[信息与通信]66丁类D类功率放大器2000

1、封面6.6 丁类（D类）功率放大器泰国苏梅岛阿公石景区返回引言本页完引言 高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率。只要将效率稍许提高一点，就能在同样的器件耗散功率的条件下，大大提高输出功率，甲、乙、丙类放大器就是沿着不断减小电流通角c的途径，来不断提高放大器的效率。返回 但是，c减小是有一定限度的。因为c太小，效率虽然很高，但因Icm1下降太多，输出功率反而下降。要想维持Icm1不变，就必须加大鼓励电压即输入电压，这又可能因鼓励电压过大而引起管子的击穿。引言本页完引言返回 丁类、戊类等放大器就是采用固定c为90，但尽量降低管子的耗散功率的方法，来提高功率放大器的效率。具体

2、说，丁类放大器的晶体管工作于开关状态：导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大。这样集电极功耗大为减小，效率大大提高。理想情况下，丁类放大器的效率可达100%。学习要点本 节 学 习 要 点 和 要 求丁类（D类）功率放大器掌握丁类电压开关型功率放大器的工作原理学会计算丁类功率放大器有关参数返回主页丁类D类功率放大器主页 使用说明：要学习哪局部内容，只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可，按空格键或鼠标左键进入下一页。结束电压开关型丁类功率放大器工作原理返回泰国佛寺电压开关型丁类功率放大器的计算一、电压开关型丁类功率放大器原理 两管轮流饱和导通和截止

3、分析 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程丁类D类功率放大器继续本页完 两管与电源电压VCC是串联的。鼓励源输入的是矩形波鼓励电压，通过变压器耦合令两只管轮流饱和导通和截止。两只晶体管相当于两只开关。i1CLRbRbAVCCi2iRL激励源+-+-+-A点电压为VCC。饱和，相当于开关接通。截止，相当于开关断开。 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 VA的波形分析丁类D类功率放大器A点电压为0。继续本页完 两管与电源电压VCC是串联的。鼓励源输入的是矩形波鼓励电压，通过变压器耦合令两只管轮流饱和导通和截止。两只晶体管相当于两只开关。i1CLRbRbAVCCi2iRL激励源-+-+-+因此，A

4、点电压为矩形波。 因为丁类功率放大器的通角c=90，2c =180。即刚好半个周期，所以VA的波形如右图所示。 晶体管耗散功率为Pc=iCvC，本电路的晶体管导通时vC0，截止时iC0，所以理想情况下晶体管不损耗功率。OtVA/23/2-3/2-/2VCC 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 等效电路分析丁类D类功率放大器继续本页完 为便于分析电路，把原电路化简为等效电路。 OtVA/23/2-3/2-/2VCCCLRsRsVCCvo-+-+RLR电压开关型电路的输出等效电路 R是L的电阻，为方便分析，把R并入RL中。 两个晶体管用两个开关替代。 Rs是两个晶体管导通时的等效电阻。 一、电压

5、开关型丁类功率放大器工作过程 对VA进行傅立叶分析丁类D类功率放大器继续本页完 OtVA/23/2-3/2-/2VCC电压开关型电路的输出等效电路 因为晶体管每次导通只有一个Rs接入电路，所以把Rs绘在这支路中。CLRsVCCvo-+-+RLRRL 设LC串联谐振回路对开关频率谐振。 利用傅立叶分析可得VA电压的基波分量的振幅Vom1为Vom1= VCC2 LC串联谐振时，只对基波电压Vom1呈很小阻抗，对谐波分量呈很大阻抗，所以电路中只有基波电压Vom1才产生基波电流Iom 。IomVom1 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 求VA产生的基波电流丁类D类功率放大器继续本页完 OtVA/2

6、3/2-3/2-/2VCC电压开关型电路的输出等效电路CLRsVCCvo-+-+RLRRL 设LC串联谐振回路对开关频率谐振。 利用傅立叶分析可得VA电压的基波分量的振幅Vom1为 Iom在RL上产生输出电压vo的振幅为Vom 。IomVom1= VCC2Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RL 谐振时，回路中产生的基波电流振幅Iom为Vom1 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 推出输出功率vo的振幅和表达式丁类D类功率放大器继续本页完OtVA/23/2-3/2-/2VCC电压开关型电路的输出等效电路CLRsVCCvo-+-+RLRRL 设LC串联谐振回路对开关频率谐振。 利用傅

7、立叶分析可得VA电压的基波分量的振幅Vom1为IomVom1= VCC2 vo的振幅Vom为Vom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)vo= RLcost2VCC(Rs+RL)所以Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RL 这是输出电压交流表达式。 谐振时，回路中产生的基波电流振幅Iom为Vom1 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 继续OtVA/23/2-3/2-/2VCC电压开关型电路的输出等效电路CLRsVCCvo-+-+RLRRL 设LC串联谐振回路对开关频率谐振。IomVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+R

8、L 谐振时，回路中产生的基波电流振幅Iom为Vom1丁类D类功率放大器 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 分析半波正弦电流的成因丁类D类功率放大器继续本页完Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RL 谐振时回路中产生的基波电流振幅Iom为Vom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2IomICC 由图可知，只有T1导通时， VCC才提供电流。T1截止时， VCC是不提供电流的。所以VCC输出的电流只有半个正弦波。iCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 算出半波电流的平均值ICC可计算VCC提供的功率P=。iCCCLRbRbAVCCi

9、2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 推出输出功率vo的振幅和表达式丁类D类功率放大器继续本页完Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2Iom 电源提供的平均电流ICC为 谐振时回路中产生的基波电流振幅Iom为ICC 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 推出输出功率vo的振幅和表达式丁类D类功率放大器继续Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2Iom 电源提供的平均电流ICC为 谐振

10、时回路中产生的基波电流振幅Iom为ICCiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 电源提供的平均电流ICC表达式继续本页完Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2Iom 电源提供的平均电流ICC为ICC= 2(Rs+RL)2VCC 谐振时回路中产生的基波电流振幅Iom为丁类D类功率放大器ICCiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 继续Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL

11、= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2IomICC= 2(Rs+RL)2VCC丁类D类功率放大器ICCiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 电源提供功率p=表达式丁类D类功率放大器继续本页完Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2IomICC= 2(Rs+RL)2VCC 电源提供的功率P=为P=VCCICC= 2(Rs+RL)2V2CCICCiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作

12、过程 丁类D类功率放大器继续Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2IomP=VCCICC= 2(Rs+RL)2V2CCICCiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 输出功率po的表达式丁类D类功率放大器继续本页完Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)OtiCC/23/2-3/2-/2IomP=VCCICC= 2(Rs+RL)2V2CC 谐振时输出的Po为Po= = V2om2V2CCRL2

13、RL2(Rs+RL) 集电极效率c为c=PoP=RLRs+RL=ICCiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 集电极效率c的表达式 集电极耗散功率PC表达式丁类D类功率放大器继续本页完Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL) 设集电极耗散功率为Pcc= P=-PcP=RLRs+RL=P=VCCICC= 2(Rs+RL)2V2CC 谐振时输出的Po为Po= = V2om2V2CCRL2RL2(Rs+RL) 集电极效率c为c=PoP=RLRs+RL=Pc=P= RsRs+RL所以iCCCL

14、RbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 丁类D类功率放大器继续Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)P=VCCICC= 2(Rs+RL)2V2CCPo= = V2om2V2CCRL2RL2(Rs+RL)c=PoP=RLRs+RL=Pc=P= RsRs+RLiCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程 增加c和减小PC的讨论丁类D类功率放大器Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)P=VCCI

15、CC= 2(Rs+RL)2V2CCPo= = V2om2V2CCRL2RL2(Rs+RL)c=PoP=RLRs+RL=Pc=P= RsRs+RL继续本页完 由集电极效率和集电极耗散功率表达式可以看出，晶体管饱和内阻RS越小即饱和压降越小，那么c越高，Pc越小。当RS0时， c 100%，Pc 0。iCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2 一、电压开关型丁类功率放大器工作过程电压开关型丁类功率放大器原理内容结束页丁类D类功率放大器Iom= = VCC2Vom1Rs+RLRs+RLVom=Iom RL= RL2VCC(Rs+RL)P=VCCICC= 2(Rs+RL)2V2CCPo= =

16、V2om2V2CCRL2RL2(Rs+RL)c=PoP=RLRs+RL=Pc=P= RsRs+RL继续本页完 由集电极效率和集电极耗散功率表达式可以看出，晶体管饱和内阻RS越小即饱和压降越小，那么c越高，Pc越小。当RS0时， c 100%，Pc 0。 本内容学习结束，单击继续，继续学习电压开关型丁类功率放大器的计算内容；单击返回，返回学习主页。返回继续iCCCLRbRbAVCCi2iRL激励源T1T2二、电压开关型丁类功率放大器的计算 设计题目 二、电压开关型丁类功率放大器的计算丁类D类功率放大器继续本页完 设计一个丁类电压开关型放大器(如右图所示)，条件为：工作频率100kHz；在RL=5

17、0的负载上有12V有效值的电压输出；回路的有载QL=14，无载Q0=100。CLRsVCCvo-+-+RLRRLIomVom1i1CLRbRbAVCCi2iRL激励源 设计本功率放大器，要计算出串联谐振回路的L和C，电源电压VCC，直流输入功率P=、交流输出功率Po、集电极耗散功率PC 、集电极效率c和电路总效率以及输入鼓励功率Pd。分析时可以略去晶体管饱和时电阻RS。 求L和C 丁类D类功率放大器继续本页完 设计一个丁类电压开关型放大器(如右图所示)，条件为：工作频率100kHz；在RL=50的负载上有12V有效值的电压输出；回路的有载QL=14，无载Q0=100。 解：首先计算L和C的值。

18、 空载 Q0=L/R注意：R是L的电阻 有载 QL=L/(R+RL) 上两式中消去R可求得LL=Q0QLRL(Q0-QL)=H10014502100103(100-14)=1.29mH 由谐振频率公式可求出CC=12L(2100103)21.2910-3= F1=1963pFL=1.29mHC=1963pFCLVCCvo-+-+RLRRLIomVom1 求R 丁类D类功率放大器继续本页完 设计一个丁类电压开关型放大器(如右图所示)，条件为：工作频率100kHz；在RL=50的负载上有12V有效值的电压输出；回路的有载QL=14，无载Q0=100。 解：首先计算L和C的值。 空载 Q0=L/R

19、有载 QL=L/(R+RL) 上两式中消去R可求得LL=Q0QLRL(Q0-QL)=H10014502100103(100-14)=1.29mHL=1.29mHC=1963pF 利用L值求线圈的电阻R R=L/Q0 R= 2100103 1.2910-3100 R=8.1 R=8.1CLVCCvo-+-+RLRRLIomVom1 求VCC 丁类D类功率放大器继续本页完 设计一个丁类电压开关型放大器(如右图所示)，条件为：工作频率100kHz；在RL=50的负载上有12V有效值的电压输出；回路的有载QL=14，无载Q0=100。 接着求电源电压VCC。 输出电压振幅Vom输出电流的振幅IomVC

20、C =31.1VL=1.29mHC=1963pFVomIom =A=340mARL1750Iom= 2VCC(R+RL) R=8.1根据得VCC= 2Iom(R+RL)VCC= 234010-3(8.1+50)2VCC =32VCLVCCvo-+-+RLRRLIomVom1 在求电源电压VCC过程中忽略了三极管导通时的电阻Rs，实际应用时，VCC应适当提高，此处取VCC=32V 。 在RL上的正弦波电压有效值为12V，通过此值可求出输出电压的振幅Vom，进而求出回路正弦波电流的振幅Iom 。 Vom=12V17V2 求功率关系R= Ro RQ 丁类D类功率放大器继续本页完 设计一个丁类电压开关

21、型放大器(如右图所示)，条件为：工作频率100kHz；在RL=50的负载上有12V有效值的电压输出；回路的有载QL=14，无载Q0=100。 最后求功率关系 电源供给的平均电流ICCL=1.29mHC=1963pFP=VCCICC R=8.1电源供给的功率P=LC回路R损耗的功率PQCLVCCvo-+-+RLRRLIomVom1VCC =32VICC= 2(R+RL)2VCCICC= A108mA2(8.1+50)231.2=320.108W=3.46WP=3.46W交流输出功率Po(RL上的)172Po= =W= 2.89W2RLV2om250Po=2.89WPQ=(1/2)I2omRPQ=

22、 (1/2)(0.34)28.1=0.47WPQ=0.47W 集电极效率的定义是这部分电路功率与电源供给功率之比，因此还必须求出R损耗的功率PQ 。PQ= (1/2)(0.34)28.1=0.47W 继续本页完 设计一个丁类电压开关型放大器(如右图所示)，条件为：工作频率100kHz；在RL=50的负载上有12V有效值的电压输出；回路的有载QL=14，无载Q0=100。 最后求功率关系L=1.29mHC=1963pFP= R=8.1 2CLVCCvo-+-+RLRRLIomVom1VCC =32V=320.111W=3.46WP=3.46W172Po= =W= 2.89W2RLV2om250Po=2.89WPQ=0.47W丁类D类功率放大器 求集电极效率c和电路效率 继续本页完 设计一个丁类