电子技术基础第5章-低频功率放大器课件

1、第5章 低频功率放大器概述乙类双电源互补对称功率放大电路集成功率放大器功率器件本章主要内容基本概念： 三极管的甲类、乙类和甲乙类工作状态； 交越失真 PO（输出功率）； POM（最大输出功率）； PV（电源供给的功率）=PO+PT；本章主要讲述功率放大电路的基本原理和基本分析方法。【要求重点掌握以下内容：】本章主要内容双电源互补对称电路工作在乙类时，BJT器件安全工作必须要满足的极限参数（3个）：PCM，V(BR)CEO，ICM PT（管耗） （效率）=PO/PV；5.1 概述一.什么是功率放大电路？能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。 二者无本质的区别，都是能量的

2、控制与转换。二.功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？不同之处在哪里？ 不同之处在于：各自追求的指标不同。电压放大电路：功率放大电路：主要要求使负载得到不失真的电压信号，其输出功率并不一定很大；通常为小信号放大电路。主要要求获得尽可能大的不失真（或失真较小）输出功率和转换效率，通常是在大信号状态下工作。5.1.1 功率放大电路的特点输出功率要大；效率要高；输出功率电源提供的功率越大，效率越高非线性失真要小；管耗较大，要考虑散热问题；功放管的保护问题5.1.2 功率放大电路分类四种工作状态 根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分乙类：导通角等于180甲类：一个周期内均导通甲乙

3、类：导通角大于180丙类：导通角小于180功放管只在信号的半个周期内导通功放管的导通时间大于信号的半个 周期而小于信号的一个周期功放管的导通时间小于信号的半个周期QICQ 甲类放大电路的特点：称为甲类放大电路在整个周期内都有电流流过放大器件，即在一周期内iC0。 甲类放大电路的缺点：管耗大故电压放大电路不适宜作为功率放大电路！效率低max=50%Q称为乙类放大电路乙类放大电路的特点： 在一个周期内只有半个周期iC0。 max=78.5%缺点：波形失真严重Q甲乙类放大电路的特点：称为甲乙类放大电路在一个周期内有半个周期以上iC0。甲乙类放大电路的缺点：iC波形会产生失真思考题：功率放大电路中电源

4、的功率除了提供给负载外，其余的消耗在什么地方？消耗在管耗上。提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗。思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越失真。唯一的办法就是在电路结构上做文章，于是引出：如何解决提高了效率却使电路波形产生严重失真的矛盾呢？5.2 乙类互补对称功率放大电路5.2.1 OCL互补对称功放 组成和原理 互补对称： 电路中采用两个双极性三极管：NPN、PNP各一支； 两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。5.2 乙类互补对称功率放大电路 OCL:Output Capacitorless【无输出电容器】

5、RLui-VCCT2先单独分析一下T1和T2：RLui+-VBE前提：忽略b、e间压降，即：视VBE=0。是射极输出 为电压跟随器T1T2ui0时，T1导通；ui0时，T1不导通ui0时，T2导通；ui0时，T2不导通二者可以互补输出静态时：ui = 0V综合分析该互补输出电路iC2iC1 ic1、ic2均=0（乙类工作状态） uo = 0V没有电流，故没有消耗，从而解决了静态功耗的问题动态时：ui 0VT1导通，T2截止iL= ic1 ;iC1 动态时：ui 0VT1截止，T2导通ui 0VT1导通，T2截止iL= ic1 ;iL=ic2T1、T2两个管子交替承担放大任务，在负载上得到完整的

6、正弦波。iC2组成“推挽式电路”最大不失真输出功率Pom输出功率Po设Vom为输出电压的最大值，即幅值，则有效值Vo为：，若忽略UCES则这里需熟记5.2.2 OCL互补对称功放分析 电源供给的最大功率2.直流电源供给的功率PV当PV一部分供给负载输出：另一部分供给管耗：3.效率最高效率max可见效率与负载RL无关这里需熟记一个管子的管耗4.管耗PT两管管耗设输出电压为而这 里 需 熟 记求最大管耗PTM 用求极限的方法求解：对Vom求导，令导数为0。因时具有最大管耗。即：该公式用来求最大管耗而已求得则体现的是最大管耗和最大输出功率之间的关系。这里需熟记5.最大管耗和最大输出功率的关系因为当

7、0.6VCC 时具有最大管耗0.2Pom 选管依据之一选取两个额定管耗大于0.2Pom的管子，但要留有充分余地。6.选功率BJT管的原则最大允许管耗PCM必须大于PT1m0.2Pom；应选用V(BR)CEO2VCC；通过BJT的最大集电极电流为VCC/RL，所选BJT的ICM一般不宜低于此值。5.2.3 OTL单互补功率放大电路 当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC /2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路称为OTL互补功率放大电路。 电容器的容量由放大电路的下限频率确定。 LL21fRC5.2.4 BTL互补功率放大电路 BTL互补功率放大电

8、路由两路功率放大电路和反相比例电路组合而成，负载接在两输出端之间。两路功率放大电路的输入信号是反相的，所以负载一端的电位升高时，另一端则降低，因此负载上获得 的信号电压要增 加一倍。BTL放 大电路输出功率 较大，负载可以 不接地。乙类互补对称放大电路的输入输出波形图uiuououo 交越失真死区电压考虑实际电路中VBE0Si:约0.6VGe:约0.2V乙类互补对称电路存在的问题交越失真可见，利用乙类双电源互补对称电路在一定程度上解决了效率和电路波形产生严重失真的矛盾，但是这类电路还存在着一个不可克服的缺点：交越失真！如何解决交越失真的问题呢？5.2.5 消除交越失真互补对称功率放大电路措施：

9、修改电路，想办法解决交越失真的问题。一.甲乙类双电源互补对称电路解决方法：设法建立合适的Q点，使两只三极管T1和T2均工作在临界导通或称微导通状态。因此想到利用二极管进行偏置，从而可以克服交越失真。5.2.5 消除交越失真互补对称功放电路voviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理： 静态时，即vi0T3必导通。看直流通路：从+VCC经Re3、T3、D1、D2、RC3到-VCC形成一个通路，则：T1和T2均处于微导通状态voviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理：两管分别有一个微小的基极电流IB1和IB2导致两管集电极分

10、别有微小的电流IC1和IC2从而建立了一个在输出特性曲线上较低的Q点电路处于甲乙类 工作状态。voviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理： 动态时，设vi=VmSintvi0，即正半周时T1导通， T2截止； T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；T2导通， T1截止；T2 基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。Vi0，即负半周时B1和B2可近似视为一点前面讲的这个电路解决了乙类放大电路的交越失真问题，但它也存在一个缺点：由于D1、D2的导通压降是固定的，故电路的偏置电压不可调。如何解决这个问题？引出了前面电路的改进电路，如下：改进电路：vovi

11、T3Re3Rc3iC1iC2iLiB1iB2B2B1R1*R2T4-+VCE4VBE4+-将D1、D2的位置换成一个三极管T4。只考虑改进部分：而VBE4固定(Si:0.60.7V)，故调整R1与R2的比值就可改变T1与T2间偏置电压。电路缺点：双电源！1W的小功率放大器 10W以上的中功率放大器 25W的厚膜集成功率放大器 输出功率发展变革5.3 集成功率放大器单声道的单路输出集成功率放大器 双声道立体声的二重双路输出集成功率放大器 电路结构发展变革一般的OTL功率放大器集成电路 具有过压保护电路、过热保护电路、负载短路保护电路、电源浪涌过冲电压保护电路、静噪声抑制电路、电子滤波电路等功能更

12、强的集成功率放大器 电路功能发展变革6.5 功率器件6.5.1 功率BJT6.5.2 功率MOSFET6.5.3 功率模块图 二次击穿实验曲线 图 二次击穿临界线 反偏二次击穿触发功率 零偏二次击穿触发功率 正偏二次击穿触发功率 在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB ，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在BJT上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量。5.4.1 功率BJT二次击穿5.4 功率器件BJT的安全工作区 BJT工作的安全范围由几条曲线限

13、定：集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；集电极直流功率耗散线PCM ，由热阻决定；二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。 图 BJT的安全工作区小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。结构5.4.2 功率MOSFET

14、IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号5.4.3 功率模块IGBT的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 本章小结归纳一下本章的线索：电压放大电路(甲类放大电路)为了提高转换效率引出了乙类、甲乙类放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路为解决波形失真问题为了解决交越失真问题甲乙类双电源互补对称功率放大电路(可利用二极管或vBE扩大电路进行偏置)甲乙类单电源互补对称功率放大电路为解决电路工作点偏置和稳定问题，及双电源的缺点为解决输出电压VomVCC/2的矛盾自举电路必须要掌握，会求各参数求各参数时用VC