1、會計學(xué)1模擬電子模擬電子(dinz)技術(shù)基礎(chǔ)資料技術(shù)基礎(chǔ)資料第一頁，共57頁。2目 錄退出(tuch)5.1 概述(i sh) 4765.2 互補(h b)推挽功率放大器 4835.3 其他形式的功放電路 5095.4 功率器件、散熱及保護電路 523第1頁/共57頁第二頁，共57頁。3功率(gngl)放大器的主要指標(biāo)功率(gngl)放大器的分類返回退出第2頁/共57頁第三頁，共57頁。4功率放大：以輸出功率為重點(zhngdin)，驅(qū)動負(fù)載。電壓放大(fngd)：不失真地增大輸出信號電壓幅度，以驅(qū)動功放。 功率放大器實質(zhì)上也是能量轉(zhuǎn)換電路，它的主要特點就是工作在大信號狀態(tài)下。1.預(yù)備知識 電

2、壓放大和功率放大有不同的特點及指標(biāo)要求，在多級放大器中，電壓放大器處于前置級和中間級，而功率放大器處在末級（也可能包括末前級），以驅(qū)動負(fù)載。返回退出第3頁/共57頁第四頁，共57頁。5（2）功率放大器的效率和晶體管集電極效率c %o100UPP cU100%oPP 功率放大器在線性區(qū)能夠向負(fù)載(fzi)提供的最大交流功率。 工作(gngzu)在線性區(qū)。op（1）輸出功率注意： 提供的最大交流功率（管子充分利用或稱盡限運用）。 效率：放大器的輸出信號功率 與直流電源供給功率 之比:oPUP ：直流電源供給集電極和偏置電路等直流功率之和。UP 晶體管集電極效率 ：輸出功率Po與電源供給集電極的直流

3、功率 之比:UPc 功率放大器的主要指標(biāo) 返回退出第4頁/共57頁第五頁，共57頁。6coPPPU 直流電源供給功率(gngl) 一部分變成了有用的輸出信號，剩余的部分主要變成了晶體管的管耗 ，即（3）非線性失真 由于功放工作在大信號狀態(tài)下，所以很容易導(dǎo)致輸出信號產(chǎn)生(chnshng)非線性失真。要求功放產(chǎn)生(chnshng)的非線性失真盡可能小。結(jié)論(jiln)： 功率放大器的任務(wù)是: 在確保晶體管安全運用情況下，獲得盡可能大的輸出功率，盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。UPcP返回退出第5頁/共57頁第六頁，共57頁。7 180 導(dǎo)通角導(dǎo)通角 90 導(dǎo)通角導(dǎo)通角功率放大器根據(jù)功放管的導(dǎo)

4、通時間的長短進行(jnxng)分類。（1）甲類（A類）工作(gngzu)狀態(tài) 在輸入信號的整個周期內(nèi)晶體管都是導(dǎo)通的。（2）乙類（B類）工作狀態(tài) 在輸入信號的半個周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通。返回退出第6頁/共57頁第七頁，共57頁。818090（3）甲乙類（AB類）工作(gngzu)狀態(tài) 是介于(ji y)甲類和乙類之間的工作狀態(tài)，晶體管導(dǎo)通的時間大于半個周期，但小于一個周期。（4）丙類（C類）工作狀態(tài)晶體管導(dǎo)通的時間小于半個周期。 90 返回退出第7頁/共57頁第八頁，共57頁。9CESCEUu（5）丁類（D類）工作(gngzu)狀態(tài) 此時，晶體管處于開關(guān)(kigun)狀態(tài)，即在輸入信號的半個周期內(nèi)飽

5、和導(dǎo)通；在另外半個周期內(nèi)，晶體管截止。飽和導(dǎo)通：五類功放的效率滿足下式：丁丙乙甲乙甲（6）結(jié)論返回退出第8頁/共57頁第九頁，共57頁。10乙類推挽(tu wn)功率放大器的工作原理乙類推挽(tu wn)功率放大器的分析計算乙類推挽功率放大器的非線性失真返回退出第9頁/共57頁第十頁，共57頁。11引言(ynyn)：甲類單管功放簡介LL)(RNNR221LCESCCLcemcemcmo)(RuURUUIP22212121CCCQUIPUUocPP 時時當(dāng)當(dāng)0CESuLCCooRUPPmax221LCCCCcmCCCQRUUIUIPU2設(shè)變壓器為理想(lxing)的%occ50UmaxPP 需要

6、強調(diào)指出的是，對于甲類功率，PU是一常數(shù)，與輸入信號的大小無關(guān)。即使輸入信號為零，直流電源還照樣提供直流功率，因此效率很低。oP返回退出第10頁/共57頁第十一頁，共57頁。12 采用乙類的原因：由于晶體管只在半個周期內(nèi)導(dǎo)通，因此晶體管的集電極靜態(tài)電流 ，所以一個(y )周期內(nèi)晶體管的平均功耗小。顯然，集電極電流(dinli)產(chǎn)生了嚴(yán)重的非線性失真。 選用兩只特性完全相同的異型晶體管 ，輪流工作在乙類狀態(tài)。如何解決非線性失真和高效率的矛盾？從而在負(fù)載上獲得完整的輸出波形。0CQI返回退出第11頁/共57頁第十二頁，共57頁。13 （1） 和 是一對(y du)對稱的異型晶體管； （2） 和 分

7、別(fnbi)與負(fù)載組成射極跟隨器； （3）采用 兩組電源供電。 兩管交替工作，一只在輸入信號正半周導(dǎo)通，另一只在負(fù)半周導(dǎo)通，猶如一推一挽，在負(fù)載上合成完整的波形。1VT2VT1VT2VTLRCCU乙類推挽功率放大器的工作原理返回退出第12頁/共57頁第十三頁，共57頁。14注：以下的分析中不考慮(kol)發(fā)射結(jié)門限電壓。電路(dinl)0iu兩管基極的靜態(tài)電位為零兩管均截止021CQCQIICCCEQCEQUUU21乙類推挽功率放大器的工作原理返回退出第13頁/共57頁第十四頁，共57頁。15電路(dinl)0iu 導(dǎo)通， 截止(jizh) 與 組成射極跟隨器在 上得到上半周波形iu1Ei

8、輸入信號在正半周的情況1VT2VTLR1VTLR乙類推挽功率放大器的工作原理返回退出第14頁/共57頁第十五頁，共57頁。16電路(dinl)0iu 導(dǎo)通， 截止(jizh) 與 組成射極跟隨器在 上得到下半周波形iu2Ei 輸入信號在負(fù)半周的情況1VT2VTLR2VTLR乙類推挽功率放大器的工作原理返回退出第15頁/共57頁第十六頁，共57頁。1721EELiii乙類推挽功率放大器的工作(gngzu)原理返回(fnhu)退出第16頁/共57頁第十七頁，共57頁。18LCCRUCCU1CEuCESNuoLCCRUCESPuoCCUQ靜態(tài)時02121CQCQCCCEQCEQII,UUU兩管的Q點

9、重合乙類推挽功率放大器的分析(fnx)計算組合特性(txng)曲線LR1 1.組合(zh)特性曲線 由于功放電路工作在大信號狀態(tài)下，不能采用微變等效電路分析，必須采用圖解法分析。為了便于分析，將VT2的特性曲線倒置在VT1特性曲線的下方，它們的靜態(tài)工作點重合。CCECCEUuu221CCULCCRULCCRU返回退出第17頁/共57頁第十八頁，共57頁。19返回(fnhu)退出(tuch)第18頁/共57頁第十九頁，共57頁。20CCULCCRULCCRUALomaxCCRUP22op22cemcmoUIP cemcmUI21不考慮(kol)uCES時，輸出功率是AQO的面積，此時輸出功率最大

10、。兩個(lin )晶體管的輸出功率為 定義電壓(diny)利用系數(shù)CCcem/UU222222121 LCCLCESCCLcemo)(RURuURUP時時當(dāng)當(dāng)1 即忽略晶體管的飽和壓降結(jié)論：oP 通常所指的輸出功率 是指在線性區(qū)得到的最大輸出功率。實際輸出功率與激勵信號的大小有關(guān)。op返回第19頁/共57頁第二十頁，共57頁。21 直流電源供給晶體管集電極的直流功率(gngl)是由兩個電源供給的.由于每個晶體管只導(dǎo)通半周期，故流過每個集電極的電流為半個周期的非正弦波。0I)d(cmcItiI20021 LCCmaxRUPU221 時時，當(dāng)當(dāng) CCUIPU02 LCCRU221Ci2CiCCLc

11、emPURUU2 可見，輸入信號越大，即越大，需要提供的直流電源供給功率PU就越大；反之，輸入信號越小，需要提供的直流電壓(diny)功率就越小。當(dāng)輸入信號為零時，直流電源不需要提供功率。00min UP時，時，當(dāng)當(dāng) 這說明電源供給的直流功率不是恒定不變的，而是根據(jù)輸入信號大小而變化。因此乙類功放的效率高（與甲類進行比較）。為每管集電極電流的平均值（直流電流）。返回第20頁/共57頁第二十一頁，共57頁。22c Uopp 41%cmax5784. 222 LCCoRUP LCCURUP22cmax稱為理論極限(jxin)效率?？梢姡翌愅仆?tu wn)功放的集電極效率與電壓利用系數(shù)成正比。乙

12、類推挽功率放大器的分析計算時，集電極效率最高當(dāng)返回退出第21頁/共57頁第二十二頁，共57頁。23222 LCCoRUP )(ocPPPU212224 LCCLCCRRUU能否認(rèn)為輸入信號越大 越大），管耗就越大呢？( LCC RUPU22均是對兩管而言的管耗也與有關(guān)(yugun)。為了保證晶體管安全工作0 ddPComaxomaxcmaxP.PP20222時時， 0 2maxP. PCMoUP21oP21通過管耗的表達(dá)式可以畫出 和的關(guān)系曲線cP乙類推挽功率放大器的分析計算返回退出第22頁/共57頁第二十三頁，共57頁。24CC(BR)CEOUU2 處于(chy)截止?fàn)顟B(tài)的晶體管的c極和e極

13、之間承受的反壓)(CESCCCCuUUCCU2（3）集電極最大允許(ynx)電流指功放管導(dǎo)通時，流過管子(gun zi)的最大電流。LCCLcemCMR/UR/UI(BR)CEOU（2）反向擊穿電壓結(jié)論： 為確保晶體管安全工作，必須同時滿足上面的三個條件。 圖示的雙電源供電的互補推挽功率放大器稱為OCL（Output Capacitor Less)電路。時時當(dāng)當(dāng)0iu ， 導(dǎo)通， 截止，情況一樣。2VT1VT當(dāng) ， 導(dǎo)通， 截止，1VT2VT0iu12cemCCCEUUu乙類推挽功率放大器的分析計算返回退出第23頁/共57頁第二十四頁，共57頁。25例5-1 一雙(y shun)電源互補對稱電

14、路如圖所示，設(shè)已知UCC=12V,RL=16,輸入信號為正弦波，求（1）忽略飽和壓降時，負(fù)載得到的最大輸出功率Pomax；(2)每個管子的PCM至少為多少？(3)每個管子的耐壓為多少？4.5WWLCComax162122122RUP）（WWomaxcmax90542020.P.PWCM90.PVVCC(BR)CEO241222 UU解：(2) 每管允許(ynx)承受的管耗：故要求管子(gun zi)允許的最大管耗為(3) 每管的耐壓為：返回退出第24頁/共57頁第二十五頁，共57頁。26例5-2 電路如圖所示，電源電壓UCC20V，RL8試計算(j sun)當(dāng)輸入信號為正弦信號，且有效值為10

15、V時，電路的輸出功率、管耗、直流電源供給功率和效率。解：時時V10iUVim1414102.U導(dǎo)通時，VT1和VT2均構(gòu)成(guchng)共集電路，因此,Au1mVimomcem1414.UUU故故輸出功率WWLcemo501281414212122.RUP)()(oCCooUCCPUIPPPP2212121每管實際(shj)承受的管耗于于是是而而，LcemcmoRUIIW)W()R(oLCCcemCC0155012814320141422122121.PUUPP返回退出第25頁/共57頁第二十六頁，共57頁。27直流電源供給(gngj)的功率：W.)W(Co52220210501221.PP

16、PUWWCCLcemCCo52222081431414222.URUUIPU或或%oc505520141444100.PPU 效效率率 應(yīng)當(dāng)指出(zh ch)，由于輸入信號偏小，這時電路未處于充分利用或盡限運用，輸出功率未達(dá)到線性區(qū)最大輸出功率，故效率偏低。返回(fnhu)退出第26頁/共57頁第二十七頁，共57頁。28tUu cosimi設(shè)設(shè))cos(n)cos()cos(cmcmcmEnntItItIIi 2211012)cos()cos(I)cos(cmncmcmEnntnIttIIi 221102221.推挽電路(dinl)對偶次諧波的抑制 推挽電路中，若兩管的特性完全一致，則其電壓、

17、電流(dinli)波形也完全對稱。21EELiii)cos()cos(cmcm3311322 tItI可見，對稱的電路可以消除偶次諧波成分。返回退出第27頁/共57頁第二十八頁，共57頁。29CESCESPCESNuuu理想傳輸特性(txng)（不考慮門限電壓）（1）傳輸(chun sh)特性 在實際傳輸特性中，必須考慮三極管發(fā)射結(jié)的門限電壓值。 可以看出，當(dāng)輸入信號的絕對值小于0.7V時，沒有輸出，因此輸出信號會出現(xiàn)明顯的失真。 是NPN管的集電極飽和電壓CESNU傳輸特性的斜率為什么為1？乙類推挽功率放大器的非線性失真返回退出第28頁/共57頁第二十九頁，共57頁。30Vo/uVo/uVi

18、/uCESCCUU CESCCUU交越失真實際傳輸(chun sh)特性及輸出電壓波形如圖所示（2）交越失真(sh zhn)交越失真是指發(fā)生在信號(xnho)穿越過零點時產(chǎn)生的失真。返回退出第29頁/共57頁第三十頁，共57頁。31門限(mnxin)電壓原理(yunl)電路（3）消除交越失真的(zhn de)方法改為甲乙類工作狀態(tài)交越失真 圖中，給兩個晶體管加入了同樣的正偏電壓 ，由于此時晶體管的導(dǎo)通時間已大于半個周期，因此此時的工作狀態(tài)是甲乙類工作狀態(tài)。但由于其工作狀態(tài)十分接近于乙類，故仍可按乙類的功放進行分析。2BBU交越失真消除門限電壓的影響？給兩管給予一定的正向偏置 該圖是原理電路，實

19、際上，在集成電路中，正向偏置不會直接采用電壓源的方式，可以用電阻、二極管和晶體管等元器件來提供。返回退出第30頁/共57頁第三十一頁，共57頁。321132IRUUCEBBE21132CEBBEIRUU實際(shj)電路1實際(shj)電路2：顯然，在該電路中，正向偏壓是由 和 的正向電壓提供。1VD2VD電容 是保證在交流時，加在和 基極的輸入信號是相同的。1C2VT3VT 在該電路中， 是放大級， 和 構(gòu)成互補推挽功放，正向偏壓是利用流過 的直流電流 在 上產(chǎn)生的壓降提供的。1VT2VT3VT1R1CI1R返回退出第31頁/共57頁第三十二頁，共57頁。33212RUIBER)(BEBB2

20、111RRUU32EBBEBBUUU令令2211RIRIURRBB且且)(RBB212RRIU實際(shj)電路3： 恰當(dāng)選擇(xunz)電阻R1、R2，使IB1可以忽略不計，則 調(diào)整(tiozhng)R1、R2比值，即可獲得某一倍數(shù) UBE 的UBB，因此該電路又稱為UBE倍增電路。 在該電路中， 是放大級， 和 、 組成恒壓源電路，為 和 提供正向偏壓，以消除交越失真。1VT2VT3VT1R4VT2R返回退出第32頁/共57頁第三十三頁，共57頁。34使用(shyng)負(fù)反饋電路 在功率(gngl)放大器前引入一級電壓放大器（在本圖中引入了集成運放），并構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 設(shè)死區(qū)電壓為0

21、.7V，則引入負(fù)反饋后，死區(qū)電壓為0.7V/A0。A0為集成(j chn)運放開環(huán)增益。R1是用來限制放大器A的輸出電流，但同時RL又是靠R1上的電流來驅(qū)動的。返回退出第33頁/共57頁第三十四頁，共57頁。35乙類工作狀態(tài)(zhungti)的矛盾互補(h b)推挽功放電路(dinl)結(jié)構(gòu)工作原理電流波形圖組合特性曲線性能指標(biāo)非線性失真工作原理性能指標(biāo)計算極限參數(shù)選擇交越失真消除方法乙類推挽功率放大器的非線性失真返回退出第34頁/共57頁第三十五頁，共57頁。36 單電源供電的互補(h b)推挽電路 準(zhǔn)互補推挽(tu wn)功率放大器集成功放電路丁類音頻功率放大器返回退出第35頁/共57頁第三

22、十六頁，共57頁。371.原理(yunl)電路 雙電源供電的互補推挽電路需要兩組正負(fù)電源，使用(shyng)不便.0iuCC2U221/UUUCCCEQCEQ 當(dāng)電容C 的容量很大時，對C 的充放電時間遠(yuǎn)大于信號的半個周期。因此，當(dāng)兩管輪流導(dǎo)通時，電容兩端電壓基本不變。兩管基極靜態(tài)電位為返回退出第36頁/共57頁第三十七頁，共57頁。382.實際電路(dinl)結(jié)構(gòu) 電路(dinl)中只采用了一組電源供電；VT1是放大級，工作在甲類狀態(tài)。 VT2和VT3構(gòu)成互補推挽功放，R4用來消除交越失真，C3用來旁路R4，使加到VT2、VT3的基極的激勵信號相等。VT2和VT3的輸出通過電容C2和負(fù)載相接

23、。返回退出第37頁/共57頁第三十八頁，共57頁。39VCCB702./UU3.工作(gngzu)原理調(diào)整(tiozhng)VT1的靜態(tài)工作點，使2/UUCCE 由于C2的容量很大，因此C2充放電的時間常數(shù)遠(yuǎn)大于信號的半個周期，所以兩管輪流導(dǎo)通時，電容兩端的電壓基本不變恒等于UCC/2，相當(dāng)于直流電源電壓，于是對VT2、VT3每管工作時的直流電源電壓均為UCC/2。返回退出第38頁/共57頁第三十九頁，共57頁。40LCESCCo)(Ru/UP2221LCComaxRUP82CCCC(BR)CEOUUU22LCCCMR/UI24. 性能指標(biāo) 該電路的性能指標(biāo)計算等同于OCL電路，只是此時的等效

24、(dn xio)電源電壓為UCC/2。 圖示的單電源供電(n din)的互補推挽功率放大器稱為OTL(Output Transformer Less)電路。返回退出第39頁/共57頁第四十頁，共57頁。41復(fù)合管類型以第一個晶體管為準(zhǔn)；應(yīng)保證兩管的基極電流能流通(litng)； 第一管的c、e不能和第二管的b、e接在一起。 1.復(fù)合管 將兩只或兩只以上的晶體管按照一定的原則(yunz)連接在一起，以實現(xiàn)一定的目的。（1）等效為NPN管（2）等效為PNP管（3）連接原則：返回退出第40頁/共57頁第四十一頁，共57頁。422.準(zhǔn)互補(h b)推挽電路 VT5作為放大管，工作(gngzu)在甲類工

25、作(gngzu)狀態(tài)。 VT1、VT3 以復(fù)合管的方式構(gòu)成NPN管。 VT2、VT4 以復(fù)合管的方式構(gòu)成PNP管。 注：VT3和VT4是同型管子，所以不具互補性，互補作用是由VT1和VT2實現(xiàn)的。 Re1和Rc2的作用是為了減小復(fù)合管的穿透電流。返回退出第41頁/共57頁第四十二頁，共57頁。43集成電路要求(yoqi)、特點與構(gòu)成 要求(yoqi)：大電容，大電阻，電感外接 二極管用晶體管連接替代 晶體管數(shù)目不限 特點：體積小、重量輕、成本低； 外接元減少、調(diào)試簡單，維護 方便性能優(yōu)越，可靠性高 構(gòu)成： 集成功(chnggng)放電路返回(fnhu)退出第42頁/共57頁第四十三頁，共57頁

26、。44(1) LM380內(nèi)部(nib)電路LM380是單電源供電(n din)的集成功放。返回退出第43頁/共57頁第四十四頁，共57頁。45(2) LM380外接引(ji yn)腳返回(fnhu)退出第44頁/共57頁第四十五頁，共57頁。46MOS管的出現(xiàn)(chxin)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展丁類音頻(ynpn)功放提高放大器的效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性等返回退出第45頁/共57頁第四十六頁，共57頁。47PWM：脈沖(michng)寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation)組成(z chn)框圖：（1）PWM信號的產(chǎn)生 脈寬調(diào)制器將音頻模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖寬度正比于其輸入信號瞬時幅度的信號丁類

27、音頻功率放大器返回退出第46頁/共57頁第四十七頁，共57頁。48onLLRRR (2) 開關(guān)(kigun)功率放大器 開關(guān)(kigun)管VT1和VT2輪流導(dǎo)通，以開關(guān)(kigun)方式工作，即工作于可變電阻區(qū)和截止區(qū)兩種狀態(tài)。工作(gngzu)于可變電阻區(qū)：開關(guān)管導(dǎo)通電阻 由于在可變電阻區(qū)時，流過管子的電流可以很大，但漏源間的電壓很小，因此開關(guān)管的導(dǎo)通電阻很小，故效率很高。(3) 低通濾波器 只要取樣頻率足夠高，就越容易濾除PWM信號中的諧波分量，恢復(fù)出音頻信號，但取樣頻率也不宜過高，應(yīng)滿足maxff7s返回退出第47頁/共57頁第四十八頁，共57頁。49單片無需(wx)濾波器的D類音頻功

28、率放大器TPA2005D1差分輸入(shr)狀態(tài)丁類音頻功率放大器返回退出第48頁/共57頁第四十九頁，共57頁。50 功率(gngl)器件功放管的管耗與散熱 保護(boh)電路返回退出第49頁/共57頁第五十頁，共57頁。511.功率(gngl)MOSFET大功率MOSFET管采用縱向?qū)щ姕系?u do)，稱為VMOSFET。VVMOS管結(jié)構(gòu)圖特點：高耐壓（1000V），高工作頻率（數(shù)百MHZ）返回退出第50頁/共57頁第五十一頁，共57頁。522.絕緣(juyun)柵雙極型功率管IGBT這是一種(y zhn)將MOS管和雙極型晶體管組合而成的功率器件。NMOS復(fù)合管的構(gòu)成及符號PMOS復(fù)合管的構(gòu)成及符號IGBT具有大電流、高電壓、低功耗、高輸入電阻、小驅(qū)動電流等特點。返回退出第51頁/共57頁第五十二頁，共57頁。531.集電極功耗(n ho) 與環(huán)境溫度 的關(guān)系cPaT熱功率(gngl)：TBARTTP表表示示管管子子的的結(jié)結(jié)溫溫。jajcT,RTTPTTRTTPajMCM)(P9 . 0PmaxaCMCTC)()(oCMojMajMaCM2525PTTTTP集電極功耗Pc：管子