西安交通大学-赵进全-模拟电子技术基础-第九章

上页下页返回模拟电子技术基础9.1功率放大电路的特点及分类1．特点(1)要有尽可能大的输出功率(2)效率要高(3)非线性失真要小(4)要加装散热和保护装置(5)要用图解法分析9功率放大电路上页下页返回模拟电子技术基础2．工作状态分类(1)甲类放大电路根据晶体管的静态工作点的位置不同分b.能量转换效率低特点c.放大管的导通角θ=2π静态工作点位置iC1ICQωt=2O2集电极电流波形大a.静态功耗uCEiCOQA上页下页返回模拟电子技术基础(2)乙类放大电路b.能量转换效率高c.输出失真大特点d.放大管的导通角θ=πωtiC2π2π=πO3π集电极电流波形a.静态功耗静态工作点位置uCEiCOQA上页下页返回模拟电子技术基础(3)甲乙类放大电路a.静态功耗较小b.能量转换效率较高c.输出失真较大特点d.放大管的导通角πθ2πωtiC3π2πO3πICQπ2π集电极电流波形静态工作点位置uCEiCOQA上页下页返回模拟电子技术基础思考题1.功率放大器的作用是什么？对它有那些要求？它与电压放大电路有哪些区别？2.试说明甲类、乙类和甲乙类功率放大器各自的主要特点。上页下页返回模拟电子技术基础9.2互补推挽功率放大电路电路特点(1)晶体管T1、T2特性对称(2)电源对称(3)T1、T2射极输出9.2.1乙类互补推挽功率放大电路RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础1.工作原理a.当ui=0时设ui=UimsintT1、T2截止UA=0uo=0静态功耗为零RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_A上页下页返回模拟电子技术基础b.ui0时T1导通T2截止输入信号ui输出信号uo电流io方向uo≈ui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuo_A上页下页返回模拟电子技术基础c.ui0时T2导通T1截止输入信号ui输出信号uo电流io方向uo≈uiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuo+_A上页下页返回模拟电子技术基础乙类互补推挽电路工作情况T1通T2通Uopp=2(VCC–UCES)uCEQtiCOiCuCEOUopp上页下页返回模拟电子技术基础2.主要指标计算(1)输出功率设RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础当忽略三极管的饱和压降UCES时RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_当Uom达到最大值(VCC–UCES)时上页下页返回模拟电子技术基础(2)电源供给的功率平均集电极电流IC(AV)为RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础两个电源供给的总电源功率(3)能量转换效率RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础当时RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础(4)晶体管的耗散功率令RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础最大管耗为即当输出电压幅值为晶体管的管耗最大每只管子的最大管耗为RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础[例]电路如图所示，已知电源电压VCC=15V，RL=8W。输入信号是正弦波。问：(a)假设UCES=0V时，负载可能得到的最大输出功率和能量转换效率最大值分别是多少？(b)当输入信号ui=10sintV时，求此时负载得到的功率和能量转换效率。RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_上页下页返回模拟电子技术基础W06.14W8215212L2CComRVP%5.784πm[解](a)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_(b)对每半个周期来说，电路可等效为共集电极电路，所以Au≈1上页下页返回模拟电子技术基础W25.6W8210212L2omomRUP%33.521541014.34πCComVOmVUPPuo=ui=10sintUom=10V故上页下页返回模拟电子技术基础当ui小于晶体管的死区电压时，T1、T2都截止。3.电路存在的主要缺陷a.产生失真的原因晶体管存在死区电压b.失真的现象输出电流出现一段“死区”RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_存在交越失真上页下页返回模拟电子技术基础OtiCiBuBEOuitO交越失真在两个管子交替工作区域出现的失真称为交越失真输入信号输出信号交越失真的产生上页下页返回模拟电子技术基础4.克服交越失真的常用方法给功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微导通状态，即甲乙类工作状态。上页下页返回模拟电子技术基础9.2.2甲乙类互补推挽电路1.利用二极管提供偏压二极管提供偏压，使T1、T2呈微导通状态D1RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2T3D2uo+_RERCVCC上页下页返回模拟电子技术基础2.利用扩大电路实现偏置图中RLT1ui+_+VCC_T2uo+_T3R1R2R3R4VCC上页下页返回模拟电子技术基础(1)当ui=0时2.工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2输出电压uo=01.电路组成9.2.3单电源功率放大电路D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC上页下页返回模拟电子技术基础(2)当ui为负半周时T1导通，T2截止电容C同时充电uB1信号为正半周uB1uB2输出信号为正半周D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC上页下页返回模拟电子技术基础T1截止，T2导通电容C放电uB2信号为负半周uB1uB2(3)当ui为正半周时输出信号为负半周D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC上页下页返回模拟电子技术基础注意：电容C起负电源–VCC的作用每只管子的工作电压变成了VCC/2，在计算各项指标时，电源电压要用VCC/2。D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC上页下页返回模拟电子技术基础1.电路组成9.2.4前置级为运放的功率放大电路AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC上页下页返回模拟电子技术基础电路引入了电压并联负反馈，提高了电路的稳定性。AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC上页下页返回模拟电子技术基础2.电路的闭环电压增益Auf≈－R2/R1·AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC上页下页返回模拟电子技术基础思考题1.乙类互补推挽功率放大器产生交越失真的原因是什么？怎样克服交越失真？2.前置级为运放的功率放大电路交越失真很小，为什么？上页下页返回模拟电子技术基础9.3.1双极型功率晶体管（BJT）1.功率管的选择(1)PCM≥0.2Pom(2)|U(BR)CEO|2VCC(3)ICM＞VCC/RC9.3功率器件与散热在互补推挽功率放大电路中,功率管的极限参数应满足以下关系上页下页返回模拟电子技术基础2．二次击穿的影响iCuCEOBA二次击穿一次击穿S/B曲线二次击穿现象二次击穿临界曲线iCuCEO上页下页返回模拟电子技术基础1.V型NMOS管的结构结构剖面图9.3.2功率MOSFETs源极g栅极金属源极SiO2沟道沟道外延层衬底d漏极_N+PPNN+N+上页下页返回模拟电子技术基础2.V型NMOS管的主要特点(1)开关速度高(2)驱动电流小(3)过载能力强(4)易于并联上页下页返回模拟电子技术基础IGBT等效电路dT1gsRT2IGBT电路符号gsdT9.3.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）上页下页返回模拟电子技术基础绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主要特点：(1)输入阻抗高(2)工作速度快(3)通态电阻低(4)阻断电阻高(5)承受电流大兼顾了MOSFET和BJT的优点，成为当前功率半导体器件发展的重要方向。上页下页返回模拟电子技术基础外壳c集电结j散热器sR(th)jcR(th)csR(th)sa环境a9.3.4功率器件的散热晶体管的散热示意图上页下页返回模拟电子技术基础导电回路（电路）散热回路（热路）参量符号单位参量符号单位电压UV温差ΔToC电流IA最大允许功耗PCMW电阻RΩ热阻RToC/W功率器件的散热分析方法导电回路和散热回路参数对照表电——热模拟法,即用电路来模拟功率器件的散热回路。上页下页返回模拟电子技术基础Tj——集电结的结温Tc——功率管的壳温Ts——散热器温度Ta——环境温度Rjc——集电结到管壳的热阻Rcs——管壳至散热片的热阻Rsa——散热片至环境的热阻散热等效热路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM上页下页返回模拟电子技术基础散热回路的总热阻为最大允许功耗TajCMRTTP-TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM上页下页返回模拟电子技术基础练习题[例1]乙类互补推挽功放电路如图所示。已知ui为正弦电压，RL=8W，要求最大输出功率为16W。假设功率管T1和T2特性对称，管子的饱和压降UCES=0。试求：T1T2RL+VCCVCC__+uoui(1)正、负电源VCC的最小值；(2)当输出功率最大时，电源供给的功率；(3)当输出功率最大时的输入电压的有效值。上页下页返回模拟电子技术基础[解](1)由于电路的最大输出功率所以电源电压(2)当输出功率最大时，电源供给的功率T1T2RL+VCCVCC__+uouiVCC≥上页下页返回模拟电子技术基础(3)因为输出功率最大时，输出电压的幅值为所以输入电压的有效值为T1T2RL+VCCVCC__+uoui上页下页返回模拟电子技术基础R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1[例2]在图示电路中，已知运放性能理想，其最大的输出电流、电压分别为15mA和15V。设晶体管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。试问:上页下页返回模拟电子技术基础(1)该电路采用什么方法来减小交越失真?R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1(2)如负载RL分别为20W、10W时，其最大不失真输出功率分别为多大?上页下页返回模拟电子技术基础(3)为了使不失真输出功率达到最大，其电路的最佳负载RLopt及此时的最大输出功率Pom；R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1(4)功放管T1和T2的极限参数PCM、ICM和|U(BR)CEO|应选多大?上页下页返回模拟电子技术基础[解](1)在电路即将导通瞬间，电路中各支路中的电流为零。这时R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1上页下页返回模拟电子技术基础R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1故上页下页返回模拟电子技术基础在晶体管即将导通的瞬间，uO1等于其死区电压UBE(th)。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1上页下页返回模拟电子技术基础故电路的死区电压Ui(th)为R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1上页下页返回模拟电子技术基础T1和T2均未导通当时T1或T2导通可见，由于运放的Auo很大，与未加运放的乙类推挽功放电路相比，输入电压的不灵敏区减小了，从而减小了电路的交越失真。即当时≤上页下页返回模拟电子技术基础(2)由图可知，功放电路的最大输出电流为R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO