电子线路非线性部分第五版第一章功率放大器课件

1、第 一 章功率电子线路第 一 章功率电子线路1.1 概述功率电子线路是采用功率电子器件实现能量变换和控制功能的电路。功率电子线路分为功率放大电路和电源变换电路；功率放大电路是在输入信号作用下,把直流能量转换成交流输出功率的放大电路；电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电路。1.1 概述1.1.1 功率放大器功率放大器与小信号放大器的区别：小信号放大的是电压或者电流，对输出功率无要求。 功率放大器的要求是，在安全工作条件下，高效率，小失真，输出尽可能大的功率。集电极效率 PO 信号输出功率，PD 直流功率，功耗 PC ， PO 相同，PC越小，C 越大。大信号运用电路，放大管特性非线性引起

2、失真比小信号放大器大，减小非线性失真必须认真考虑。1.1.1 功率放大器功率放大器与小信号放大器的区别： 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。 按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙类和丙类1.1.2 电源变换电路将电源能量进行特定方式的变换AC-DC：把交流电变成直流电 整流器；DC-DC：把一种数值的直流电变成另一种数值或者极性的直流电 斩波器；DC-AC：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电 逆变器；AC-AC：把50Hz交流电变成不同幅值，频率的交流电 变换器； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的效率。1.1.2 电源变

3、换电路将电源能量进行特定方式的变换1.1.3 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 热阻与温度的关系T2-T1=RTHP 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 1.1.3 功率器件 大功率器件结构和性能参数与小信号加散热器后的总电阻 Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa加散

4、热器后的总电阻 Rth= R(th)jc+ R(th)c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，可能出现集电极电压迅速减小，电流急剧增大的现象，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。二、二次击穿 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，甚至上千伏。三、器件 双扩散MOS管(Double-diffused MO绝缘栅双极型功率管（IGBT） 与双扩散MOS管相比， IGBT仅在高掺杂N+区与金属漏极之间插入一层高掺杂的P+区，与作为MOS管

5、衬底的P+区之间夹着N区，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。绝缘栅双极型功率管（IGBT）1.2 功率放大器的电路组成和工作特性性能分析时，器件采用大信号模型。工程上，采用图解分析。1.2.1 从一个例子讲起1.2 功率放大器的电路组成和工作特性性能分析时，器件采用iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce = VCEQ Vcm sint Vcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / RL PL中交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4

6、，相应的最大集电极效率 iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint 1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能 = n2RL 一、甲类变压器耦合功率放大电路1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成= n2RL 一直流负载线是自vCE=VCC出发的垂直线EF 直流负载线与iB=IBQ交点即为静态工作点Q。交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率为-1/ 直流负载线是自vCE=VCC出发的垂直线EF 交流负载线是一性能分析 iC = ICQ+Icmsint vCE = VCEQ-Vcmsint， Vcm=IcmRL 输出信号功率： 直流功率： PD= VCCICQ

7、 集电极管耗： PC = = PD-Po 集电极效率：性能分析PD一定时，要使输出信号功率最大，应使Q点正好在有效交流负载线的中点，即 Vcm = VCC-VCE(sat) ， Icm = ICQ-ICEO 。若忽略VCE(sat），ICEO，则有 Vcm=VCC，Icm=ICQ ， Pomax=1/2 VCCICQ ，cmax =50% 。当Q点选定后，在充分激励情况下，仅有一个交流负载值，能输出最大信号功率，其交流负载线的中点必定通过Q点。PD一定时，要使输出信号功率最大，应使Q点正好在有效交流负载 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO VCC V (BR)CEO/2 iCmax =

8、 2ICQI CM ICQ I CM /2 PCmax= PDP CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全区。安全工作条件 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO 二、乙类推挽功率放大电路变压器耦合电路互补推挽电路电路介绍二、乙类推挽功率放大电路变压器耦合电路互补推挽电路电路介绍 两管配对，无信号时，截止，输出为0。加信号vi = Vimsint，两管轮流导通。正半周， T1导通， T2截止， iE1 iC1；负半周， T1截止，T2导通， iE2 iC2。负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。工作原理 两管配对，无信号时，截止，输出为0。加信号vi = V 假设T

9、1和T2完全配对，ICEO和VBE(ON)均为零。管子导通时，交流负载为RL ，交流负载线为从电源出发，斜率为-1/RL的直线。管子截止时交流负载线为与横轴重合的水平线。性能分析 假设T1和T2完全配对，ICEO和VBE(ON)均为输入为正弦信号的推挽式乙类功放，在最大不失真条件下两管轮流导通，集电极电流在信号的不同半周为正弦波，另半周为零。通过负载RL的电流 iL ic1-ic2= Icmsint相应产生的电压 vL Vcmsint = RLIcmsint输入为正弦信号的推挽式乙类功放，在最大不失真条件下两管轮流导负载功率： PL =Po = VcmIcm /2 电源提供的总功率： PD =

10、 PD1PD2 =2VCCIC0 = 2VCCIcm/令电源电压利用系数为： 集电极效率CPo /PD (/4)单管集电极功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2/- /2)Pomax =2/0.636 PCmax 0.2Pomax 负载功率： PL =Po = VcmIcm /2 注意：在乙类推挽功率放大器中，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1时，虽然PD大，但 也高。PD中大部分转化为Po，结果PC也较小。安全工作的条件： vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax= Icm

11、 VCC/RL ICM PC1max = PC2max = 0.2 PLomax PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区注意：在乙类推挽功率放大器中，PC的最大值既不出现在=0即1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路一、交叉失真和偏置电路1.交叉失真由于导通电压的影响，电路传输特性的起始段弯曲，因此两管合成的传输特性在零点附近出现非线性，在输入正弦波激励下，输出合成电压波形将在衔接处出现严重失真，这就是交叉失真或者交越失真。加偏置可以克服失真。1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路一、交叉失真和偏置电VBB=2 VTIn(IR/IS)2. 二极管偏置电路VBB=2 VTIn(IR/IS

12、)2. 二极管偏置电路VBE3 = VTln(IC3/IS) VTln(IR/IS)VBB = VBE3(1+R1/R2)通过改变R1和R2，可提供需要的 VBB3. VBE倍增偏置电路VBE3 = VTln(IC3/IS)3. VBE倍增偏置 如果使用单电源供电，必须在公共负载端串接大容量电容 CL。CL可以充当VCC /2的直流电源作用。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接大容量电容 复合管取代互补管， T1 、T3为小功率管， T2 、T4为大功率管， T1 、 T2等 效为一个NPN管，T3 、T4等 效为一个PNP管。 复合管类型取决第一只管的 类

13、型。这样的配对更容易实现。三 、准互补推挽电路 复合管取代互补管， T1 、T3为小功率管， T2 四、保护电路 保护电路有过流，过压和过热之分。过流保护电路四、保护电路过流保护电路五、输入激励电路五、输入激励电路1.3 集成功率放大器1.3.1 LM380集成功率放大器T1T6管为输入级，其中，T1、T3和T2、T4管接成共集共射组合差分放大电路。T5、T6为镜象电流源，作为有源负载，R3为发射极反馈电阻。差放中T3管的静态电流ICQ3（IEQ3）由 VCC通过T10管和R1设定，T4管的静态电流ICQ4（IEQ4）由输出静态电位VOQ通过反馈电阻R2设定。 1.3 集成功率放大器1.3.1

14、 LM380集成功率放大1.3.2 功率运算放大器在集成运放输出端接入T1T4管组成的互补推挽功率放大器。T5、T6管为电流自举电路，当T3（或T4）管电流iC3（或iC4）增大到R3（或R4）上的压降导致T5（或T6）管导通时，RL上便附加T5（或T6）管的输出电流。 1.3.2 功率运算放大器在集成运放输出端接入T1T4管1.3.3 MOS管集成功率放大器T8、T9互补推挽输出级，由T10、T12和T11 、 T13推动；T7，R7， R8偏置电路，克服交越失真；IR，T6，R6共源放大器，推动两个双极型互补推挽电路；T14 ，T15和D6,，D7为T8 ，T9的过流保护电路；R9过流取样

15、电路。PA04集成MOS功率放大器的输出级电路。1.3.3 MOS管集成功率放大器T8、T9互补推挽输出级1.3.4 桥式功率放大器A1同相，A2反相，悬浮负载RL上的电压幅度为单个放大器的两倍接成桥路后，合成的输出功率为单个放大器的四倍。1.3.4 桥式功率放大器A1同相，A2反相，接成桥路后，1.3.5 集成Class D音频功率放大器 Class D类功放采用了脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)，用模拟音频信号调制一系列矩形脉冲的宽度，使该等幅脉冲信号的宽度随模拟音频信号幅度大小而变化。因此，脉冲信号的宽度中包含了模拟音频信号。用该脉冲信号驱动输出功率级，

16、产生信号，最后采用低通滤波器还原出音频信号。所以，输出功率管完全工作在开关状态，获得高效率。1.3.5 集成Class D音频功率放大器 Cla Class D音频功放主要由比较器，三角波发生器，功率放大器和LC低通滤波器等组成。 Class D音频功放主要由比较器，三角波发生器，功采用桥式输出可增加Class D功放的输出功率，只是需要产生两路互补PWM信号以驱动桥式输出功率级。在互补PWM信号激励下，T1、T4和T2、T3交错导通，输出功率增加到4倍。 采用桥式输出可增加Class D功放的输出功率，只是需要产生1.4 功率合成技术 功率合成是实现多个功率放大器联合工作的技术。A、B为功率

17、提供端，C、D为功率合成端。C为同相合成端，D为反相合成端，在一端合成功率输出时，另一端无功率输出。当Rd和Rc之间满足特定关系时，A、B两输入端彼此隔离。功率合成电路也可实现功率分配的功能。1.4.1 功率合成电路的作用1.4 功率合成技术 功率合成是实现多个功率放大器联一、变压器和传输线的工作频带上限频率主要受绕组电感和匝间分布电容限制，下限频率主要受到有限激磁电感量限制。传输线有极宽的工作频带和很高的上限频率。传输线指连接信号源和负载的两根导线。低频工作，信号波长远大于导线长度时，传输线为两根普通的连接线，下限频率为零。高频工作，信号波长与导线长度可比拟时，两导线上的固有分布电感和线间分

18、布电容的影响不能忽略。 1.4.2 传输线变压器一、变压器和传输线的工作频带1.4.2 传输线变压器二、传输线变压器的工作原理在上限频率范围内1：1倒相二、传输线变压器的工作原理在上限频率范围内1：1倒相对称（平衡）与不对称（不平衡）的转换三、传输线变压器功能阻抗变换器 4：11：4对称（平衡）与不对称（不平衡）的转换三、传输线变压器功能阻抗Tr1魔T混合网络，Tr2 对称一不对称变换器。Tr1两绕组上电压等于 vd/2 1.4.3 用传输线变压器构成的魔T混合网络 i = iaid ， i = idib id = （ia+ib） ic = 2i = iaib 一、功率合成i = （ iaib

19、） Tr1魔T混合网络，Tr2 对称一不对称变换器。Tr1两绕组 ia = ib 反相输入(2) ia =-ib 同相输入 id = （ia+ib） ic = 2i = iaib 分三种情况ic =0 id = ia = ib Pd=Pa+PbC端无输出，D端合成va = vb =vd/2输入为正弦波Pc=Pa+Pbid =0 ic =2ia =2ib D端无输出，C端合成vd=0 ia = ib 反相输入(2) ia =-ib （3）ia ib，va vb v = vd/2，vd = idRd， vc = icRc， ic =2i va = v + vc = idRd+2iRc ， vb =

20、 v - vc = idRd-2iRc 只要负载均为极端情况若 等同ib =0Pc=Pd=Pa/2 （3）ia ib，va vb v = vd/2 二、功率分配同相功率分配反相功率分配 二、功率分配同相功率分配反相功率分配 三、另一种混合网络由两个11传输线变压器组成 三、另一种混合网络由两个11传输线变压器组成实例宽带功率合成实例宽带功率合成1.5 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）。 根据电路中采用的整流器件不同，下面按二极管整流电路、三极管整流电路和可控整流电路介绍1.5.1 二极管整流电路二极管整流电路按半波、全波、桥式三种介绍1.5 整流电

21、路整流电路将电力网提供的频率为50Hz的交流Tr电源变压器，D整流二极管， RL负载， CL滤波电容。工作原理：二极管上电压为（v2-v0），大于零D导通，给CL充电，充电时间常数RDC；小于零D截止，CL放电，放电时间常数RLC。 RD0，iG=0，正向截止；2、vAK0 ，iG 0，正向导通；3、 vAK0，i半波可控整流电路半波可控整流电路1.6 稳压电路为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，简单但稳压性能差。串联型稳压电路，除传统结构电路外，还介绍目前应用较广的低压差线性稳压电路。

22、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，从而获得更高的效率。1.6 稳压电路为获得稳定的直流电压，整流器后面一般都加接 1.6.1 串联稳压电路原理电路组成框图 1.6.1 串联稳压电路原理电路组成框图基准电压源电路基准电压源电路T16、T17为调整管。T15 ，D2和R11, R12, R13构成调整管的过压过流保护电路。 T14为过热保护管。而T12，T13， D1， R4 R7和R18构成稳压器的启动电压。T1T7基准电压源电兼作比较放大器；R19，R20取样分压电阻。集成稳压电路T16、T17为调整管。集成稳压电路1.6.2 低压差线性稳压电路基于负反馈自动调节作用获得稳定的输出电压。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，稳定输出电压。1