅之比：之比： mm1,QavmVIgV 意义：反映意义：反映基波电流基波电流与与外加电压外加电压间的依存关系。间的依存关系。特点：其值是特点：其值是 VQ( (或或

20、 IQ) ) 的非线性函数。的非线性函数。 应应用：功放和振荡电路分析。用：功放和振荡电路分析。二、非线性器件特性的控制变量二、非线性器件特性的控制变量控制变量不同，非线性器件的特性也不同，故分析时控制变量不同，非线性器件的特性也不同，故分析时须注明它的须注明它的控制变量控制变量。1控制量不同，特性不同控制量不同，特性不同 i v图图 0- -2- -1例例 1：二极管：二极管电压电压为控制量为控制量电流电流对电压呈对电压呈指指数数关系变化；关系变化；电流电流为控制量为控制量电压电压对电流呈对电流呈对对数数关系变化。关系变化。2特性为非单调时特性为非单调时多值和负值多值和负值例例 2 ：隧道二

21、极管隧道二极管图图 0- -2- -3伏安特性曲线伏安特性曲线( (1) )控制变量控制变量电压：电压：电流为电流为单值单值电流：电流：电压为电压为多值多值 压控非线性器件压控非线性器件( (2) )直流电导直流电导 g0 0，在曲线上任一点均为正。，在曲线上任一点均为正。 ( (3) )交流电导交流电导 g(a, b) 0，即在，即在 a、b 段为段为负电导负电导。 器件特性的描述与控制变量有关，并可能出现负参数，器件特性的描述与控制变量有关，并可能出现负参数，尤其特性非单调变化时尤其特性非单调变化时非线性与线性器件的重要区别。非线性与线性器件的重要区别。三、不满足叠加定理三、不满足叠加定理

22、 若若 i = f(v)，v = v1 + v2则则 i = f(v1 + v2)但但 i f(v1)+ f(v2)例例 i = av2 v = v1 + v2 22212122212avavvavavavi+ + + + + 注意，注意，i 中除体现两电压分别作用外，还包含两电压乘中除体现两电压分别作用外，还包含两电压乘积项产生的响应电流。若积项产生的响应电流。若 v1 = V1mcos 1t， v2 = V2mcos 2t ，则则 i 中除出现中除出现 1， 2 两分量外，还出现两电压乘积项产生两分量外，还出现两电压乘积项产生的角频率为的角频率为 1 2 的新频率分量。的新频率分量。出现新

23、的频率成出现新的频率成分分 非线性电路非线性电路可以可以实现频率加、减实现频率加、减等更多电路功能。等更多电路功能。 0.3本课程的特点本课程的特点1工程上采用近似分析法工程上采用近似分析法 非线性器件物理特性复杂，需要解非线性方程或时变非线性器件物理特性复杂，需要解非线性方程或时变系数的线性微分方程。系数的线性微分方程。 对策：对策：对器件数学模型和电路工作条件进行对器件数学模型和电路工作条件进行合理近似合理近似，用用近近似似分析方法分析方法获得具有实用意义的结果。获得具有实用意义的结果。2功能与电路形式多功能与电路形式多对策：对策：抓抓本质本质功能再多也是借助器件的非线性；功能再多也是借助

24、器件的非线性；抓抓基本电路基本电路种类虽多，但都是在为数种类虽多，但都是在为数不多的基本电路上发展起来的。不多的基本电路上发展起来的。3重视实验环节，坚持理论联系实际重视实验环节，坚持理论联系实际 本书内容安排的本书内容安排的三个层次三个层次： 由电路功能的由电路功能的基本原理基本原理导出导出基本电路基本电路。 合理近似，引出对电路的工程合理近似，引出对电路的工程近似分析近似分析。 根据分析结果，提出对电路的设计原则及改进电路根据分析结果，提出对电路的设计原则及改进电路性能的基本途径。性能的基本途径。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

25、电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性1.3乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术功率合成技术1.5整流与稳压电路整流与稳压电路 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 作用：作用：高效地实现能量变换和控制。高效地实现能量变换和控制。 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

26、路特点：能量变换特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。用途：电源设备、电子系统、工业控制等。1.1.1功率放大器功率放大器特点：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 oo oD Do oC CPPPPP+ + 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) )/

27、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 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

28、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 ， c = 。 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 = /2。 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， /2 c 。 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 /2。 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

29、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 Cmax 也不同。也不同。 CooCPPP+ + 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 20CECCd21tviP 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

30、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) )：交流电交流电- -直

31、流电直流电。应用：电子设备供电。应用：电子设备供电。 ( (2) )直流直流- -直流变换器直流变换器( (DC-DC Converter) )：直流电直流电- -直直流电流电。应用：开关电源。应用：开关电源。 ( (3) )逆变器逆变器( (Inverter) )：直流电直流电- -交流电交流电。应用：不间断电源、变频电源。应用：不间断电源、变频电源。 ( (4) ) 交流交流- -交流变换器交流变换器( (AC- -AC Converter) )：交流电交流电- -交交流电流电。应用：变压等。应用：变压等。 1.1.3功率器件功率器件功率管的种类：功率管的种类：( (1) )双极型功率晶体

32、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 功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，需了解其需了解其极限参数极限参数及及安全工作区。安全工作区。 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 PCM。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

33、、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，

34、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。恶性循环现象。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

35、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 热传导过程热传导过程PRTTth12 - -T2 为热源温度，为热源温度，T1 为空气温度，为空气温度，P 为传输的为传输的热功率，热功率，Rth 为热阻，单位为热阻，单位 /W当热源产生热量时，热源温度当热源产生热量时，热源温度 T2 上升，向外部传输上升，向外部传输热量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。热量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。T2 不再变化。不再变化。晶体管的热量传递晶体管的热量传递RjcRcsPcRCaRsaTjTa因为因为R(th)cs + R(th)sa 0

36、时，时， T1 导通导通( (忽略射结压降忽略射结压降) )； 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) )，T2 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 导导通，负载线通，负载线 AQ 过过 Q 点，斜率为点，斜率为 - - 1/RL ；Vi 0，T2 导导通，负载线通，负载线 A Q 过过 Q 点，斜率为点，斜率为 - - 1/RL 。( (2) ) 性能分析性能分析( (忽略失真忽略失真) ) 一

37、般性能分析一般性能分析在在 0 t 时，时，iC2 0 iC1 Icmsin t t 2 时，时，iC1 0 iC2 Icmsin t集集 - - 射极间电压：射极间电压：VCE1 = VCC - - Vcmsin t，VCE2 = - - VCC - - Vcmsin t通过通过 RL 的电流：的电流：tIiiiiisincmC2C1EE1L-2相应产生的电压：相应产生的电压：tVvsincmLRL 上的上的输出功率输出功率：PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2 正负电源正负电源总的直流功率：总的直流功率： PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCC

38、Icm/ 若充分激励：若充分激励：与与 RL 相匹配的输入激励相匹配的输入激励( (不出现饱和不出现饱和失真的最大激励失真的最大激励) )。 令令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则，则 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL相应相应 Po 和和 PD 达到最大，达到最大，即即L2CCcmcmomax2 2RVIVP omaxL2CCL2CCcmCCDmax4)2(422PRVRVIVP 乙类功放的最大集电极效率乙类功放的最大集电极效率%5 .784Cmax 比甲类比甲类功放功放高高 若激励不足若激励不足 Vcm 减小，引入减小，引入电源电压利用系数电源电压利用系数 表示表示

39、 Vcm的减小程的减小程度度。 定义定义 = Vcm/VCComax2LCC22Lcm2o2121PRVRVP omaxL2CCLCCCCcmCCD4222PRVRVVIVP 4DoC PP集电极管耗：集电极管耗：omax2omax2oDC2C1)212()4(212/ )(PPPPPP - - - - - - 分析：分析：当输入激励由大减小，即当输入激励由大减小，即 减小时，减小时，Po、PD、 C 均单调减小，而均单调减小，而 PC1 和和 PC2 的变化非单调，的变化非单调，时最大时最大，其值为，其值为636. 02 omaxomax2max2Cmax1C2 . 02PPPP PD, C

40、 Cmax(0.785) C图图 127功放性能随功放性能随 变化的特性：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，与甲类增大，与甲类( (不变不变) )不同。不同。( (3) ) 管安全管安全由由2L2CCo2 RVP 增大增大 VCC，减小，减小 RL，且输入充分激励，输出功率将增，且输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列大，但最后受到下列安全工作条件的限制安全工作条件的限制： (BR)CEOC

41、CCEmax2VVv CMLCCcmCmaxIRVIi PC1max PC2max 0.2Pomax PCM CMmaxoCM(BR)CEOCMCCmaxo54121PPIVIVP取其中的小值取其中的小值 检查二次击穿。检查二次击穿。1.3乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大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

42、置电路一、交越失真和偏置电路1交越失真交越失真( (Crossover 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

43、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-

44、-4( (c) )所示所示。图图 1- -3- -4二极管偏置电路二极管偏置电路问题：问题：偏置电路是否影响输入信号偏置电路是否影响输入信号 vi (t) 的传输。的传输。 解答：解答：二极管正向交流电阻很小，可认为二极管正向交流电阻很小，可认为交流短路交流短路。 图图 1- -3- -4二极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(21BE3BBRRVV+ + ( (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

45、。T3、R1 构成构成电压并联电压并联负反馈电路，反馈电路的电阻很负反馈电路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。小，几乎不影响输入信号的传输。 图图 135VBE 倍增偏置电路倍增偏置电路( (2) )倍增原理倍增原理 )1(21BE3BB212BBBE3RRVVRRRVV+ + + + 式中，式中，VBE3 = VT ln(IE3 / IS) VT ln(IR / IS)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) )

46、热补偿热补偿T ICQ VBE3 VBB ICQ 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 1361电路特点电路特点 单电源供电单电源供电 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

47、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，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

48、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

49、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 ：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。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

50、。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

51、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( (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 。

52、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。 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。第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路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功率合成电路的作用

53、1.4.2传输线变压器传输线变压器1.4.3用传输线变压器构成的魔用传输线变压器构成的魔 T 混合网络混合网络1.4.1功率合成电路的作用功率合成电路的作用功率合成技术就是将功率合成技术就是将多个功率放大器的输出功多个功率放大器的输出功率叠加起来，给负载提供率叠加起来，给负载提供足够大的输出功率。足够大的输出功率。 一、功率合成一、功率合成A，B 两端输入等值两端输入等值同相功率，同相功率，C 端负载端负载 Rc获得两输入功率的合成，获得两输入功率的合成，而而 D 端负载端负载 Rd 上无功率上无功率输出。输出。 A，B 两端输入等值两端输入等值同相功率，同相功率，C 端负载端负载 Rc获得两

54、输入功率的合成，获得两输入功率的合成，而而 D 端负载端负载 Rd 上无功率上无功率输出。输出。 A、B 两输入端输入两输入端输入等值反相功率，等值反相功率，D 端负载端负载Rd 获得两输入功率的合获得两输入功率的合成，而成，而 C 端负载端负载 Rc 上上无功率输出。无功率输出。 二、彼此隔离二、彼此隔离当当 Rd 和和 Rc 之间满之间满足特定关系时，足特定关系时，A、B 两两输入端彼此隔离。输入端彼此隔离。 三、功率分配三、功率分配当当 Ra Rb 时，将功时，将功率放大器加在率放大器加在 D 端，功端，功率放大器的输出功率均等率放大器的输出功率均等地分配给地分配给 Ra 和和 Rb ，

55、且，且它们之间是反相的，而它们之间是反相的，而 C 端无功率输出。端无功率输出。 将功率放大器加将功率放大器加 C端，端，功率放大器的输出功率均功率放大器的输出功率均等地分配给等地分配给 Ra 和和 Rb，且，且它们之间是同相的，而它们之间是同相的，而 D 端无功率输出。端无功率输出。 一个理想的功率合成电路应该具有以下特点：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，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。出功率的和。 与功率合成器连接

56、的各功率放大器彼此隔离，任何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。出。 实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组成，统称为魔成，统称为魔 T 混合网络。在实际应用中，往往需要功率混合网络。在实际应用中，往往需要功率合成电路具有宽带特性，这种功率合成电路由传输线变压合成电路具有宽带特性，这种功率合成电路由传输线变压器构成。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

57、线圈的漏感和匝间分布电容的作用，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，下限频率受激磁电感量其上限频率只能工作在几十兆赫，下限频率受激磁电感量的限制。的限制。 传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线，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它的上限频率与导线长度 l 有关，有关，l 越小，上限频率越小，上限频率 fH 越越高。它的下限频率为零。高。它的下限频率为零。 传输线变压器如图传输线变压器如图 143 所示。所示。图图 1- -4- -3传输线变压器传输线变压器 设上限频率设上限频率 fH 对应的对应的波长为波长为

58、min , ,取取min10181 l可以认为：可以认为： 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 压传 输 线 变 压器原理图如图器原理图如图 1 44( (a) )所示。所示。 将 传 输 线 绕将 传 输 线 绕于磁环上便构成于磁环上便构成传输线变压器。传输线变压器。传输线可以是同传输线可以是同轴电缆、双绞线、轴电缆、双绞线、或带状线，磁环或带状线，磁环一般是镍锌高磁一般是镍锌高磁导率的铁氧体。导率的铁氧体。 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与不对称变换对称对称 不对称变换，将对地对称的双端输入信号

59、转换不对称变换，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，如为对地不对称的单端输出信号，如图图 146( (a) )所示。所示。图图 1-4-6对称与不对称变压器对称与不对称变压器( (a) ) 对称对称- -不对称不对称( (b) ) 不对称不对称- -对称对称参见参见图图 144( (b) )，在高频时，传输线变压器以电磁能，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。交替变换的传输方式传送能量。如如图图 144( (c) )所示，在低频时，所示，在低频时，由于传输线绕在磁由于传输线绕在磁环上，环上，1 端和端和 2 端端与与 3 端和端和 4 端的端的短导线成

60、为较大的短导线成为较大的电感线圈，避免了电感线圈，避免了信号源和负载被短信号源和负载被短接，实现了倒相作接，实现了倒相作用。能量通过传输用。能量通过传输线方式和磁耦合方线方式和磁耦合方式传送。式传送。不对称不对称 对称变换，将对地不对称的单端输入信号转对称变换，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，如图换为对地对称的双端输出信号，如图 146( (b) )所示。所示。 ( (a) ) 对称对称 不对称不对称( (b) ) 不对称不对称 对称对称2阻抗变换器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，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