模电第九章功率放大电路

1、第九章第九章 功率放大器功率放大器第九章第九章 功率电路及系统功率电路及系统 本章重点主要介绍低频功率放大器，重点介绍互补对称推挽乙类功放电路的工作原理及其分析计算。9.1 功率放大电路的一般问题9.2 互补跟随对称功率放大电路9.3 D类功率放大电路9.4 集成功率放大电路9.5 功率器件第九章第九章 功率放大器功率放大器9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题 功放的作用：提供不失真的足够大的信号功率C 100% 1oEoCoEPPPPPPP1) 输出功率尽可能的大。 Po=I 有效U有效=I omUom/2 功率管处于大信号范围，因此一般采用图解法分析。2) 效率要高电源功率

2、PE，输出功率Po，集电极损耗功率PC，则：第九章第九章 功率放大器功率放大器3) 非线性失真矛盾突出。 如何减小非线性失真，又得到大的交流输出功率。4) 功率器件的安全问题必须考虑。 管耗主要体现在集电极的功耗，导致管子的结温和管壳温度升高。 稳定工作：限制最大功耗、最大电流和管子承受的反压，良好的散热，适当的过流、过热保护。 功放电路的要求：效率高、非线性失真小、安全工作的前提下，提供足够的功率。第九章第九章 功率放大器功率放大器A类(导通角为360)二、工作状态分类二、工作状态分类根据Q点的位置不同，功放电路可分为A类、B类、C类等。B类(导通角为180)C类(导通角180)静态电流大非

3、线性失真小管耗大，效率低小信号放大和驱动级静态电流约等于零非线性失真大效率较高功率放大电路静态电流等于零非线性失真最大效率最高高频功率放大电路第九章第九章 功率放大器功率放大器AB类功放电路的工作状态：特点：导通时间大于半个周期小于一个周期，兼有A类失真小B类效率高的优点。AB类互补对称功放得到广泛应用。三、提高功放电路效率的方法三、提高功放电路效率的方法故功放电路多采用AB类或B类工作状态。结论：采用互补或推挽功率电路。CoEPPPCPCI第九章第九章 功率放大器功率放大器一、B类互补跟随对称功率放大器互补跟随对称功率放大器9.2 互补跟随对称功率放大器互补跟随对称功率放大器-UCC+UCC

4、R1R2RLuoVD1VD2uiV1V2uiwt01、电路及工作原理+UCCui+- -V1RLuoV2RLuoui-UCCiC1iC2uowt0uowt0+uowt0+第九章第九章 功率放大器功率放大器0iC1wt20iC2wt2任意任意理想理想最大最大IcmiC1iC2QUCESUCES00UCCUo理想理想最大最大任意任意最大最大理想理想2、指标分析计算输出波形的三种状态：任意状态：Uom=Uim最大状态：Uom=UCC-UCES理想状态：UomUCC第九章第九章 功率放大器功率放大器有关指标计算：有关指标计算：1) 输出功率 PoLomomomRUUIUIP2omomo212122一般

5、Uom UCC，定义电源利用系数：222omCCoCC 11 22omLLUUUPURR输出电压Uom 为：) 1( omCCCESCCUUUU故理想状态下Pom 为：LRUP2CCom21第九章第九章 功率放大器功率放大器2) 直流电源提供的功率 cmcmoItdtII0)()sin( 21单管电流为半个周期的非正弦波形，均值为：两个电源提供的总平均功率为 ：LCCCCLomCCcmCCoERUURUUIUIP 2 2222由此：电源提供的功率PE为不是恒定的，随输入信号大小而改变，输入信号大， PE大，输入信号小， PE小。2maxmin2 (1) 0 0 CCEELUPPR（）第九章第九

6、章 功率放大器功率放大器3) 效率o100%100%100%78.5%44EPP实际效率一般在60%左右。4) 管耗 PC（单管管耗）2o2222222o1224112()0 2121 21() 42110.22CCooECLLCCCooCCoLCCCCCmCCCCLLCmCCCCLLmPUUUPPRRdPUUUUdURUUPUURRPUURRP选择功率管选择功率管功耗的依据功耗的依据第九章第九章 功率放大器功率放大器5) 选择功率管的原则选择功率管的原则(2) 已知Pom，选择管子允许的最大功耗PCMLmCmCMPPP2 . 02omom1 22CCCCLLUPUP RR (1) 已知Pom

7、 及 RL，选UCC，则(3) 功率管的最大耐压U(BR)CEOCCCEOBRUU2)(4)管子允许的最大集电极电流ICMLCCCmCMRUII第九章第九章 功率放大器功率放大器例9.2.1 在图示功放电路中，已知UCC=12V，RL=8，功率管的饱和压降UCES=1V，试问：+-+-uiuoV1V2VDR1R2R3RL+UCC- -UCC1) 静态时调整哪个电阻可使uo=0?2)调节哪个电阻可克服交越失真?3)二极管的作用是什么，若二极管反接，对V1、V2产生什么影响？4)输入幅度为10的正弦信号时，求电路输出功率Pom，电源供给的功率PE、单管管耗PC和效率。5)若V1、V2功率管的极限参

8、数为PCM=10W，ICM=5A，U(BR)CEO= 40V，验证功率管的安全性第九章第九章 功率放大器功率放大器解：1) 静态时调整电阻 R1 可使uo=02)调节电阻R2并适当增大，以恰好克服交越失真为限。3)二极管：提供适当的正向偏置(微导通状态)，工作于AB状态。若反接，流过R1的静态电流全部成为V1、V2的基极电流，导致晶体管的基极电流过大，甚至烧坏。4) 输入信号的最大值为2omomoo10 2 V 1 10 22112.5 W 16.9 W2 2.2 W 100%74%22imuoMimomECCLLECEUAUUUUPPURRPPPPP第九章第九章 功率放大器功率放大器5) 功

9、率管的安全与否2omMomM0.20.22.8 W10 W2230 V40 V1.875 A5 ACCCMomLCCCCLUPPRUUUIR结论：功率管是安全的。第九章第九章 功率放大器功率放大器二、二、AB类单电源互补跟随对称功率放大器类单电源互补跟随对称功率放大器单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图1、工作原理静态，UA=UCC/2电容C2上的直流电位为UCC/2，相当于负电源供电动态时输入负半周，V1导通V2截止，C2充电，RL正半周信号；输入正半周，V1截止V2导通，RL上得到负半周信号。第九章第九章 功率放大器功率放大器2、分析计算LCCLCCLomomRURURUP22281)2(

10、2121为保证功率放大器良好的低频响应，电容C2必须满足 2CComUU交流电压振幅的最大值为：负载最大交流功率为：LLRfC 212f 2为放大器要求的下限频率(忽略共集电极电路输出电阻) 第九章第九章 功率放大器功率放大器三、复合管及准互补三、复合管及准互补B类功率放大器类功率放大器(OCL电路电路)复合管：输出大的电流来驱动后级功率管。 复合管由两只三极管组成，前管的C-E跨接在后管的B-C极之间，前管用小功率推动管，后管为大功率输出管。21总复合管的总值为 组成复合管的原则有以下几点： (1) 电流流向要一致。 (2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区。 (3) 复合管的性质取决于第

11、一个晶体管的性质。若第一个管子为PNP，则复合管也为PNP,反之为NPN。第九章第九章 功率放大器功率放大器复合管的几种接法及其等效第九章第九章 功率放大器功率放大器复合管等效电流放大倍数IC1IC2IE1=IB2IE=IE2IB=IB112111121121112112 (1)(1)(1)BBBEBCCCBBIIIIIIIIII 第九章第九章 功率放大器功率放大器由复合管构成的互补B类功率放大器电路第九章第九章 功率放大器功率放大器9.3 D类功率放大电路类功率放大电路 D类功率放大电路利用开关技术放大音频信号的音频功率放大器。 D类功率放大电路的工作原理：基于脉冲宽度调制技术PWM模式。

12、D类功率放大电路的特点： 1、效率高，最小80% 2、耗散功率小，产热小。 3、连续输出功率可达数百瓦。第九章第九章 功率放大器功率放大器9.5 功功 率率 器器 件件 一、双极型大功率晶体管双极型大功率晶体管(BJT)PCM与总热阻RT、结温TjM和环境温度To之间关系为TojMCMRTTP 1、散热与最大功耗的关系； 功率管的集电结管耗变为热能而使管芯的结温上升。 管芯材料的最大允许结温TjM(锗管TjM75100, 硅管TjM 150200)，则晶体管将永久损坏。 这个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM。第九章第九章 功率放大器功率放大器 功率管的功耗并未超额，管子也不发烫，但却突然失效

13、。这种损坏不少是由于“二次击穿”所致。2、二次击穿和安全工作区。 一次击穿二次击穿 二次击穿机理：流过BJT的电流在功率管结面上分布不均匀，造成结面局部温度过热(成为热斑)所致。第九章第九章 功率放大器功率放大器二、功率二、功率MOS器件（器件（VMOS） 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) 开关速度快，适合高频工作(工作频率达几百kHz甚至于几MHz)。 对VMOS加以改进，可获得双扩散MOS管(简称DMOS)。可承受高电压、大电流，速度快等特点。第九章第九章 功率放大器功率放大器三、功率管的保护、功率管的保护 为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等。举例：在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以