功率電子線路演示文稿當(dāng)前第1頁\共有94頁\編于星期日\20點優(yōu)選功率電子線路當(dāng)前第2頁\共有94頁\編于星期日\20點1.1功率電子線路概述

作用：高效地實現(xiàn)能量變換和控制。

種類：

(1)功率放大電路

特點：放大用途：通信、音像等電子設(shè)備。(2)電源變換電路

特點：能量變換用途：電源設(shè)備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制等。當(dāng)前第3頁\共有94頁\編于星期日\20點功率放大器特點：工作在大信號狀態(tài)。一、功率放大器的性能要求①安全輸出功率大，管子在極限條件下運用。②高效率C

——集電極效率(CollectorEfficiency)

Po

——

輸出信號功率；PD——

電源提供的功率；PC

——

管耗

(PowerDissipation)/集電極耗散功率；

Po

一定，C越高，PD

越小

PC

小，既可選

PCM

小的管子，以降低費用，也節(jié)省能源。③失真小。盡管功率增益也是重要的性能指標(biāo)，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通過增加前置級禰補(bǔ)。當(dāng)前第4頁\共有94頁\編于星期日\20點二、功率管的運用特點1．功率管的運用狀態(tài)

根據(jù)功率管在一個信號周期內(nèi)導(dǎo)通時間的不同，功率管運用狀態(tài)可分為甲（A）類、乙（B）類、甲乙（AB）類、丙（C）類等多種。①甲類：功率管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角

=3600。②乙類：功率管僅在半個周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角

=

1800

。

③甲乙類：管子在大于半個周期小于一個周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角1800

3600

。④丙類：功率管在小于半個周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角

1800。功率管運用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點來實現(xiàn)。當(dāng)前第5頁\共有94頁\編于星期日\20點根據(jù)下列曲線說出功率管的應(yīng)用狀態(tài)：2．不同運用狀態(tài)下的C管子的運用狀態(tài)不同，相應(yīng)的

Cmax

也不同。

減?。ü芎模?/p>

PC可提高

C。

甲類：理論上最大效率為25%乙類：理論上最大效率為78.5%甲乙類：理論上25%<ηc<78.5%丙類：理論上效率可大于78.5%圖1–1–1各種運用狀態(tài)下的輸出電流波形甲類乙類甲乙類丙類當(dāng)前第6頁\共有94頁\編于星期日\20點

假設(shè)集電極瞬時電流和電壓分別為

iC

和

vCE，則集電極耗散功率PC為：

討論：若減少

PC，則要減少

iC

vCE

方法1：由甲類甲乙類乙類丙類，即減小管子在信號一個周期內(nèi)的導(dǎo)通(增大

iC=0)時間。

方法2：管子運用于開關(guān)狀態(tài)(又稱丁類)，即一周期內(nèi)一半飽和，

一半截止。

飽和時，vCE

VCE(sat)

很小，iC

VCE

(sat)也很小

PC

很??；

截止時，iC

很小，iCvCE

也很小

PC

很小。

總之：為提高

C，管子的運用狀態(tài)可取乙類、丙類或丁類。但集電極電流波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定的措施(見

1.2

節(jié))。cbe+-iCvCE當(dāng)前第7頁\共有94頁\編于星期日\20點電源變換電路按變換方式不同：

(1)整流器(Rectifier)：交流電→直流電。應(yīng)用：電子設(shè)備供電。

(2)直流-直流變換器(DC-DCConverter)：直流電→直流電。應(yīng)用：開關(guān)電源。

(3)逆變器(Inverter)：直流電→交流電。應(yīng)用：不間斷電源、變頻電源。

(4)交流-交流變換器(AC-ACConverter)：交流電→交流電（不同幅值或頻率）。應(yīng)用：變壓等。

當(dāng)前第8頁\共有94頁\編于星期日\20點功率器件功率管的種類：(1)雙極型功率晶體管(2)功率

MOS管(3)絕緣柵雙極型功率管

功率管是功率放大電路的關(guān)鍵器件，為保證安全工作，需了解其極限參數(shù)及安全工作區(qū)。以雙極型功率管為例，安全工作區(qū)受到三個極限參數(shù)限制：①最大允許管耗

PCM。與散熱條件密切相關(guān)。②基極開路集-射反向擊穿電壓

V(BR)CEO。③集電極最大允許電流

ICM。以上參數(shù)與功率管的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、封裝形式有關(guān)。BC+-iCvCEBESGDBGC(D)E(S)GCEN溝道IGBT的簡化電路和電氣圖形符號IGBT既吸收了功率晶體管飽和導(dǎo)通電阻小、且能承受高電壓和大電流的優(yōu)點，又吸取MOS管輸入激勵電流小的優(yōu)點。當(dāng)前第9頁\共有94頁\編于星期日\20點一、功率管散熱和相應(yīng)的

PCM

管耗

PC

主要消耗在集電結(jié)上，使結(jié)溫升高。若集電極的散熱條件良好，集電結(jié)上的熱量很容易散發(fā)到周圍空氣中去，則集電結(jié)就會在某一較低溫度上達(dá)到熱平衡，此時集電結(jié)上產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)到空氣中的熱量。反之，散熱條件不好，集電結(jié)就會在更高的溫度上達(dá)到熱平衡，甚至產(chǎn)生熱崩而燒壞管子。熱崩(ThermalRunaway)：

集電結(jié)結(jié)溫(Tj)

iC

PC

Tj如此反復(fù)，直至

Tj

TjM(集電結(jié)最高允許溫度)而導(dǎo)致管子被燒壞的一種惡性循環(huán)現(xiàn)象。當(dāng)前第10頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–1–4

(a)、(b)功率管底座上加裝散熱器(c)相應(yīng)的熱等效電路①管子集電極直接固定在金屬底座上。②金屬底座與管殼相連。③金屬底座還加裝金屬散熱器。提高

PCM

的辦法：R(th)jc:集電極與金屬底座之間的熱阻R(th)ca:管殼與周圍空氣之間的熱阻R(th)cs:金屬底座與散熱器之間的熱阻R(th)sa:散熱器與周圍空氣之間的熱阻散熱器的面積越大，厚度越厚，材料的熱導(dǎo)率越高，

R(th)sa就越小。當(dāng)前第11頁\共有94頁\編于星期日\20點各種散熱片當(dāng)前第12頁\共有94頁\編于星期日\20點各種功率晶體管當(dāng)前第13頁\共有94頁\編于星期日\20點

熱傳導(dǎo)過程：T2為熱源溫度，T1

為空氣溫度，P為傳輸?shù)臒峁β?，Rth

為熱阻，單位℃/W，當(dāng)熱源產(chǎn)生熱量時，熱源溫度T2

上升，向外部傳輸熱量，若產(chǎn)生的熱量和傳輸?shù)臒崃肯嗟龋_(dá)到熱平衡。T2

不再變化。Rth因為

R(th)cs+R(th)sa<<R(th)ca

所以總熱阻

Rth

R(th)jc+R(th)cs+R(th)ca

晶體管手冊中給出的

PCM

是在指定散熱器尺寸和環(huán)境溫度(Ta=25℃)時給出的數(shù)據(jù)。具體數(shù)值可由下式確定：晶體管的熱量傳遞當(dāng)前第14頁\共有94頁\編于星期日\20點iCICMV(BR)CEOvCEPCMOICEO安全工作區(qū)二、二次擊穿

除

PCM、ICM

和V(BR)CEO

滿足安全工作條件外，要保證功率管安全工作，還要求不發(fā)生二次擊穿。

二次擊穿(SecondaryBreakdown)：

當(dāng)集-射反向電壓超過

V(BR)CEO

時，會引起擊穿，但只要外電路限制擊穿后的電流，管子就不會損壞，待集電極電壓小于

V(BR)CEO

后，管子也就恢復(fù)到正常工作。如果發(fā)生上述擊穿，電流不加限制，就會出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，即為二次擊穿。

二次擊穿后果：導(dǎo)致過熱點（管內(nèi)結(jié)面不均勻、晶格缺陷等）的晶體熔化，集-射間形成低阻通道，引起vCE下降，iC

劇增，損壞功率管，且不可逆。

二次擊穿發(fā)生的條件：它在高壓低電流時發(fā)生，相應(yīng)的功率稱為二次擊穿耐量

PSB。當(dāng)前第15頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–1–5

計及二次擊穿時功率管的安全工作區(qū)功率管的安全工作區(qū)當(dāng)前第16頁\共有94頁\編于星期日\20點1.2

功率放大器的電路組成和工作特性從一個例子講起甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能從一個例子講起圖1–2–1圖解分析(a)

圖1-2-1所示為放大器的基本電路，現(xiàn)將其作為功率放大器來分析它的功率性能。由此揭示功率放大電路組成及其工作性能上的特點。

分析方法應(yīng)用等效電路法小信號圖解法大信號冪級數(shù)法頻率變換時變參量法混頻電子線路分析方法當(dāng)前第17頁\共有94頁\編于星期日\20點功率放大器為大信號放大器，工程分析時，多采用在特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。

1．Q點的選擇：為了使電路在管子不出現(xiàn)飽和與截止失真的條件下輸出功率最大，需把

Q選在負(fù)載線的中點，即

假設(shè)集電極飽和壓降VCE(sat)0；反向飽和電流ICEO

0圖1–2–1圖解分析

2．集電極輸出電壓和電流(假設(shè)

VCE(sat)和

ICEO為0)其中，當(dāng)前第18頁\共有94頁\編于星期日\20點3．PD(直流功率)、PL(負(fù)載功率)

、

PC

(管耗)PL

和

PC

均由直流和交流兩部分合成。例如：

PL

中：直流功率交流功率

所以

當(dāng)前第19頁\共有94頁\編于星期日\20點4．討論：(1)電路組成上甲類功放

Cmax=25%

PD

中，輸出的信號功率

Po僅占

1/4，大部分（PD/2）以直流功率消耗在

RL上。提高

Cmax

的辦法：①降低

Q點，

合理選擇管子的運用狀態(tài)(乙類或甲乙類)，減小管子的靜態(tài)損耗。②消除

RL

上的直流功率——改進(jìn)管外電路，使之不消耗直流功率。(2)工作特性上

VCC

一定且Q在負(fù)載線中點時，最大輸出信號電壓就被限定了，Vcm≈VCEQ=VCC/2,欲提高輸出信號功率，需增大Icm(即減小RL)，但必須同時增大激勵電流。當(dāng)前第20頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–2–2

RL

變化對功率性能的影響①RL

減小,從而使ic增大，同時要求增大輸入激勵電流ib增大到ib′，負(fù)載線斜率改變，否則會減小了集電極電壓振幅，使

Po

減?。虎赗L

減小，ICQ

增大（從Q′點移到Q〞點），使

PD

增大，C

降低。5．結(jié)論(1)在電路組成上，必須采用避免管外電路無謂消耗直流功率的結(jié)構(gòu)。(2)在工作特性上，輸出負(fù)載、輸入激勵和靜態(tài)工作點相互牽制，要高效率輸出所需信號功率，三者必須有一個最佳配置。當(dāng)前第21頁\共有94頁\編于星期日\20點甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能

一、甲類變壓器耦合功率放大器圖1–2–3(a)原理電路1．電路(1)輸入端

RB——

偏置電阻；CB——

旁路電容；Tr1——

耦合變壓器。(2)輸出端

Tr2——耦合變壓器，對交流，

Tr2

起阻抗變換作用。2．電路分析(靜態(tài)分析、動態(tài)分析、功率性能、管安全)當(dāng)前第22頁\共有94頁\編于星期日\20點(1)靜態(tài)分析②畫直流負(fù)載線直流負(fù)載線方程：

vCE=VCC

直流負(fù)載線：EF③求

Q點

iB

=(VCC-

VBE)/RB=IBQiC

=βIBQ

=ICQvCE=VCEQ=VCC圖1–2–4甲類變壓器耦合功率放大器的圖解分析ICQVCEQICEO0.4mA0.3mA0.2mA0.1mAiB=0302520151050iC

/mAvCE

/V369VCE(sat)QiBFE①畫直流通路當(dāng)前第23頁\共有94頁\編于星期日\20點(2)動態(tài)分析②畫交流負(fù)載線，寫出表示管外電路中交流電壓和電流之間關(guān)系的交流負(fù)載線方程：

③求動態(tài)范圍甲類變壓器耦合功放圖解分析過Q點作交流負(fù)載線

MN，斜率=

(n2RL)①畫交流通路

當(dāng)前第24頁\共有94頁\編于星期日\20點(3)功率性能

當(dāng)輸入充分激勵，Q處在負(fù)載線中點時，忽略非線性失真，且設(shè)

VCE(sat)=0，ICEO=0，則相應(yīng)的集電極電流和電壓分別為：其中：Vcm=

VCEQ=VCC比較：

基本放大器電路，

Vcm=VCC/2；

變壓器耦合電路，

Vcm=VCC，若呈現(xiàn)在集電極上的負(fù)載相等，則輸出信號功率增大4倍。當(dāng)前第25頁\共有94頁\編于星期日\20點功率參數(shù)計算：（甲類變壓器耦合功率放大電路）①②③④

采用變壓器耦合，Cmax

將由

0.25（25%）

增大到

0.5（50%），即

PD

的一半轉(zhuǎn)換為

Po。

若Q處于交流負(fù)載線的中點，且充分激勵的條件下，增大

VCC，或減小，Po

均將增大，但最后受安全工作條件的限制。當(dāng)前第26頁\共有94頁\編于星期日\20點(4)管安全

如圖1-2-4所示，加在集電極上的最大電壓

vCEmax=VCC+Vcm

2VCC，通過集電極的最大電流

iCmax=ICQ+Icm

2ICQ

。

當(dāng)

Po=0時，PD

全部消耗在管子中，因而消耗在集電極上的最大功率

PCmax=PD

。安全工作條件：圖1–2–4圖解分析當(dāng)前第27頁\共有94頁\編于星期日\20點又∵如果用Pomax表示安全工作條件，上述安全工作條件變?yōu)椋骸堋?/p>

PCM/2≤V(BR)CEOICM/8圖1–1–5Pomax

取二者較小的值。

此外，還需檢查動態(tài)點是否落在二次擊穿限定的安全區(qū)內(nèi)。當(dāng)前第28頁\共有94頁\編于星期日\20點實現(xiàn)方案：①變壓器耦合推挽功放；②乙類互補(bǔ)推挽功放。1.變壓器耦合功放(1)電路結(jié)構(gòu)

Tr1：輸入變壓器，利用二次繞組的中心抽頭將vi(t)

分成兩個幅值相等，極性相反的激勵電壓

vi1

=-vi2

，分別加在兩管的基-射極之間，實現(xiàn)兩管輪流導(dǎo)通。

Tr2：輸出變壓器，隔斷

iC1

和

iC2到負(fù)載的平均分量，并利用一次繞組的中心抽頭將

iC1

和

iC2

中的基波分量在

RL

中疊加，輸出完整的正弦波。

T1

和

T2：特性配對、相同導(dǎo)電類型的

NPN

功率管。上次課二、乙類推挽功率放大器

乙類工作時，為在負(fù)載上合成完整的正弦波，必須采用兩管輪流導(dǎo)通的推挽(Push-Pull)電路。

當(dāng)前第29頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–2–5(a)變壓器耦合(2)工作原理

vi1(t)>0

時，

T1

導(dǎo)通(忽略發(fā)射結(jié)壓降)；此時

vi2(t)<0，T2

截止，iC1

處于正半周的半個正弦波。

vi2(t)>0

時，

T2導(dǎo)通；此時vi1(t)<0，

T1

截止，iC2

處于的正弦波的負(fù)半周。

iC1和

iC2

中的基波分量在

RL

中疊加，輸出完整的正弦波。

當(dāng)前第30頁\共有94頁\編于星期日\20點2．互補(bǔ)推挽電路圖1–2–5(b)互補(bǔ)推挽(1)電路特點T1

與

T2：功率管（互補(bǔ)配對）(2)工作原理

vi(t)>0

時，T1

管(NPN型)

導(dǎo)通(忽略發(fā)射結(jié)壓降)，此時T2

管(PNP型)截止，iC1(

iE1)為正弦波的正半周；

vi(t)<0

時，T2

管導(dǎo)通，此時T1

管截止，iC2(iE2)為處于正弦波的負(fù)半周。通過RL

的電流iL=iE1–iE2

，合成完整的正弦波。

當(dāng)前第31頁\共有94頁\編于星期日\20點小結(jié)：上述乙類功率放大器，為實現(xiàn)器件輪流導(dǎo)通：類型輸入激勵信號功率管管型管外電路變壓器耦合極性相反對管，管型相同均避免了直流功率的損失互補(bǔ)推挽極性相同對管，管型不同當(dāng)前第32頁\共有94頁\編于星期日\20點3．乙類推挽功率放大器的性能分析

圖1–2–6互補(bǔ)推挽圖解分析(1)推挽電路的組合特性乙類推挽功率放大器的組合特性靜態(tài)工作點：

當(dāng)vi>0，T1

導(dǎo)通，負(fù)載線AQ過Q

點，斜率為-1/RL

；

當(dāng)vi<0，T2導(dǎo)通，負(fù)載線AQ

過Q

點，斜率為-1/RL

。圖1–2–5(b)互補(bǔ)推挽當(dāng)前第33頁\共有94頁\編于星期日\20點(2)性能分析(忽略失真)①一般性能分析當(dāng)0≤

t≤時（正半周），iC2=0iC1=Icmsin

t當(dāng)≤

t≤2時（負(fù)半周），iC1=0iC2=Icmsin

t集-射極間電壓：

VCE1=VCC

-Vcmsin

t；VCE2=-

VCC

Vcmsin

t通過RL的電流：相應(yīng)產(chǎn)生的電壓：RL上的輸出功率：

PL=

Po=VcmIcm/2=I2cmRL/2

正負(fù)電源總的直流功率：

PD=PD1+PD2=2VCCIC0

=2VCCIcm/對于幅度為Icm的半個正弦波，其平均分量Ic0=Icm/π圖1–2–5(b)互補(bǔ)推挽當(dāng)前第34頁\共有94頁\編于星期日\20點②若充分激勵：與

RL

相匹配的輸入激勵(不出現(xiàn)飽和失真的最大激勵)。

令VCE(sat)=0，ICEO=0，則

Vcm=VCC，Icm=VCC/RL相應(yīng)

Po和

PD

達(dá)到最大，即

乙類功放的最大集電極效率比甲類功放高③若激勵不足

Vcm

減小，引入電源電壓利用系數(shù)

表示

Vcm的減小程度。

圖1–2–5(b)互補(bǔ)推挽當(dāng)前第35頁\共有94頁\編于星期日\20點電源電壓利用系數(shù)定義：

=Vcm/VCC集電極管耗：分析：當(dāng)輸入激勵由大減小，即

減小時，Po、PD、C

均單調(diào)減小，而

PC1

和

PC2

的變化非單調(diào)，經(jīng)分析，當(dāng)時最大，其值為：當(dāng)前第36頁\共有94頁\編于星期日\20點PD,CCmax(0.785)C圖1–2–7功放性能隨

（電源電壓利用系數(shù)）

變化的特性：

當(dāng)

較小時，PD、Po、C

?。欢?dāng)

接近1時，PD、Po、C

大。結(jié)論：①

PC

非單調(diào)變化，兩頭小，中間大。②

PD

隨(激勵)線性增大，與甲類(PD不變)不同。當(dāng)前第37頁\共有94頁\編于星期日\20點(3)管安全由可知

增大

VCC，減小

RL，且輸入充分激勵，輸出功率將增大，但最后受到下列安全工作條件的限制：

PC1max=PC2max=0.2Pomax<PCM取Pomax、Pomax兩者中較小的值，并檢查是否發(fā)生二次擊穿。〞′當(dāng)前第38頁\共有94頁\編于星期日\20點1.3

乙類推挽功率放大電路從原理電路到實用電路，還需解決如下等問題：①交越（叉）失真——

加偏置電路；②雙電源——

單電源供電；③互補(bǔ)管難配——

準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路；④安全——

過載保護(hù)；⑤充分激勵——

增加輸入激勵電路。一、交越失真和偏置電路1．交越失真(CrossoverDistortion)

(1)定義

在零偏置條件下，考慮到導(dǎo)通電壓的影響，輸出電壓波形在銜接處出現(xiàn)的失真，稱交越失真。當(dāng)前第39頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–3–2圖解分析乙類推挽電路時，兩管的合成傳輸特性交越失真當(dāng)前第40頁\共有94頁\編于星期日\20點(2)解決途徑圖1–3–3加偏置的互補(bǔ)推挽電路及其傳輸特性

在輸入端為兩管加適當(dāng)正偏電壓，使其工作在甲乙類。

由傳輸特性可見：只要

VBB

取值合適，上下兩路傳輸特性起始段的彎曲部分就可相互補(bǔ)償，合成的傳輸特性趨近于直線，在輸入正弦電壓激勵下，得到不失真的輸出電壓。(3)常用電路①

二極管偏置電路②VBE

倍增電路當(dāng)前第41頁\共有94頁\編于星期日\20點2．二極管偏置電路

在集成電路中，偏置二極管通常由晶體管取代，如圖1-3-4(b)所示?；蛘哂没パa(bǔ)管

T3、T4

取代，如圖1-3-4(c)所示。圖1-3-4二極管偏置電路

問題：偏置電路是否影響輸入信號

vi(t)

的傳輸。

解答：二極管正向交流電阻很小，可認(rèn)為交流短路。

當(dāng)前第42頁\共有94頁\編于星期日\20點3．VBE

倍增電路圖1–3–5

VBE

倍增偏置電路(1)偏置電路

由

T3、R1、R2

組成，且由電流源

IR激勵，為互補(bǔ)功率管

T1、T2

提供偏置電壓

VBB，I1遠(yuǎn)小于IC3,T1、T2管的靜態(tài)基極電流可忽略，則IC3≈IR。

T3、R1

構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，反饋電路的電阻很小，幾乎不影響輸入信號的傳輸。上次課當(dāng)前第43頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–3–5

VBE

倍增偏置電路(2)倍增原理

上式表明：偏置電路提供的偏置電壓

VBB

是

VBE3

的倍增值，且其值受

R1

和

R2

控制，故稱為

VBE

倍增電路。(3)熱補(bǔ)償T↑→（功率管）

ICQ↑,又因為T↑

→VBE3→VBB

→

（功率管）

ICQ

，從而阻止了功率管ICQ的增加。所以VBE3=VTln(IE3/IS)

VTln(IC3/IS)

VTln(IR/IS)ICIC當(dāng)前第44頁\共有94頁\編于星期日\20點二、單電源供電的互補(bǔ)推挽電路(OTL)

圖1–3–61．電路特點①單電源供電②負(fù)載串接大容量隔直電容

CL。

VCC與兩管串接，若兩管特性配對，則CL上的直流電壓便被充到VCL=VCC/2，CL

等效為

電壓等于

VCC/2的直流電源，

大容量CL對交流近似短路

。2．工作原理

T1

管的直流供電電壓：VCCVCL=VCC/2，T2

的供電電壓：0VCL=VCC/2。

單電源供電電路等效為

VCC/2

和VCC/2

的雙電源供電電路。當(dāng)前第45頁\共有94頁\編于星期日\20點三、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路

1．問題的提出：互補(bǔ)要求兩功率管特性配對，特別是大功率管難實現(xiàn)。2．解決辦法：采用復(fù)合管取代互補(bǔ)管，構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路。

3．電路:

圖1–3–7準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路復(fù)合管

T1、T2

等效為

NPN

型管；T3與T4

等效為

PNP

型管。

其中，T1、T3

為小功率管，它們之間是互補(bǔ)的，T2、T4

為大功率管，它們是同型的（NPN型），便于特性配對，故稱為準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路。R1，R2(幾百歐姆)——

減小復(fù)合管的反向飽和電流。

四、保護(hù)電路1．必要性：在設(shè)計合理的功率放大器中，正常情況下，功率管是安全的，但實際工作時可能發(fā)生負(fù)載短路，電流迅速增大等異?，F(xiàn)象，造成功率管損壞。為了安全起見，應(yīng)有過流、過壓、過熱保護(hù)。當(dāng)前第46頁\共有94頁\編于星期日\20點

正常時，VR1不足以使

T1

導(dǎo)通，不起保護(hù)作用。異常時，VR1使

T1導(dǎo)通，分流

i1，從而限制

T3

管的輸出電流，起到了限流保護(hù)作用。T2

對

T4

的限流保護(hù)作用同上。2．過流保護(hù)電路

(1)電路圖1–3–8限流保護(hù)電路

T1、T2：保護(hù)管；R1、R2為取樣電阻。(2)原理以保護(hù)管

T1

為例。當(dāng)前第47頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–3–9(a)未加自舉電容的電路(b)輸入激勵級圖解分析五、輸入激勵電路1．必要性

互補(bǔ)功放,功率管為射極跟隨器，Av<

1。若要求輸出最大信號功率，則要求激勵級提供振幅接近電源電壓的推動電壓(單電源供電時，接近VCC/2)。2．電路

T3：輸入激勵級，

T3的直流負(fù)載為

R(忽略

T1和

T2基極電流)，直流負(fù)載線為Ⅰ，過Q點，斜率為-1/R。當(dāng)前第48頁\共有94頁\編于星期日\20點3．輸出振幅

交流負(fù)載

r

R//ri

<R（直流負(fù)載）

,交流負(fù)載線如Ⅱ所示。故

T3

管最大輸出電壓振幅減小，小于

VCC/2。過Q點，斜率為-1/r。

若能使

交流負(fù)載r

>R（直流負(fù)載），則交流負(fù)載線如曲線

Ⅲ

所示，則它的輸出信號電壓振幅就不受截止失真的限制，其值可接近

VCC/2。圖1–3–9(a)未加自舉電容的電路(b)輸入激勵級圖解分析當(dāng)前第49頁\共有94頁\編于星期日\20點4．改進(jìn)電路

①電流源構(gòu)成有源負(fù)載放大器，直流電阻小，交流電阻大。②

采用自舉電路

圖1–3–9(c)加自舉電容的電路

用R1，R2

，

C2，取代

R

。特點：C2

對交流近似短路，將C

點的交流電位自舉到

O點的交流電位上，即

vC

vO。

工作原理：Av

1，故

vB

vO

vC，通過

R2的交流電流

i0，因而從

B點向虛線框看進(jìn)去的交流電阻(vb/i)很大，趨于無窮，T3的交流負(fù)載電阻便近似等于

T1(或

T2)電路的輸入電阻。當(dāng)前第50頁\共有94頁\編于星期日\20點第1章功率電子線路1.4

功率合成技術(shù)

功率合成電路的作用傳輸線變壓器用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前第51頁\共有94頁\編于星期日\20點功率合成電路的作用功率合成技術(shù)就是將多個功率放大器的輸出功率疊加起來，給負(fù)載提供足夠大的輸出功率。一、功率合成①A，B兩端輸入等值同相功率，C

端負(fù)載

Rc獲得兩輸入功率的合成，而

D端負(fù)載

Rd

上無功率輸出。②A、B兩輸入端輸入等值反相功率，

D端負(fù)載Rd

獲得兩輸入功率的合成，而

C端負(fù)載

Rc

上無功率輸出。

二、彼此隔離

當(dāng)

Rd

和

Rc

之間滿足特定關(guān)系時，A、B兩輸入端彼此隔離，即任意一端功率放大器的工作狀態(tài)變化或損壞時，不會影響另一端功率放大器的工作狀態(tài)，并維持其原輸出功率。當(dāng)前第52頁\共有94頁\編于星期日\20點三、功率分配⑴當(dāng)

Ra=Rb

時，將功率放大器加在

D端，功率放大器的輸出功率均等地分配給Ra

和Rb，且它們之間是反相的，而C端無功率輸出。⑵當(dāng)Ra=Rb

時，將功率放大器加C端，功率放大器的輸出功率均等地分配給Ra

和

Rb，且它們之間是同相的，而

D端無功率輸出。

當(dāng)前第53頁\共有94頁\編于星期日\20點一個理想的功率合成電路應(yīng)該具有以下特點：①N

個同類型的功率放大器，它們的輸出振幅相等，通過功率合成器輸出給負(fù)載的功率應(yīng)等于各功率放大器輸出功率的和。②與功率合成器連接的各功率放大器彼此隔離，任何一個功率放大器發(fā)生故障時，不影響其他功率放大器的功率輸出。實現(xiàn)功率合成的電路種類很多，一般都由無源元件組成，統(tǒng)稱為魔T混合網(wǎng)絡(luò)。在實際應(yīng)用中，往往需要功率合成電路具有寬帶特性，這種功率合成電路由傳輸線變壓器構(gòu)成。當(dāng)前第54頁\共有94頁\編于星期日\20點

傳輸線變壓器一、變壓器和傳輸線的工作頻帶高頻變壓器：由于線圈的漏感和匝間分布電容的作用，其上限頻率只能工作在幾十兆赫，而下限頻率主要受有限激磁電感量（即初級繞組電感量）的限制。

傳輸線：傳輸線是指連接信號源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線，它的上限頻率與導(dǎo)線長度

l

有關(guān)，l越小，上限頻率

fH

越高。它的下限頻率為零。“變壓器電感”這個詞并不常用，因為鐵磁性材料的電感不是常數(shù)，是非線性的。它是指一次線圈的電感，也是激磁電感，就是二次空載時一次線圈表現(xiàn)出來的電感，L=ψ/I=W1φ/I，一次的電流（空載電流，即激磁電流）所產(chǎn)生的磁鏈（磁通與一次匝數(shù)的乘積）與一次電流之比。它的值越大，說明比較小的一次電流能產(chǎn)生比較高的磁鏈，比較強(qiáng)的磁場，一般說來，鐵心越大，一次的匝數(shù)越多，激磁電感就越大，需要的激磁電流就越小。當(dāng)前第55頁\共有94頁\編于星期日\20點傳輸線變壓器如圖1–4–3

所示。圖1-4-3傳輸線變壓器

則可以近似認(rèn)為，在上限頻率范圍內(nèi)，線上電壓和電流處處相等，即

v1=v2=v，i1=i2=i

可以證明，它的上限頻率

fH

與其長度l有關(guān)，l越小，上限頻率

fH就越高。若設(shè)上限頻率fH所對應(yīng)的波長為

min

（=3×108/fH

m),且l

取為min

的十分之一到八分之一，即當(dāng)前第56頁\共有94頁\編于星期日\20點二、傳輸線變壓器的工作原理傳輸線變壓器原理圖如圖1–4–4(a)所示。將傳輸線繞于磁環(huán)上便構(gòu)成傳輸線變壓器。傳輸線可以是同軸電纜、雙絞線、或帶狀線，磁環(huán)一般是鎳鋅高磁導(dǎo)率的鐵氧體。13既然傳輸線變壓器是依靠傳輸線傳送信號能量的，為什么還要采用磁環(huán)，構(gòu)成變壓器的結(jié)構(gòu)呢？對于上述傳輸變壓器，為了實現(xiàn)倒相功能，3端和2端必須接地。如果傳輸線不饒在磁環(huán)上，傳輸線就相當(dāng)于兩根短導(dǎo)線，輸入信號就會被1端和2端的短導(dǎo)線所短接；負(fù)載也就會被4端和3端間的短導(dǎo)線所短接，因而無法實現(xiàn)信號的傳輸。

綜上所述，輸線變壓器是依靠傳輸線傳送信號的一種寬帶匹配元件，它的上限頻率取決于傳輸線的長度，下限頻率取決于初級繞組電感量。當(dāng)前第57頁\共有94頁\編于星期日\20點三、傳輸線變壓器功能1．對稱（信號）與不對稱（信號）的相互變換對稱→不對稱變換，將對地對稱的雙端輸入信號轉(zhuǎn)換為對地不對稱的單端輸出信號，如圖1–4–

6(a)所示。圖1-4-6對稱與不對稱變壓器(a)對稱-不對稱(b)不對稱-對稱不對稱→對稱的變換，將對地不對稱的單端輸入信號轉(zhuǎn)換為對地對稱的雙端輸出信號，如圖1–4–6(b)所示。當(dāng)前第58頁\共有94頁\編于星期日\20點參見圖1–

4–

4(b)（主意：2端和3端接地），在高頻時，傳輸線變壓器以電磁能交替變換的傳輸方式傳送能量。如圖1–4–4(c)所示（主意：2端和3端接地），在低頻時，由于傳輸線繞在磁環(huán)上，1

端和2

端與3

端和4

端的短導(dǎo)線成為較大的電感線圈，工作頻率越高，感抗越大，避免了信號源和負(fù)載被短接，實現(xiàn)了倒相作用。能量通過傳輸線方式和磁耦合方式傳送。13當(dāng)前第59頁\共有94頁\編于星期日\20點2．阻抗變換器傳輸線變壓器可以構(gòu)成阻抗變換器，由于結(jié)構(gòu)的限制，通常只能實現(xiàn)特定的阻抗比的變換。

4:1

阻抗變換器如圖1–4–7(a)所示，圖中阻抗關(guān)系為

實現(xiàn)4:1

的阻抗變換。傳輸線變壓器輸入端為1、3端；輸出端為2、4端

傳輸線變壓器的特性阻抗為Ri當(dāng)前第60頁\共有94頁\編于星期日\20點

1:4

阻抗變換器如圖1–4–7(b)所示，圖中阻抗關(guān)系為實現(xiàn)1:4

的阻抗變換。傳輸線變壓器的輸入端為1、3端，輸出端為2、4端Ri傳輸線變壓器的特性阻抗為當(dāng)前第61頁\共有94頁\編于星期日\20點

用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)一、功率合成

如圖1-4-8

所示，Tr1

為魔

T混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2

為對稱–

不對稱變換器。

輸入信號接在

A端和

B端，根據(jù)節(jié)點方程：i=ia-id，i=id-ib

當(dāng)前第62頁\共有94頁\編于星期日\20點由①i=ia-id，②i=id-ib

②-①可得而ic=2i=ia-ib

1．輸入為等值反相信號ia=ib=Imsin

t，va=vb=Vmsin

t

因為

ic=0，所以C端無功率輸出。vd=va+vb=

2Vmsin

t，D端的輸出功率

輸出功率為

A端輸入功率與

B端輸入功率的和。每個功率放大器的等效負(fù)載②+①可得當(dāng)前第63頁\共有94頁\編于星期日\20點2．輸入為等值同相信號ia=-ib=Imsin

t，

va=-vb=Vmsin

t

所以

D端無功率輸出。

vc=va=-vb=Vmsin

t，

ic=ia+（-ib

）=2Imsin

tC端的輸出功率：C端輸出功率為

A端輸入功率與

B端輸入功率的和。每個功率放大器的等效負(fù)載Vd-d=va

–(-

vb)=0；從而使Tr1兩繞組上的交流電壓

v=0，即va=-

vb=vc;同時

id=0兩功率放大器提供等值同相功率當(dāng)前第64頁\共有94頁\編于星期日\20點3．異常輸入情況ia

ib，va

vb

根據(jù)電路的約束條件將代入并整理，求解出若取ia僅與

va

有關(guān)，ib

僅與

vb

有關(guān)。實現(xiàn)了

A端和

B端的隔離，稱為

A、B間的隔離條件。

由圖可見，v=vd/2,vd=idRd,

vc=icRc,ic=2i當(dāng)前第65頁\共有94頁\編于星期日\20點二、功率分配1．同相功率分配同相功率分配電路如圖1–4–9(a)所示。功率放大器接在C端，A、B端接負(fù)載電阻Ra和Rb,由圖可見ic=2i

，ia=i

-

id

，ib=i+id，vd=idRd

=

va

-vb

=iaRa

-ibRb經(jīng)整理得到

在上式中，當(dāng)Ra=Rb=R時，

id=0

，ia=ib=ic/2。可見，D端沒有獲得功率，而A端和B端獲得等值同相功率。這時，由于vd=0,即傳輸變壓器輸入端電壓為零，A端與B端交流電位相等，由于Tr1變壓器兩個繞組對稱，則C與A、B三端電位相同，接在C端的等效負(fù)載即為

Ra和Rb的并聯(lián)值，即R/2。當(dāng)前第66頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1–4–9功率分配電路(b)反相2．反相功率分配反相功率分配電路如圖1–4–9(b)所示。將功率放大器接在D端，提供電流id=Imsinωt,A、B端接負(fù)載電阻Ra和Rb同理可以證明：當(dāng)

Ra=Rb=R時ic=2i=0ia=ib=id

因

ic=0C端無功率輸出。

A端和

B端獲得等值反相功率。D端的等效負(fù)載為

2R。當(dāng)前第67頁\共有94頁\編于星期日\20點三另一種混合網(wǎng)絡(luò)如圖所示，它由兩個1:1傳輸線變壓器組成。（1）當(dāng)即等幅同相輸入激勵時，由于因而故則在C

端上的功率結(jié)論：兩輸入功率在C

端合成輸出，D

端無功率輸出。當(dāng)前第68頁\共有94頁\編于星期日\20點每個放大器的等效負(fù)載（2）當(dāng)即等幅反相輸入激勵時且

當(dāng)?shù)确聪噍斎霑r，兩輸入功率在D端合成，C端無功率輸出。每個放大器的等效負(fù)載為：當(dāng)前第69頁\共有94頁\編于星期日\20點聯(lián)立求解當(dāng)時（3）當(dāng)時由圖可見，每個傳輸線變壓器的始端電壓均等于

從上述分析可以看出，當(dāng)Rd=Rc時，ia僅與va有關(guān)，ib僅與vb有關(guān)；即A、B端隔離，且隔離條件為Rd=Rc

。當(dāng)前第70頁\共有94頁\編于星期日\20點

同理，該混合網(wǎng)絡(luò)可以作為功率分配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)A、B端分別接電阻Ra和Rb時，可以證明當(dāng)Ra=Rb=R的條件下，當(dāng)C端加輸入功率時，它將均等且同相地分配到A和B端，而D端無功率輸出，呈現(xiàn)在C端的負(fù)載為R2。當(dāng)D端加輸入功率時，它將均等且反相地分配到AB端，而C端無功率輸出，呈現(xiàn)在D端的負(fù)載為R2。當(dāng)前第71頁\共有94頁\編于星期日\20點四功率合成電路實例p50

圖為由四個功率放大器組成的功率合成電路。四個功率放大器組成的功率救合成電路4:1阻抗變換器同相分配網(wǎng)絡(luò)同相分配網(wǎng)絡(luò)同相分配網(wǎng)絡(luò)同相合成網(wǎng)絡(luò)同相合成網(wǎng)絡(luò)同相合成網(wǎng)絡(luò)1:4阻抗變換器當(dāng)前第72頁\共有94頁\編于星期日\20點

圖為工作頻段為（1.5～30)MHz、輸出功率為320W的寬帶功率放大器。(了解)圖1-4-12寬帶功率合成電路當(dāng)前第73頁\共有94頁\編于星期日\20點1.5整流與穩(wěn)壓這部分同學(xué)們自學(xué)當(dāng)前第74頁\共有94頁\編于星期日\20點以后內(nèi)容課堂上不作講授當(dāng)前第75頁\共有94頁\編于星期日\20點第1章功率電子線路1.5

整流與穩(wěn)壓電路整流電路串聯(lián)型穩(wěn)壓器開關(guān)型穩(wěn)壓器當(dāng)前第76頁\共有94頁\編于星期日\20點整流電路的功能是將電力網(wǎng)提供的交流電壓變換為直流電壓。穩(wěn)壓電路具有調(diào)節(jié)功能，將整流電路輸出的不穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。整流電路整流電路有半波、全波、橋式三種基本形式。一、半波整流電路半波整流電路如圖1–5–1(a)所示。在圖1–5–1(a)中，Tr—電源變壓器；D—整流二極管；RL—負(fù)載電阻；CL

—

濾波電容。設(shè)

v2=V2msin

t忽略二極管的導(dǎo)通電壓，并設(shè)導(dǎo)通電阻為

RD。

v2>vo

二極管導(dǎo)通，電容充電。

v2<vo

二極管截止，電容放電。

動態(tài)平衡后，二極管電流

iD=iO

是一串窄脈沖序列。當(dāng)前第77頁\共有94頁\編于星期日\20點如圖1–5–2(a)所示，CL

一定時，RL

越小，紋波越大。如圖1–5–2(b)所示，RL

一定時，CL

越大，紋波越小。

參見圖1–5–1(b)和圖1–5–1(c)，經(jīng)過

RLCL

的濾波，輸出電壓是直流電壓

VO

和一個鋸齒狀波動電壓的疊加。

波動電壓稱為紋波電壓。

直流電壓

VO

及紋波電壓的大小與

RL

和

CL

的數(shù)值有關(guān)。

當(dāng)前第78頁\共有94頁\編于星期日\20點二、全波和橋式整流電路1．全波整流電路

全波整流電路如圖1–5–4(a)所示。

當(dāng)

v2>vO時，二極管導(dǎo)通，所以在

v2

的正負(fù)半周

D1

和

D2

輪流導(dǎo)通。

穩(wěn)態(tài)波形如圖1–5–4(b)所示。當(dāng)前第79頁\共有94頁\編于星期日\20點O

由于電流脈沖的頻率比半波整流提高一倍，輸出的直流電流

IO

和輸出電壓

VO

比半波整流電路大，RL

和

CL

的濾波作用提高，紋波電壓比半波整流電路小。當(dāng)前第80頁\共有94頁\編于星期日\20點

2．橋式整流電路圖1–5–5橋式整流電路及其電壓和電流波形

如圖1–5–5(a)所示，v2

正峰值附近

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。

v2

負(fù)峰值附近

D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。

當(dāng)前第81頁\共有94頁\編于星期日\20點圖1-5-5橋式整流電路及其電壓和電流波形

IO

與

VO

與全波整流電路相同，但截止時的反向電壓由兩只二極管共同承擔(dān)。

電壓和電流的波形如圖1–5–5(d)、(e)、(f)所示。

當(dāng)前第82頁\共有94頁\編于星期日\20點三、三種整流電路的性能

1．半波整流電路

優(yōu)點：元件少，電路簡單。缺點：VO

小，紋波大。

2．全波整流電路

優(yōu)點：VO

大，紋波小。缺點：二極管承受的反向電壓高。

3．橋式整流電路

優(yōu)點：VO

大，紋波小，輸出功率相同時，變壓器的伏安容量比全波整流小。

缺點：二極管數(shù)量多。當(dāng)前第83頁\共有94頁\編于星期日\20點四、倍壓整流電路

倍壓整流電路如圖1–5–9所示。適用于

VO

大，IO

小的場合。

動態(tài)平衡后，v2

正峰值附近

D1

導(dǎo)通，向

CL1

充電，充電電壓

vO1，v2

負(fù)峰值附近

D2

導(dǎo)通，向

CL2

充電，充電電壓

vO2。負(fù)載

RL

上的電壓為半波整流電路的兩倍。

同樣原理可以構(gòu)成多次倍壓電路。當(dāng)前第84頁\共有94頁\編于星期日\20點串聯(lián)型穩(wěn)壓器一、工作原理

1．組成串聯(lián)型穩(wěn)壓器的組成如圖1-5-12(a)所示。圖1-5-12(a)串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成方框圖

串聯(lián)型穩(wěn)壓器組成：調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器。

調(diào)整管——功率管或復(fù)合管與負(fù)載串聯(lián)。比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運放等。當(dāng)前第85頁\共有94頁\編于星期日\20點串聯(lián)型穩(wěn)壓器組成：調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器。調(diào)整管——功率管