第一章功率放大器

1、1.1 概述概述功率电子线路是采用功率电子器件，高效率和安全地实现能量变换和控制功能的电子线路。n功率电子线路分为功率放大电路和电源转换电路；n功率放大电路是在输入信号作用下,把直流功率按照输入信号转换成交流输出功率的放大器；n电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电路器件。1.1.1 功率放大器功率放大器 功率放大器与小信号放大器的区别是小信号放大的 是电压或者电流,对输出功率没有要求;而功率放大器要求的就是放大输出功率。同时有大动态电压和电流，且能够安全工作 功率放大器的性能指标：集电极效率和失真度； 集电极效率 PO为信号输出功率，PD为直流功率，管耗为PC ，PO相同时，c越大，P

2、D越小，PC也越小； 功率放大器工作在大信号状态，放大管非线性引起的失真比小信号放大器大； 功率放大器是保证功率管安全工作时，实现高效率和“不失真”地输出所需信号功率的放大器。CooDoCPPPPP 按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙类和丙类等。集电极效率甲类最低，丙类最高。1.1.2 电源变换电路电源变换电路n将电源能量进行特定方式的变换n整流器：把交流电变成直流电（AC-DC） ；n斩波器：把一种数值的直流电变成另一种数值或者极性的直流电（DC-DC）；n逆变器：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电（DC-AC）；n交流交流变换器：把50Hz交流电变成不同幅值，频率的交流电（AC

3、-AC）； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的效率。1.1.3 功率器件功率器件 大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同， 比如功率晶体管发射极面积较大，较低，Icbo较 大，V(BR)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相连，便于安装散热器。 一、散热一、散热 热阻与温度的关系T2-T1=RTH*P 集电极最大耗散功率Pcm =(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca R(th)jc为结与底座的热阻， R(th)ca为管壳与周围环境的热阻 加散热器后的总热阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa加散热器后的

4、总热阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa二、二次击穿二、二次击穿 集电极电压超过V(BR)CEO而引起的击穿，只要限制击穿电流，是可逆的。而如果不限制电流，集电极电压迅速减小，集电极电流急剧增大，这种由高压小电流迅速转移为低压大电流的现象就是二次击穿，而且不可逆。三、功率三、功率MOS管管n在大功率放大器和高效率电源变换电路中，除功率三极管外，还广泛应用正在迅速发展的功率MOS管。n在功率MOS管的发展过程中，提出了各种适合于大功率运用的结构。目前广泛应用的是双扩散MOS管(Double-diffused MOSFET)，它可承受的电流高达数百安，电压高达几百伏，甚至上

5、千伏。 四、绝缘栅双极型功率管（四、绝缘栅双极型功率管（IGBT）nIGBT在高掺杂N+区与金属漏极之间插入一层高掺杂的P+区，它与作为MOS管衬底的P+区之间夹着N区，它们形成两个PN结，构成PNP型晶体三极管，这个晶体三极管与MOS管共同组成组合管。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1.2.1 从一个例子讲起从一个例子讲起功率放大器为大信号放大器，进行性能分析时，功率器件必须采用一般模型（大信号模型）。目前，在工程上，采用较多的是在特性曲线上作负载线的图解分析法。iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce =

6、 VCEQ Vcm sintVcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / RL ICQ CQCCCCC20D21IVtdiVPcmcmCQCEQL2cmL2CQL2C20L212121IVIVRIRItdRiPcmcmCQCEQCEC20C2121IVIVtdviP在上述表示式中，PL和PC均由直流和交流两部分合成。以PL为例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，最大最大交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相应的最大最大集电极效率 %254/1/DoCmaxPP1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及甲类、乙

7、类功率放大器的电路组成及 其功率性能其功率性能 RL= n2RL 一、甲类变压器耦合功率放大电路n直流分析直流分析直流负载方程：相应的直流负载线是自VCC出发的一条直线EF：vCE = VCC直流负载线与静态电流iB=IBQ， iC=ICQ的交点即为静态工作点Q。 n交流分析交流分析 交流负载方程： 当 iC =ICQ时， vCE =VCEQ=VCC，而它在两座标轴上的截距为 viIVRivVIRCECCQCEQLCCECEQCQL00时时/相应画出的交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率即为-1/ 。 RLcLce iRvceCEQCEvVvcCQCiIi)(CQCLCEQCEIiRV

8、vn性能分析性能分析 iC = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ - Vcmsint， Vcm= IcmRL 输出信号功率： PL=Po=()IcmVcm = ()Icm2 RL= ()Vcm2 / RL 直流功率：PD= =VCCICQ 集电极管耗： PC= = PD - Po集电极效率：012cmcmcDCCCQPV IPVI20CCC21tdiV20cmcmCQCCCCE2121IVIVtdivn当PD一定时，要使输出信号功率最大，要使Q点正在好交流负载线的中点。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。n输出交流电压： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 电流Icm = IC

9、Q-ICEO 此时 Pomax=1/2 VCCICQ cmax =50% n当Q点选定后，在允许的最大基极电流激励下，仅有一个交流负载值，能使功放高效率的输出最大信号功率，这个负载值所画出的交流负载线的中点应通过Q点。n进一步增大不失真信号功率，可以提高Q点，但最终受到管子安全工作条件的限制。n加在集电极上最大电压为 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO iCmax = 2ICQI CM PCmax= PDPCM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全区。n 甲类功放效率不高，理论不超过50，又需要变压器和大电容，输出功率由功率三角形决定，在集成功率放大器中几乎不用。而广泛使用下面的乙类

10、推挽功率放大器。n 乙类推挽功放既解决了甲类功放效率不高的缺点，又较好的解决了乙类功放的失真问题，特别是交越失真的问题，因此，在工程上得到广泛运用。二、乙类推挽功率放大电路二、乙类推挽功率放大电路n图（a）为变压器耦合电路，它由输入变压器Tr1、输出变压器Tr2和两个特性配对且相同导电类型的NPN功率管T1、T2组成。输入变压器Tr1利用次级绕组的中心抽头将输入信号电压 vi (t)分成两个幅值相等、极性相反的激励电压，分别加到两管基射极间，实现两管轮流导通。输出变压器Tr2的作用是隔断iC1和iC2中的平均分量，并利用初级绕组的中心抽头将iC1和iC2中的基波分量在RL中叠加，输出正弦波。右

11、图T 1和T 2是完全一致的互补功率管，接成共集组态。 T1为NPN型管，T2为PNP型管，输出端接公共负载RL,集电极正负电源供电。 工作原理：工作原理： 未输入信号时，两管截止，输出电压为0。加信号vi = Vimsint后，两管轮流导通。 正半周期， T1导通， T2截止， iE1 iC1；负半周期， T1截止，T2导通， iE2 iC2。通过负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。n性能分析：假设T1和T2完全配对，ICEO和VBE(ON)均为零。在vi 正半周期， T1导通，交流负载为RL，交流负载线为从Vcc出发，斜率为-1/RL的直线。而vi 负半周期，T1截止

12、，T2导通，导通电流在RL建立相应电压。说明T1截止时交流负载线为与横轴重合的水平线段。对T2管，同理交流负载线为从-Vcc出发，斜率为-1/RL的直线，截止时为与横轴重合的水平线段。 T1AiLIcmQOVcc2VccvCE1Dn输入为正弦波信号的推挽式乙类功放，在最大不 失真条件下的两管集电极电流为： iC1Icmsint 0 t 0 t 2 iC20 0 t -Icmsint t 2 vCE1 VCC-Vcmsint vCE2 -VCC-Vcmsintn通过负载RL的电流 iL iC1 iC2 = Icmsintn相应产生的电压 vL Vcmsint = RLIcmsint 合成输出最大

13、不失真信号功率： P L = ()VcmIcm = () Vcm2/ RL 电源电压利用系数： 正负直流电源供电的总直流功率为 集电极效率 cPL /PD ( /4) 时 集电极功耗 PC1= PC2=(PDPL ) /2 =(2/ 2 /2)PLmax 总耗散功率 PC = PC1PC2 = (4/ 2 )PLmax 当=2/ 0.636时，PC 最大PCmax= 4PLmax/ 20.4PLmaxmax78.5%4CCCcm/VVLmax2L2CC2L21PRVPL2ccLmax21RVP1maxLL2CCCCLcmcmCCD2D1D4222PRVVRVIVPPP 可见，在乙类推挽功率放大

14、器中，PC的最大值既不出现在=0即静止状态，也不出现在=1即最大输出状态。因为小时，虽然Po小，但PD也小，结果PC小；反之， 接近于1时，虽然PD大，但由于 高，PD中大部分转化为Po ，结果PC也较小。 乙类推挽管安全工作的条件： vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax= ILm VCC/RL ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区C1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路乙类互补推挽放大器实际电路一、交叉失真和偏置电路一、交叉失真和偏置电路1.交叉失真交叉失真 当输入信号很小，没有达到管子导通电压VBE(on)时，管子

15、没有导通，正负周期交替过零时不能衔接，会有非线性失真，这就是交叉失真或者交越失真。如果输入信号电压振幅越小，交越失真就越严重。为了消除交越失真，必须在管子B-E间加合适的正向偏置电压，其值应该稍大于两管导通电压之和。2. 二极管偏置电路二极管偏置电路 电流源激励二极管，提供晶体管偏置电压 VBB=2 VTIn(IR/IS)3. VBE倍增偏置电路倍增偏置电路 VBE3 = VTIn(IC3/IS) VTIn(IR/IS) VBB= VBE3(1+R1/R2)通过改变R1和R2，可提供需要的 VBB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 如果使用单电源供电，必须 在公共负载端串

16、接大容量电 容 CL。CL可以充当VCC /2的直流 电源作用。三三 、准互补推挽电路、准互补推挽电路 复合管取代互补管， T1为小 功率管， T2为大功率管，等 效一个NPN管。 复合管类型取决第一个管的 类型。这样他们的配对更容 易实现。四、保护电路四、保护电路分为过流，过压和过热保护三种。 过流保护电路如图T1,T2为保护管五、输入激励电路五、输入激励电路 T3为激励级，甲类工作，（ R1 + R2 )为集电极电阻， T1， T2为互补功率管，单电源供电，C为自举电容。1.5 整流电路整流电路整流电路将电力网提供的频率为50Hz的交流电压变换为直流电压（或电流）。 根据电路中采用的主要整

17、流器件不同，整流电路分为二极管整流电路、三极管整流电路和可控整流电路1.5.1 二极管整流电路二极管整流电路分为半波、全波、桥式三种 一、一、半波整流电路半波整流电路 Tr为电源变压器，D为整流二极管， RL为输出负载电阻， CL为输出滤波电容。 半波整流电路工作原理：输入交流电压v2为正时，D导通，给CL充电，当上升到A点时，实际加到D上电压（v2-v0）下降为零，D截止，CL放电，v0下降到B, v2又大于v0，（v2-v0）为正，D导通，v2再次向CL充电；在v0增长过程中，充电电荷减少，泄放电荷增加，当达到平衡时，v0在均值VO上下做等幅波动。VO即为输出整流电压。n纹波大小取决于CL

18、和RL的大小，当增大CL或RL时，由于减慢了CL通过RL的放电速度，从而减小了CL的泄放电荷量，因而达到动态平衡时CL的充电电荷量也就必须相应减小，结果是D的导通时间减小，Vo增大，纹波电压减小。二、全波和桥式整流电路二、全波和桥式整流电路 由两个半波整流电路组成，在每个输入信号周期内，CL经历两次充放电过程。通过RLCL电路的电流io在每个输入信号周期出现两个同极性电流脉冲，叠加在VO上纹波电压频率加倍，滤波能力加强，纹波电压比半波整流电路小。n桥式整流中vo, io均与全波整流电路相同。每次导通和截止都是两只串联的整流管同时导通或截止。因此，功耗增加，效率降低，但截止时最大反向电压由两管共

19、同承担，降低了对整流二极管的要求。而且电源变压器不需要抽头，降低制作成本1.6 稳压电路稳压电路整流器输出的直流电压不稳定，且叠加了较大的纹波电压。为了获得稳定的直流电压，整流器后面一般都加接直流稳压电路。直流稳压电路分为并联型，串联型和开关型三种。并联型稳压电路是由稳压二极管构成的稳压电路，但缺点是稳压性能差，一般不能满足实际应用的要求。在串联稳压电路中，除传统结构电路外，目前应用较广的低压差线性稳压电路是一种特殊的串联型稳压器。在同样电源电压情况下，它可以获得比普通串联稳压电路更高的输出稳定电压，从而获得更高的效率。开关型稳压电路是一种非线性电路，电路中的主要器件工作于开关状态，从而获得更

20、高的使用效率。 1.6.1 串联稳压电路串联稳压电路n基准电压源电路BE(on)32132TBE(on)322REF)ln(VIIRRVVRIVVVVVVRRRR VRR VRRREFz(on)z(on)z(on)23212121212()ln(213T2IIRVI 1.6.2 低压差线性稳压电路低压差线性稳压电路 低压差线性稳压器是基于负反馈自动调节作用来获得稳定的输出电压，由串联调整管T、取样电阻R1和R2、比较放大器A和基准电压源电路组成。取样电压加在比较放大器A的同相端，与加在反相端的基准电压Vref相比较，两者的差值经A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。 LDO与一般串联稳压电路的最大区别在于调整管的接法。在一般串联稳压电路中，调整管共集连接，工作在放大区；LDO中的调整管为共源连接，可工作在饱和区，甚至于非饱和区。一般串联稳压电路的输入和输出电压差至少为一个集射饱和电压和一个基射导通电压之和。而对于LDO，当调整管工作于非饱和区时，其输出电压可以非常接近输入电压，即其可以获得非常小的压差。1.6.3 开关稳压电路