功率电子线路

功率电子线路

1.1功率电子线路概述

1.2功率放大器的电路组成和工作特性

1.3乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术

1.5整流与稳压电路

1.1.1功率放大器（PowerAmplifier）

一．分类

1．直接藕荷功率放大电路

2．变压器耦合功率放大电路

3.其他类型的功率放大电路

二．功率放大器的性能要求

1．最主要的要求是：安全、高效率和不失真（失真可在允许的范围内）地输出信号功率。

2．最重要的性能指标是：集成电极效率

（1-1-1）式中：

3．功率放大器的本质是：在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，所以用来评价这种转换能力。

三．功率管的运用特性

1．甲类、功率管在一个周期内导通；图1-1-12．乙类、功率管在半个周期内导通；

3．甲乙类、介于甲类乙类之间，大于半个周期小于一个周期内导通；

4．丙类、小于半个周期内导通；

5．丁类、半个周期饱和导通，半个周期截止，管子处于开关状态。目的：减小管耗，提高效率，带来的问题，非线形失真越来越严重，

1.1.2电源变换电路一．整流器——将电网提供的50Hz的交流电能变换成直流电能。二．直流、直流变换器（斩波器）——将一种电压数值的直流电能另一种电压数值或极性的直流电能。三．逆变器——将直流电能变换成不同幅度和频率的交流电能。四．交流——交流变换器将一50Hz交流电能不同幅值或频率的交流电能。

1.1.3.功率器件一．功率管散热和相应的。1．术语①热平衡——集电结产生的热量恰好等于散发到空气中的热增量，使结温在某一温度平衡的状态。②热崩——结温升高硅管

2.等效电路——热传导过程用电流传输过程模拟。（p15图1-1-2）

(1-1-2)式中—热源温度—周围空气温度

—热阻当为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于值，且随成正比地增大。

当为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于值，且随成正比地增大。

（1-1-4）

—周围空气温度注：实际工作中，必须根据最高室温，确定功率管能够承受的最大允许管耗。

二．二次击穿11．什么叫二次击穿①可逆击穿：由于而引起的击穿，只要限制击穿电流，管子不会损坏，当后，管子恢复正常工作。②二次击穿：若电流不加以限制，则管子未发烫就已损坏，是不可逆的。

12．产生二次击穿的原因及过程①原因：管内结面不均匀，晶格缺陷等。②过程：结面某些薄弱点电流密度功率管尚未发烫就已损坏。二次击穿是在高压低电流时发生的，相应的功率用表示。

3．功率管的安全工作区。图1-1-5三．思考题：1．功率放大器分为那几类？2．如何计算集电极效率？3．画出功率管的安全工作区。

1-2功率放大器的功率组成和工作特性

1.2.1基本放大电路极其分析图1-1-2一．静态工作点选在负载线的中点。设集电极饱和压降,反向饱和电流，

.

图1-2-1图解分析

二.输出集电极电流和电压式中,

三.讨论1．集电极效率仅有25%，一部分消耗在管子上，大部分50%作为直流功率消耗在管子中。所以要提高效率；①选择管子的运行状态减少管耗；②力求避免管外电路中无谓地消耗直流功率；2．充分激励时变化对功率性能的影响。

当一定，位于负载线中点时,,减小

总之，充分激励相应的负载称为匹配负载。

注意：匹配的含义与线形部分的区别。

.

图1-2-2充分激励时变化对功率性能的影响

结论：

①功率放大器在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓地消耗直流功率的电路结构。

②在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点是相互牵制的，要高效率地输出所需信号功率，二者必须有一最佳配置。

1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能。一.甲类变压器耦合功率放大器

图

1-2-31．原理电路设变压器变比为，等效负载电阻2．性能分析①静态分析

图1-2-3（b）

②交流动态分析交流负载线如图1-2-4若则有

式中

③功率讨论

（1-2-4）

（1-2-5）（1-2-6）（1-2-7）

3.保证管子安全工作的条件在充分激励，且保持点处于交流负载中点的条件下，

,但要在管子安全工作的范围内：因为

当时，

所以，即

即又因为所以

（1-2-8a）

(1-2-8b)

注：①

要同时满足上面两个条件，取其中的小值。

②

要保证管子安全工作，还应检查管子的动态点是否落在二次击穿的安全区内。

二．乙类推挽功率放大电路图1-2-51．变压器耦合电路工作原理：输入变压器将输入信号变换成和和分别加到同类型管，是其轮流导通，输出变压器隔断中的平均分量,并利用初级绕组的中间抽头将的基波分量在中叠加,输出完整正弦波。

.

图1-2-5乙类推挽功率放大电路原理

(a)变压器耦合（a）互补推挽

2．互补推挽电路分析①

原理：、为两个特性配对的互补功率管，两管轮流导通，合成完整正弦波。②

性能分析

a)静态分析：设：：

两管的负载线均为，因为,b)图解分析图1-2-6若不考虑失真：当时，

当时，

（1-2-9）式中（1-2-10）

功率讨论（1-2-11）

为半正弦波的分量。

a)当为充分激励，且令

（1-2-12）（1-2-13）

（1-2-14）

b)若输入激励不足，则（1-2-15）称为电源电压利用系数。

（1-2-16）

c)、、、随变化的特性当在0和1之间变化时，出现非单调的变化。

（1-2-20）安全工作条件：

或

（1-2-21a）

(1-2-21b)

注意：上式中取其中的小值，并检验动态点是否处在二次击穿限定的安全区。

1-3乙类推挽功率放大电路要点：讨论基本电路存在的问题，研究解决的办法，给出实用电路。一.交叉失真及偏置电路P291-1-3p301-3-2①产生的原因由射极输出器电路的传输特性。曲线其始段出现弯曲，将其接成乙类推挽电路时，两管合成的传输特性，在衔接处出现严重失真—交叉失真。

②克服的办法图1-3-3

为了克服交叉失真，必须在输入端为两管加合适的正偏电压，使他们工作在甲乙类状态。2.二极管偏置电路图1-3-4

（1-3-1）

式中:为二极管的反向饱和电流。

.

图1-3-4二极管偏置电路

3．倍增偏置电路（图1-3-5）——一种具有热补偿作用的高热稳定偏置电路。若足够大，

（1-3-3）

是的倍增值，且受、控制。温度稳定性分析：二．单电源供电的互补推挽电路。图1-3-6单电源供电电路等效为和的双电源供电电路。

三．准互补推挽电路图1-3-7四．保护电路图1-3-8过流保护电路

—保护管、—过流取样电阻原理分析；正常工作时，上的电压不足以使导通，异常情况下，导致导通，从而分流管电流，限制管的输出电流，即起保护作用，的作用与此类似。

五．输入激励电路p34图1-3-9图(a)为基本电路，缺点：交流负载电阻小于直流负载电阻，使电压振幅受到截止失真的限制。图(a)为自举电路，其，图中，,,容量较大对交流近似短路。，、为，射极跟随器的电阻，其值较大，一般大于直流电阻（）

1．3．2集成功率放大器一．LM380集成功率放大器LM380集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。主要参数：电源电压范围12—22V，当=22V，时，

,非线性失真参数当时，时，V,W

二．功率运算电路图1-3-11功率运算放大器

图1-3-10集成功率放大器的内部简化电路

(a)内部简化电路（b）外接电路

.

图1-3-11功率运算放大器

三、桥式功率放大器p38图1-3-12桥式功率放大器

（同相）

（反相）

令，

1—4功率合成技术1.1.4功率合成电路的作用p40图1-4-1功率合成是实现多个功率放大器联合工作的技术。1．C端为同相功率合成端—当AB两端输入等值同相功率时，C端负载上获得两输入功率的合成，而D端负载上无功率输出。2．D为反向功率合成端—当AB两端输入等值反向功率时，D端负载上获得两输入功率的合成，而C端负载上无功率输出。

3．隔离特性—当和之间满足特定关系时，AB两输入端彼此隔离，即任一端功率放大器的工作状态变化或损坏时，不会影响另一端功率放大器的工作状态，并维持原输出功率。4．功率分功能—当时，加在D端的功率放大器将其输入功率均等地分给和，且为反相的，而C端无功率输出；加到C端的功率放大器将其输出功率均等地分配给和，且为同相的，而D端无功率输出。魔T混合网络—由无源元件组成的功率合成电路。

1.4.2传输线变压器一．变压器和传输线的工作频带1．变压器——上限频率达几十MHz,受绕组电感和匝间分布电容的限制；下限频率受到有限激磁电感量的限制，上、下频率的比值可达几百，所以由变压器构成的魔T混合网络不适宜宽频带工作。2．传输线——连接信号源和负载的两根导线。图1-4-3①低频工作时，导线长，特性为两普通导线，。②高频工作时，时，在传输线是无损耗的，且它的端阻抗是匹配的，而

（为特性阻抗，理想无损耗的传输线，理想无损耗的传输线，为纯电阻）

(1-4-1)

在上限频率范围内，线上电压、电流处处相等，即：

（1-4-2）

二．传输线变压器的结构及性能分析。1．组成结构传输线变压器是一种绕在磁环上的传输线。传输线可采用：同轴电缆，双股线或带状线，磁环：镍锌高磁导率()的铁氧体。

2．为什么要采用磁环构成变压器结构？采用这种结构可使1、2间，3、4间的短路短线成为感抗较大的电感线圈，且，保证了传输线传输信号功率并实现了倒相作用。3．变压器工作对信号传输的影响传输线的下限频率为零，而传输线变压器的下限频率受有限激磁电感量的限制。输入信号除通过传输线从始端传送到终端的i外，还有输入端电压v直接在1—2端间初级绕组电感上产生的电流，即输入的信号源提供的电流为

分析:①在上限频率附近，可以忽略。

②所以，变压器的初级电感限制了传输线变压器的下限频率。结论：传输线变压器是依靠传输线传送信号的一种宽带匹配元件，它的上限频率取决于传输线的长度，下限频率取决于初级绕组电感量。三．传输线变压器功能

1．1:1倒相功能图1-4-4（c）对称不对称变换2．对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号。图1-4-6（a）不对称对称变换

.

图1-4-41:1倒相变压器

(a)结构(b)传输线变压器(c)等效为1:1倒相变压器

3．对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号。图1-4-6(b)4．4:1和1:4阻抗变换器（指）图1-4-7①4:1阻抗变换器：图(a)

(1-4-3)

传输线的特性阻抗（1-4-4）

②1:4阻抗变换器图（b）

所以，

（1-4-5）传输线的特性阻抗为：

（1-4-6）习题1-20阻抗变换器9:11:916:11:6

1．4．3用传输线变压器构成的魔T混合网络一．功率合成

图1-4-8

1．电路结构，为魔T混合网络，为对称—不对称变换器。

2．工作原理

由图即

nodeA

nodeB

解得

:(1-4-7)(1-4-8)nodeC(1-4-9)分三种情况讨论：①端合成端无输出，（为反向端，反相功率合成）

当时由于A、B提供的功率反相，所以称为反相功率合成。此时，每个功率放大器的等效负载

（1-4-10）

②C端合成，D端无输出（C端为同相功率合成端）当，时两功率放大器提供等值同相功率。

每个功率放大器的等效负载

（1-4-11）③异常条件下的隔离条件

发生在异常时，两功率放大器提供不等值功率。（1-4-12a）（1-4-12b）

若，则仅与有关，而与无关；仅与有关，而与无关；且每个功率放大器的等效负载均为或。称为A、B端间的隔离条件。二．功率分配1．同相功率分配—功率放大器接到C端

A、B端接负载电阻

,。

当时，，D端无功率输出，而A、B端获得等值同相功率。又，，A、B、C三端电位相同，接在C端的等效负载即为和的并联后，

2．反相功率分配图1-4-9（b）

功率放大器接到D端,,A、B端接负载电阻和。

.

图1-4-9功率分配电路

(a)同相（b）反相

当时，，C端无功率输出，A、B端获得等值同相功率,D端等效负载，。注意：不论哪种功率分配电路，当时，功率放大器的输出功率就不能均等地分配到和上，且另一端（C端或D端）也有功率输出。

三．另一种混合网络p48图1-4-10四．功率合成电路实例图1-4-11图1-4-12

图1-4-11四个功率放大器组成的功率合成电路

.

图1-4-12宽频带功率合成电路

1-5整流与稳压电路

1．1．5整流电路分类：半波、全波和桥式三种类型一、半波整流电路

图1-5-1半波整流电路及其波形(a)半波整流电路（b）电压波形（c）电流波形

1．原理

—电源变换器，—整流二极管，—输出负载，

—输出滤波电容，当时，通，经间充电（设起始电荷为零），当时，截至经放电。随充、放电进行逐渐增大导通时间

截止时间直到一个周期内。动态平衡，在上、下接50Hz频率作锯齿波等振幅振动。

—整流输出电压。平衡后是一串窄脉冲序列，

—整流输出电流，注：叠加在上的各次谐波电流在上产生的各次谐波电压的叠加即为上、下的锯齿波电压。

2.、对纹波的影响①一定，纹波②一定，。

图1-5-3附加电源滤波器的半波整流电路。

3.极限参数整流电路为功率电路，必须保证电路中各元件的安全。①整流管反向电压

②电源变压器的极限参数是伏安容量

—

的有效值。二．全波整流电路原理：，交替导通，正峰附近导通

截止。经间充电，经放电。即在一个周期内，经历两次充放电，出现两个同极性电流脉冲，叠加在上的锯齿波电压频率加倍(100Hz)。在同样乘积值时，提

高了它的滤波能力，从而减小了滤波电压；同时，在相同时，和也比半波整流电流大。三．桥式整流电路。图1-5-5

原理分析：桥式整流电路实际上是全波整流电路的变形电路。达到动态平衡后，正峰附近，通止，经向充电。负峰附近，通止，经向充电，所以桥式电路中的与全波整流电

.

1-5-4全波整流电路及其电压和电流波形

路相同，不过，由于两个串接二极管同时截止，反峰电压由两只二极管同时承担，降低了对二极管的耐压要求，且通过次级的电流是正负交替的脉冲电流，伏安量小。

小结：全波和桥式电路的性能比半波电路好，而桥式电路与全波电路比较，前者的电源变压器无中心抽头，结构简单，且伏安容量小，因而在中小功率整流器中，桥式电路应用最广。

四.倍压整流电路—用于要求大而小的场合。

图1-5-9是二倍频整流电路。1．5．2串联型稳压器一.串联型稳压器的工作原理

1.①:调整管，接于输入和输出之间，受基极电压控制，即受比较放大器输出电压的控制、工作于放大区。

②比较放大器：组成的有源负载差分放大器。为基准电压，为取样电压，，比较放大器的输出电压反映了和的差值。组成框图及原理电路。2．稳压分析①若，即，，为取样比。则比较放大器的差模电压为零，此时，输出仅是管的集电极静态电压管产生静态电压，且

.（1-5-4）②稳压过程：若因增大或负载增大使增加增大使加小结：串联型稳压电路是根据和的比较结果控制调整管的管压降来稳定输出电压的。

二．稳压性能一）参数1．电压调整率（稳压系数）—稳压电路对输入电压变化的抑制能力。

(1-5-5)2.负载调整率（电流调整率）—对输出负载电流变化的抑制能力。（1-5-6）

3．输出电阻（1-5-7）注：与负载调整率有相同的含义，都是用来评价对的影响，不过为小信号参数，是微小变量，而是大信号参数，一般是指空载（）到满负载时的变化量。工程计算式为：（1-5-8）

4．纹波抑制比5．输出电压温度系数二)各部分电路对性能参数的影响1．基准电压它的不稳定直接造成稳压器各性能参数恶

化，反馈环路是无法对它进行抑制的。要求其值稳定且不受温度及电源电压变化的影响。2．环路增益：增大环路增益，特别是比较放大器的增益，可提高环路的自动调整作用，改善稳定性能。3．调整管值增大值，可以用较小产生较大,同时可减小输出电阻（带负载能力强），采用复合管可改善稳压性能。

三．集成串联稳压电路分类：多端式—输出电压可调。三端式—输入、输出（固定）、接地端。

图1-5-13基准电源电压电路。

1-5-147800系列三端式集成稳压器的外接电路及其内部组成电路。

1．5．3开关型稳压器

与串联稳压电路不同，在开关稳压电路中，调整管工作在开关状态而非大区。通过控制开关的开启时间来自动调整输出电压。

一．直流—直流变换器（斩波器）—开关稳压部分的核心部分。分类：降压型、升压型、降压—升压型三种。1．