电子技术基础模拟部分(第六版康华光)第9章 功率放大电路

《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学张林2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林39功率放大电路9.1功率放大电路的一般问题9.2射极输出器——甲类放大的实例9.3乙类双电源互补对称功率放大电路9.4甲乙类互补对称功率放大电路9.5功率管9.6集成功率放大器举例4华中科技大学张林9.1功率放大电路的一般问题1.功率放大电路的特点及主要研究对象(1)功率放大电路的主要特点功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。(2)要解决的问题提高效率减小失真管子的保护一般直接驱动负载，带载能力要强。#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？5华中科技大学张林9.1功率放大电路的一般问题2.功率放大电路提高效率的主要途径降低静态功耗，即减小静态电流（a）（b）（c）iCOtiCOtiCOtiCOQvCEICQiCOvCEICQQiB＝常数iCOvCEiB＝常数iB＝常数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类：导通角大于180°丙类：导通角小于180°#哪几种状态静态功耗最小？6华中科技大学张林9.2射极输出器——甲类放大的实例＋VCCTvI－VEEIBiAsRL＋－voio特点：电压增益近似为1，电流增益很大，可获得较大的功率增益，输出电阻小，带负载能力强。7华中科技大学张林9.2射极输出器——甲类放大的实例＋VCCTvI－VEEIBIASRL＋－voio输出电压与输入电压的关系设BJT的饱和压VCES≈0.2VvO正向振幅最大值vO负向振幅最大值，T截止临界截止时0ECiiCCCComV2.0VVVV6.0IOvvBIASomIILBIASomRIV8华中科技大学张林9.2射极输出器——甲类放大的实例8LRiIV6.0vv当正弦波最大输出电压正负幅值相同时，可获得最大输出功率即V15EECCVVLBIASCCRIV最大输出功率.69W312L2omomRVPomomVVLCCBIASRVI当取vi足够大＋VCCTvI－VEEIBIASRL＋－voio9华中科技大学张林9.2射极输出器——甲类放大的实例电源提供的功率%7.24%100)(VEVComPPPη效率低放大器的效率PVC=VDDIBIAS=27.75WPVE=VEEIBIAS=27.75W＋VCCTvI－VEEIBIASRL＋－voio华中科技大学张林109.3乙类双电源互补对称功率放大电路9.3.1电路组成9.3.2分析计算9.3.3功率BJT的选择11华中科技大学张林9.3.1电路组成iC1＋VCCT1＋－viiC2－VCCT2RLiL＋－vo由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。1.电路组成2.工作原理两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。12华中科技大学张林9.3.2分析计算iC1＋VCCT1＋－viiC2－VCCT2RLiL＋－voiC1Icm1ABOVCESQvCE1VCCVcem1iC1Icm2IcmOABVCESVcem2VcemQiB＝常数VCESOvCE1iC2iB＝常数-vCE２VCC13华中科技大学张林9.3.2分析计算1.最大不失真输出功率Pomax2)()2(=L2CESCCL2CESCComaxRVVRVVP实际输出功率L2omLomomooo222=RVRVVIVP忽略VCES时L2CComax2RVPiC1Icm2IcmOABVCESVcem2VcemQiB＝常数VCESOvCE1iC2-vCE２VCC14华中科技大学张林9.3.2分析计算iC1＋VCCT1＋－viiC2－VCCT2RLiL＋－vo单个管子在半个周期内的管耗)(d)(π21=π0LooCCT1tRvvVP2.管耗PT两管管耗)d(sin)sin(π21π0LomomCCtRtVtVV)d()sinsin(π21π02L2omLomCCttRVtRVV)4π(12omomCCLVVVRT2T1T=PPP)4π(22omomCCLVVVR15华中科技大学张林9.3.2分析计算3.电源供给的功率PVToV=PPPLomCCπ2RVV当时，CComVVπ2L2CCVmRVP4.效率CComVo4π=VVPP当时，CComVV%78.54π16华中科技大学张林9.3.3功率BJT的选择1.最大管耗和最大输出功率的关系因为)4π(12omomCCLT1VVVRP当≈0.6VCC时具有最大管耗CComπ2VV≈0.2PomL2CC2T1mπ1RVP选管依据之一17华中科技大学张林9.3.3功率BJT的选择P/()V2CC2RL1.271.21.00.80.60.40.20.13700.20.40.60.81.0Vom/VCCPT1PoPV功率与输出幅度的关系2.功率BJT的选择（自学）华中科技大学张林189.4甲乙类互补对称功率放大电路9.4.1甲乙类双电源互补对称电路9.4.2甲乙类单电源互补对称电路9.4.3MOS管甲乙类双电源互补对称电路19华中科技大学张林9.4.1甲乙类双电源互补对称电路vi/V0.60－0.6ttvo,iL0交越失真＋VCCT1＋－vi－VCCT2RLiL＋－vo乙类互补对称电路存在的问题20华中科技大学张林9.4.1甲乙类双电源互补对称电路＋VCC－VCCRe3vIT3D1D2Rc3T2iC2iC1T1iLRLvO＋－1.静态偏置可克服交越失真2.动态工作情况二极管等效为恒压模型#在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向偏置状态？设T3已有合适的静态工作点交流相当于短路21华中科技大学张林9.4.1甲乙类双电源互补对称电路＋VCC－VCCRe3T3vIR1R2Rc3T4T1iC1T2iC2iLRLvO＋－另一种偏置方式BE4221CE4VRRRVVBE4可认为是定值R1、R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。Po、PT、PV和PTm仍然按照乙类功放计算公式进行估算。22华中科技大学张林9.4.2甲乙类单电源互补对称电路VCCRe3D1D2RLvIT3＋RC3T1T2KCiL＋－vo静态时，偏置电路使VK＝VC≈VCC/2（电容C充电达到稳态）。当有信号vi时负半周T1导通，有电流通过负载RL，同时向C充电正半周T2导通，则已充电的电容C通过负载RL放电。只要满足RLCT信，电容C就可充当原来的－VCC。计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。23华中科技大学张林9.4.3MOS管甲乙类双电源互补对称电路＋VCCvI－VCCRLvoIT3T4R1R2T7T8T5T6R3R4RVGGRG2RG1T1T2－VDD－＋＋VDD热耦合BE7BR218BE43GG4)1()1(VVRRVRRV复合管消除高频振荡温度补偿VBE扩展电路提供静态偏置VBE扩展电路提供静态偏置复合管消除高频振荡华中科技大学张林249.5功率管9.5.1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题9.5.2功率VMOSFET和DMOSFET25华中科技大学张林9.5.1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题1.功率BJT的散热功率BJT外形在给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率。管子消耗的功率直接表现在使管子的结温升高。当结温超过一定温度时（锗管一般约为90℃，硅管约为150℃），会使管子损坏。在BJT中，管子上的电压绝大部分降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子产生热量。所以通常用集电极耗散功率来衡量BJT的耗散功率。26华中科技大学张林1.功率BJT的散热功率BJT的最大允许耗散功率PCM，总的热阻RT、最高允许结温Tj和环境温度Ta之间的关系为Tj－Ta＝RTPCM其中，热阻RT包括集电结到管壳的热阻，管壳与散热片之间的热阻，散热片与周围空气的热阻。单位为℃/W（或℃/mW）。当最高结温和环境温度一定，热阻越小，允许的管耗就越大。散热片及其面积大小可以明显改变热阻的大小。例如，某BJT不加散热装置时，允许的功耗PCM仅为1W，如果加上120×120×4mm3的铝散热板时，则允许的PCM增至10W。通常手册中给出的PCM，是在环境温度为25℃时的数值。9.5.1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题27华中科技大学张林2.功率BJT的二次击穿实际应用中，功率BJT并未超过允许的PCM值，管身也不烫，但功率BJT却突然失效或者性能显著下降。这种损坏不少是二次击穿引起的。产生二次击穿的原因主要是由于流过BJT结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。与BJT的制造工艺有关。iCICMO安全工作区PCM二次击穿临界曲线V(BR)CEOvCE因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流ICM、集射间允许的最大击穿电压V(BR)CE和集电极允许的最大功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制。9.5.1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题28华中科技大学张林3.提高功率BJT可靠性的主要途径（1）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不应超过极限值的80%；（2）在最坏的条件下（包括冲击电流在内），工作电流不应超过极限值的80%；（3）在最坏的条件下（包括冲击功耗在内），工作功耗不应超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的50%；（4）工作时，器件的结温不应超过器件允许的最大结温的70%～80%。对于开关电路中使用的功率器件，其工作电压、功耗、电流和结温（包括波动值在内）都不得超过极限值。9.5.1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题29华中科技大学张林4.保证器件正常运行的保护措施为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流，可在负载两端并联二极管（或二极管和电容）；可以用VZ值适当的稳压管并联在功率管的c、e两端，以吸收瞬时的过电压等。9.5.1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题30华中科技大学张林9.5.2功率VMOSFET和DMOSFET栅极g源极S二氧化硅金属铝N＋N＋PN－型外延层N＋型衬底漏极d沟道1.VMOS管V型开槽的纵向MOS管，称为VMOS（VerticalMOS）电流沿导电沟道由漏极到源极的流动是纵向的沟道很短，电流ID很大，可达200AN－外延层提高了耐压值，达1000V以上非线性失真小31华中科技大学张林9.5.2功率VMOSFET和DMOSFETS源极金属铝栅极g二氧化硅N＋N＋P＋P＋L沟道长度漏极N＋N－衬底d沟道2.DMOS管双扩散MOS管，称为DMOS（Double-diffusedMOS）电流也是纵向流动的沟道很短，电流ID很大，可达50AN－层提高了耐压值，达600V以上32华中科技大学张林9.5.2功率VMOSFET和DMOSFET3.MOS功率管的优点（1）与MOS器件一样是电压控制电流器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小，功率增益高。（2）MOS管不存在二次击穿（3）因为少子存储问题，功率MOS管具有更高的开关速度，双极型功率管的开关时间在100ns至1μs之间，而MOS功率管的开关时间约为10~100ns，其工作频率可达100kHZ到1MHZ以上，所以大功率MOS管常用于高频电路或开关式稳压电源等。VMOS在这一点上更显优越（其fT＝600MHZ）。（4）MOS管与BJT相比几乎不需要直流驱动电流。但MOS功率放大电路的驱动级至少要提供足