《模擬電子線路》

第6章第6章低頻功率放大器

§6.0引言

多級放大器常用來給負(fù)載提供大的功率.例如,為揚(yáng)聲器之類的小負(fù)載電阻輸送很大的電流,或?yàn)殚_關(guān)電源之類的大負(fù)載電阻傳送很大的電壓.前幾章所討論的放大器主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度,因而相應(yīng)地稱為電壓放大器或電流放大器.本章將分析為負(fù)載傳送一定功率的電路─功率放大器.對功率放大器的主要要求是:在一定的不失真(或失真較小)的前提下,將交流信號功率有效地傳送給負(fù)載.因此,我們將關(guān)注晶體管的管耗問題.§6.1功率放大電路的一般問題一、功率放大器的主要研究對象

1、Po（功率）↑晶體管往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作.2、η（效率）↑3、THD(總諧波失真)↓THD與Po是相矛盾的.4、功放管的散熱問題5、功率管的保護(hù)問題Poη=—(6—1)PD二、功率放大電路的分類Pomηmax=—PD§6.1功率放大電路的一般問題

功率放大電路是根據(jù)輸出級晶體管的導(dǎo)通時間進(jìn)行分類的.低頻功率放大電路有三種基本類型:甲類、乙類、甲乙類.圖5.1給出了輸入為正弦信號時,各類功率放大器的輸出情況.OiCωtOvCEiCICQQOiCωtOvCEiCQ

圖

6.1(a)甲類晶體管的導(dǎo)通角θ=360o

圖

6.1(b)乙類晶體管的導(dǎo)通角θ=180o§6.1功率放大電路的一般問題OiCωtOvCEiCICQQ圖

6.1(c)甲乙類晶體管的導(dǎo)通角180o

≤

θ≤360o三、功率放大電路提高效率的主要途徑

晶體管的靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素,所以是影響功率放大電路效率的主要原因.可以證明:即使在理想情況下,甲類功放的最高效率只有50%.提高功放效率的一個基本思路是將Q點(diǎn)下移.§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)一、電路組成RL+VCC－VCCVT2+vi－VT1iC2iC1iL+vo－圖

6.2OCL(OutputCapacitorless)1、Po

與Pom

VomVomPo=VoIo=——·———

22RL1Vom2=—·——2RL1Vcem21VCC2Po=—·——=—·——·ζ22RL2RL

Vcemζ=

——(6—2)

VCC二、工作原理§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)圖

6.3Icm1OVCC

vCE1iC1QVcem1VCES(a)IcmOVCESiC1QVcemvCEO2IcmVCES2VcemiC2(b)§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)1VCC2Pom=—·——(6-3)2RL2.η

與ηmax122VCC2

PD=—VCCIcmsinωt

dωt=

—VCCIcm=—·——ζπππRL

∫π0Poπη=—=—·ζ

(6—4)PD4Pomπηm=——=—≈78.5%

(6—5)PD4§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)三、功率BJT的選擇

1、PTm與Pom的關(guān)系

PTPD－Po21

PT1=PT2=—=———=Pom—ζ－—ζ222π2

dPT1——dζ

2=Pom—－ζπ

dPT1——=0dζ

Vom≈0.6VCC時ζ≈0.6,即

21

PT1m=PT2m=Pom—×0.6－—×0.62≈0.2Pom(6-6)π2

§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)OVom/VCCPD0.20.40.60.81.01.21.00.80.60.40.20.1371.27PoPT1P/

VCC2

(——)2

RLPD=Po+2PT1圖

6.4§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)2、功率BJT的選擇(1)PCM≥

PT1m≈0.2Pom(2)│V(BR)CEO│

＞2VCC(3)ICM≥VCC/RL【例6-1】功放電路如圖6.2所示,設(shè)VCC=12V,RL=8Ω,三極管的極限參數(shù)為ICM=2A,│V(BR)CEO│=30V,PCM=5W.

試求:(1)最大輸出功率Pom值,并檢驗(yàn)所給三極管是否能安全工作?(2)放大電路在η=0.6時的輸出功率Po值§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)四、交越失真圖6.2所示電路中,由于沒有直流偏置,當(dāng)vi=0時,VT1×,VT2×,因此實(shí)際輸出vo=0;設(shè)兩管的發(fā)射極開啟電壓為0.6V,則當(dāng)－0.6V≤vi≤0.6V時,依然有VT1×,VT2×,vo=0.可見,輸出波形在零點(diǎn)課堂練習(xí)

【參考答案】(1)Pom=9W,ICM=1.5A,PTm=1.8W;VCEM=24V(2)Po≈5.3W.

RL+VCC－VCCVT2+vi－VT1iC2iC1iL+vo－§6.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)附近產(chǎn)生了失真,這種失真是由于晶體管的死區(qū)電壓所造成的,稱為交越失真,如圖6.5所示.ωt－0.6V0.6V0vi/Vωt0vO,

iL圖

6.5交越失真圖6.7RL+VCC－VCCVT2viVT1iLvoR1R2iC1iC2RC3VT3RE3VT4RL+VCC－VCCVT2viVT1iLvo圖6.6VD1VD2iC1iC2RC3VT3RE3§6.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

為了克服交越失真,當(dāng)vi=0時(靜態(tài)時),給VT1,VT2一個適當(dāng)?shù)钠秒妷?使之處于微導(dǎo)通狀態(tài).從而讓電路工作在甲乙類狀態(tài).一、甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放§6.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

圖6.6電路中偏置方法的缺點(diǎn)是,偏置電壓不易調(diào)整.圖6.7電路則可提供比較靈活的偏置電壓,在集成電路中經(jīng)常用到.圖6.7中所用到的偏置電路稱為VBE擴(kuò)大電路.

在圖6.7中,若忽略VT4的基極電流,則有:

VBE4

IR2=——=IR1

R2

R1

VCE4=IR2(R1+

R2)=VBE4(1+

—

)

R2二、使用Darlington管的甲乙類互補(bǔ)對稱功放§6.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路RL+VCC－VCCVT2viVT1iLvo圖6.8VD1VD2RC6VT6RE6VD3VT4VT5VT3NPNPNP

互補(bǔ)對稱推挽輸出級使用PNP和NPN型晶體管.在IC設(shè)計中,PNP型晶體管常為橫向結(jié)構(gòu),β值的范圍只有5～10.NPN型晶體管為縱向結(jié)構(gòu),β值為200左右.可見,NPN管和PNP管不能很好地匹配,所以,輸出級采用達(dá)林頓管.§6.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路三、甲乙類單電源互補(bǔ)對稱功放(OTL)圖

6.9OTL(OutputTransformerless)(b)VT1VT2viRL+VCCvoVD1VD2RC3KVT3+C(a)VT1VT2viRL+VCC/2voVD1VD2RC3VT3－VCC/2§6.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路靜態(tài)時,VK=VCC/2.1

C＞(5～10)———2πfLRL

1VCC2Pom=—·——(6—7)8RL§6.4橋式功率放大電路VT1VT2viRL+VCCvo+－+－圖

6.10BTL(BalancedTransformerless)VT3VT4vi>0,VT1√,VT4√VT2×,VT3×vi<0,VT2√,VT3√VT1×,VT4×1VCC2Pom=—·——2RL§6.5集成功率放大器

隨著線性集成電路的發(fā)展,集成功率放大器的應(yīng)用也日益廣泛.圖

6.11(a)SHM1150Ⅱ136+VCC10－VEE8vo+vi－VCC±12V～±50VPom=150W一、SHM1150Ⅱ型集成功放§6.5集成功率放大器+VCC圖

6.11(b)CVT4VT1VT2+vi－+vo－1R6R7VT5VT6VT8R1R2R9－VEER8RfR10I13I2VT7VF1VF28610R11R13R12§6.5集成功率放大器二、集成音頻功放LM386圖

6.12VT8VT10R7+VCCvoVD1VD2R1VT76VT9VT5VT63587214VT2VT4VT1VT3R2R3R4R5R6§6.6功率器件一、功率BJT1、功率BJT的散熱問題在功率放大器中,晶體管在給負(fù)載輸送功率的同時,自己也要消耗一部分功率.晶體管消耗的功率直接表現(xiàn)在其結(jié)溫升高,當(dāng)結(jié)溫升高到一定程度,就會燒壞管子,因而輸出功率受圖

6.13§6.6功率器件到管子允許的PCM的限制.值得注意的是,管子允許的功耗與管子的散熱情況密切相關(guān).如果采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?就有可能充分發(fā)揮管子的潛力,增加功率管的輸出功率.表征散熱能力的重要參數(shù)─熱阻RT

熱的傳導(dǎo)路徑,稱為熱路.阻礙熱傳導(dǎo)的阻力稱為熱阻.RT(oC/WoC/mW)RT

↓→PCM↑

RT

↑→PCM

↓(2)功率BJT的散熱等效熱路RT≈

RTj+RTc+RTf(6—8)0.1～3oC/W§6.6功率器件PCRTjRTcRTfTjTcTfTaRT圖

6.14(a)(b)(c)§6.6功率器件(3)功率BJT的散熱計算

Tj－Ta=RT

PCM

(6—9)最高允許結(jié)溫環(huán)境溫度Tj－TaPCM=(6—10)

RTRT↓→PCM↑,Ta↓→PCM

↑

【例6-2】

設(shè)一功率三極管的集電結(jié)到管殼的熱阻RTj=4oC/W,散熱片與周圍空氣的熱阻RTf=5oC/W,在管殼與散熱片間,利用§6.6功率器件

－0.2mm厚云母墊片進(jìn)行裝配,因此在管殼與散熱片之間引入的熱阻為RTc=1oC/W,

如果在VCE=10V時,流過功率三極管的平均電流IC=1A,試求當(dāng)環(huán)境溫度Ta=25oC時,三極管的集電結(jié)結(jié)溫Tj,管殼溫度Tc和散熱片溫度Tf.設(shè)三極管發(fā)射結(jié)的功耗可忽略.【參考答案】Tj=125oC,Tc=85oC,Tf=75oC二、二次擊穿§6.6功率器件1、二次擊穿現(xiàn)象功率管在實(shí)際應(yīng)用中,常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額,管子也不發(fā)燙,但卻突然失效,這種損壞不少是由于“二次擊穿”所致.圖

6.15ovCEiCABC二次擊穿一次擊穿圖

6.16ovCEiC二次擊穿后曲線二次擊穿臨界曲線§6.6功率器件

產(chǎn)生二次擊穿的機(jī)理目前尚不完全清楚.一般說來,二次擊穿是一種與電流、電壓、功率和結(jié)溫都有關(guān)系的效應(yīng).其物理過程多數(shù)認(rèn)為是由于流過BJT結(jié)面的電流不均勻,造成結(jié)面局部高溫(稱為熱斑),因而產(chǎn)生熱擊穿所致.這與BJT的制造工藝有關(guān).2、BJT的安全工作區(qū)ovCEiCV(BR)CEOICMPCM

安全工作區(qū)二次擊穿臨界曲線圖

6.17V≤80%V(BR)CEOI≤80%ICMP≤50%PCMT≤(70%～80%)Tj§6.6功率器件二、功率MOSFET※

與BJT相比,VMOS器件有以下優(yōu)點(diǎn):1、功率增益高;2、增益穩(wěn)定性好;3、溫度穩(wěn)定性高,不會產(chǎn)生二次擊穿;4、開關(guān)速度快,可用于高頻電路或開關(guān)式穩(wěn)壓電源等.金屬SiO2圖

6.18N+型襯底N－型外延層sgN+N+Psd章末總結(jié)與習(xí)題討論一、本章小節(jié)

1、熟悉對功率放大電路的一般研究問題,掌握功率放大電路的圖解分析法,理解提高功率放大電路效率的主要思想;2、掌握乙類功率放大電路的電路組成及工作原理(包括各項指標(biāo)的分析),理解產(chǎn)生交越失真的原因;3、熟悉VBE擴(kuò)大電路及甲乙類功放的電路結(jié)構(gòu)(包括達(dá)林頓管功放).4、注意雙電源供電的功放與單電源供電的功放的區(qū)別.二、例題討論RL16Ω+VCC+24VVT2VT1voVD1VD2R1R2VT3－VCC－24Vvi圖

6.19章末總結(jié)與習(xí)題討論【例6-3】電路如圖6.19所示,設(shè)輸入電壓vi為正弦波,由VT3管組成的放大電路的增益△vC3/△vB3=－16,射極輸出器的電壓增益為1,試計算當(dāng)輸入電壓有效值Vi=1V時,電路的輸出功率

Po、電源供給的功率PD、兩管的管耗PT以及效率η.【解】

Vo2(16Vi)2Po=—=———=16W

RLRL章末總結(jié)與習(xí)題討論P(yáng)T=PD－Po=21.6-16=5.6W

224×162

=——×————≈21.6W3.1416

Po

16η=—×100%=——×100%≈74.1%

PD21.6【例6-4】單電源供電的OTL電路如圖6.20所示,假定負(fù)載為8Ω,

要求最大輸出功率Pom=10W,試問(1)電源電壓VCC≥?2VCC22VCC2

Vom2VCC·VomPD=—·——ζ=—·——·——=—·———πRL

πRL

VCCπRL

章末總結(jié)與習(xí)題討論RL+VCCVT2VT1voVDR1R3R2C1+C2+vi圖

6.20(2)電源供給的功率PD=?(3)管子的擊穿電壓V(BR)CEO≥?(4)管子的允許功耗PCM≥?(5)放大器轉(zhuǎn)換能量的效率η=?(6)電容C2承受的直流電壓為多少?(7)若要求由C2引入的下限頻率

fL2=10Hz,問C2應(yīng)選多大的值?(8)若輸出產(chǎn)生交越失真,應(yīng)調(diào)節(jié)什么元件?如何調(diào)?章末總結(jié)與習(xí)題討論【解】(1)1VCC2Pom=—·——8RLVCC≥8Pom·RL≈25.3V(2)取VCC=28V2(VCC/2)Vom2(28/2)×12.65

PD=—·—————=——×——————≈14.1WπRL3.148(3)│V(BR)CEO│≥VCC取V(BR)CEO=40V(4)PCM≥

0.2Pom=0.2×10=2W其中:

Vom=2Pom·RL=2×10×8≈12.65V章末總結(jié)與習(xí)題討論(5)

Pom

10η=——×100%=——×100%≈71%

PD14.1(6)電容C2承受的直流電壓為

VCC

VC2=——=14V2

1

fL2=————=10Hz2πRLC2

(7)1

1C2=————=———————≈1989μF2πRLfL2

2×3.14×8×10(8)若輸出產(chǎn)生交越失真,應(yīng)調(diào)節(jié)R2,將R2調(diào)大.