第4章--功率電子電路

1、第4章-功率電子電路 4.1 概概 述述 4.2 乙類互補對稱功率放大電路乙類互補對稱功率放大電路 4.3 甲乙類互補對稱功率放大電路甲乙類互補對稱功率放大電路 *4.4 集成功率放大器集成功率放大器 u 甲乙類雙電源互補對稱電路甲乙類雙電源互補對稱電路 u 甲乙類單電源互補對稱電路甲乙類單電源互補對稱電路 第4章-功率電子電路 例：例： 擴音系統(tǒng)擴音系統(tǒng) 實際負載實際負載 什么是功率放大器？什么是功率放大器？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后，在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后， 往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動 作、作、 儀

2、表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個實際負載需要的功率很大。儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個實際負載需要的功率很大。 能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器 4.1 4.1 概述概述 功功 率率 放放 大大 電電 壓壓 放放 大大 信信 號號 提提 取取 第4章-功率電子電路 一一. 功放電路的特點功放電路的特點 （2） 功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須 注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值: ICM 、 UCEM 、 PCM 。 ICM PCM UCEM （1）輸出功率輸出功率Po盡可能大盡可能大 Ic

3、uce 第4章-功率電子電路 (3) 電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。 (4) 電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負載，盡量電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負載，盡量 減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的 效率（效率（ ）。）。 Po: 負載上得到的交流信號功率。負載上得到的交流信號功率。 PE ： 電源提供的直流功率。電源提供的直流功率。 %100 E O P P （5）功放管散熱和保護問題）功放管散熱和保護問題 第4章-功率電子電路 二二. 甲類功率放大器分析甲類功率放大器分析 1.三極管

4、的靜態(tài)功耗：三極管的靜態(tài)功耗： 若若 CCCEQ VU 2 1 的靜態(tài)功耗相等的靜態(tài)功耗相等三極管和負載電阻三極管和負載電阻 L R CQCEQT IUP CQCCE IVP 電源提供的平均功耗：電源提供的平均功耗： CQCCRLT IVPP 2 1 則則 + u V CC L R b1 R i Ic uce Q uceQ IcQ 第4章-功率電子電路 （當(dāng)輸入信號（當(dāng)輸入信號Ui時）時） 輸出功率輸出功率: omom omom 2 1 22 IU IU P o 要想要想PO大，就要大，就要 使功率三角形的面積使功率三角形的面積 大，即必須使大，即必須使Vom 和和 Iom 都要大。都要大。

5、最大輸出功率最大輸出功率: CQCCom IVP ) 2 1 ( 2 1 M N Uom Iom 功率三角形功率三角形 iC uCE Q UCEQ ICQ VCC 第4章-功率電子電路 電源提供的功率電源提供的功率 CQCCCmCQCCCCCE IVtdtIIVtdiVP )sin( 2 1 )( 2 1 2 0 2 0 此電路的最高效率此電路的最高效率25. 0 E om P P 甲類功率放大器存在的缺點：甲類功率放大器存在的缺點： 輸出功率小輸出功率小 靜態(tài)功率大，效率低靜態(tài)功率大，效率低 第4章-功率電子電路 三三. BJT的幾種工作狀態(tài)的幾種工作狀態(tài) 甲類：甲類：Q點適中，在正弦信號的

6、點適中，在正弦信號的 整個周期內(nèi)均有電流流過整個周期內(nèi)均有電流流過BJT。 甲乙類：甲乙類：介于兩者之間，介于兩者之間， 導(dǎo)通角大于導(dǎo)通角大于180 動畫演示動畫演示 iC uCE Q1 UCEQ ICQ VCC iC uCE Q3 ICQ VCC 乙類：乙類：靜態(tài)電流為靜態(tài)電流為0，BJT只在只在 正弦信號的半個周期內(nèi)均導(dǎo)通。正弦信號的半個周期內(nèi)均導(dǎo)通。 iC uCE Q2 ICQ VCC 第4章-功率電子電路 一一. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 互補對稱：互補對稱： 電路中采用兩個晶電路中采用兩個晶 體管：體管：NPN、PNP各各 一支；一支； 兩管特性一致。組兩管特性一致。組 成互補對稱式射極輸成互補對稱

7、式射極輸 出器。出器。 4.2 乙類互補對稱功率放大電路乙類互補對稱功率放大電路 u u V CC VCC o i L R 第4章-功率電子電路 二、工作原理（設(shè)二、工作原理（設(shè)ui為正弦波）為正弦波） ic1 ic2 靜態(tài)時：靜態(tài)時： ui = 0V ic1、ic2均均=0（乙（乙 類工作狀態(tài)）類工作狀態(tài)） uo = 0V 動態(tài)時：動態(tài)時： ui 0VT1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通 ui 0VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止 iL= ic1 ; iL=ic2 T1、T2兩個管子交替工作，在負載上得到完整的正弦波。兩個管子交替工作，在負載上得到完整的正弦波。 u u V CC VCC o i L R

8、 第4章-功率電子電路 輸入輸出波形圖輸入輸出波形圖 ui uo uo uo 交越失真交越失真 死區(qū)電壓死區(qū)電壓 u u V CC VCC o i L R 第4章-功率電子電路 組合特性分析組合特性分析圖解法圖解法 負載上的最大不失真電壓為負載上的最大不失真電壓為Uom=VCC- UCES u u V CC VCC o i L R iC1 uCE iC2 Q VCC UCES UCES Uom 第4章-功率電子電路 最大不失真輸出功率最大不失真輸出功率Pomax L 2 CC L 2 CESCC omax 22 )( R V R UV P Po L 2 om L omom ooo 2 22 =

9、 R U R UU IUP 三、分析計算三、分析計算 動畫演示動畫演示 u u V CC VCC o i L R 第4章-功率電子電路 一個管子的管耗一個管子的管耗 )(d )( 2 1 = 0 L o oCCT1 t R u uVP PT 兩管管耗兩管管耗 )d( sin )sin( 2 1 0 L om omCC t R tU tUV ) 4 ( 1 2 omomCC L UUV R T1T 2=PP) 4 ( 2 2 omomCC L UUV R u u V CC VCC o i L R 第4章-功率電子電路 PE ToE =PPP L omCC 2 R UV 當(dāng)當(dāng) 時， CCom VU

10、 2 L 2 CC Em R V P CC om E o 4 = V U P P 時，時， CCom VU % 78.5 4 max 最高效率最高效率 max 第4章-功率電子電路 四三極管的最大管耗四三極管的最大管耗 ) 4 ( 1 )d( sin )sin( 2 1 = 2 omomCC L om 0 omT1 UUV R t R tU tUVP L CC om L 2 CC T1max 2 . 0 2 2 . 0P R V P 問：問：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？ 用用PT1對對Uom求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)=0，得出：，得出： PT1max發(fā)生在發(fā)生在UomVCC

11、處。處。 將將UomVCC代入代入PT1表達式表達式： 第4章-功率電子電路 選功率管的原則：選功率管的原則： 1. PCM PT1max oM 2 CCCEOBR VU2 )( L 2 CC oM 2R V P u u V CC VCC o i L R 第4章-功率電子電路 t uo 交越失真交越失真 ui t 存在交越失真存在交越失真 乙類互補對稱功放的缺點乙類互補對稱功放的缺點 u u V CC o i L R V CC u u - o L R i 2 R D1 2 R 1 VCC D VCC 第4章-功率電子電路 靜態(tài)時靜態(tài)時: T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分兩管發(fā)射結(jié)電壓分 別為二極管別

12、為二極管D1、 D2的正向?qū)ǖ恼驅(qū)?壓降，致使兩管均處于微弱導(dǎo)壓降，致使兩管均處于微弱導(dǎo) 通狀態(tài)通狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài) 動態(tài)時：設(shè)動態(tài)時：設(shè) ui 加入正弦信號。正半加入正弦信號。正半 周周 T2 截止，截止，T1 基極電位進一步基極電位進一步 提高，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負提高，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負 半周半周T1截止，截止，T2 基極電位進一步基極電位進一步 降低，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。降低，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。 電路中增加電路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路 4.3 甲乙類互補對稱功率放大電路甲乙類互補對稱功率放大電路 一一. 甲乙類雙電源互補對稱電路甲乙類雙電源互補

13、對稱電路 u u R o L i 2 R 1 D D2 V CC 1 R V CC 第4章-功率電子電路 uB1 t UT t iB IBQ 波形關(guān)系：波形關(guān)系： ICQ iC uBE iB ib 特點：特點：存在較小的靜態(tài)存在較小的靜態(tài) 電流電流 ICQ 、IBQ 。 每管導(dǎo)通時間大每管導(dǎo)通時間大 于半個周期，基于半個周期，基 本不失真。本不失真。 iC Q uce VCC /Re VCC IBQ EWB演示演示功放的交越失真功放的交越失真 第4章-功率電子電路 動畫演示動畫演示 （甲乙類互補對稱（甲乙類互補對稱 電路的計算同乙類）電路的計算同乙類） - + u u * CC V U P L

14、 R O 1 R R3 R4 D VCC I R2 i T 1 2 T T 3 第4章-功率電子電路 3. 電路中增加復(fù)合管電路中增加復(fù)合管 增加復(fù)合管的目的：增加復(fù)合管的目的：擴大電流的驅(qū)動能力。擴大電流的驅(qū)動能力。 1 2 晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。 復(fù)合復(fù)合NPN型型 復(fù)合復(fù)合PNP型型 c e b C i b i e i T1 2T c b e i b T T e 1 C 2 i i b c e b i T iC e i b e c i e i i C T b 第4章-功率電子電路 4. 帶復(fù)合管的帶復(fù)合管的OCL互補輸出功放電路：

15、互補輸出功放電路： T1：電壓推動級（前置級）：電壓推動級（前置級） T2、R1、R2：UBE擴大電路擴大電路 T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成互補對稱功放復(fù)合管構(gòu)成互補對稱功放 輸出級中的輸出級中的T4、T6均為均為NPN型晶體管，型晶體管， 兩者特性容易對稱。兩者特性容易對稱。 合理選擇合理選擇R1、R2，b3、b5間間 可得到可得到 UBE2 任意倍的電壓。任意倍的電壓。 2 21 22 R RR UU BECE u u L R T3 T T 6 5 o T4 1T 2T i 3 R R1 2 R 第4章-功率電子電路 1、基本原理、基本原理 . 單電源供電；單電源供電； . 輸出加

16、有大電容。輸出加有大電容。 （1）靜態(tài)偏置）靜態(tài)偏置 二二. 甲乙類單電源互補對稱電路甲乙類單電源互補對稱電路 調(diào)整調(diào)整RW阻值的大阻值的大 小，可使小，可使 CCP 2 1 VU 此時電容上電壓此時電容上電壓 CCC 2 1 VU + u uT T1 3 2 4 T T C 8 R VCC 1 R 2 R RL R5 R6 W R U P i O 第4章-功率電子電路 （2）動態(tài)分析）動態(tài)分析 （電容起到了負電（電容起到了負電 源的作用）源的作用） Ui負半周時，負半周時， T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截止；截止； Ui正半周時，正半周時， T1截止、截止、T2導(dǎo)通。導(dǎo)通。 動畫演示動畫演示 + u

17、 uT T1 3 2 4 T T C 8 R VCC 1 R 2 R RL R5 R6 W R U P i O 第4章-功率電子電路 （3）輸出功率及效率）輸出功率及效率 若忽略交越失真的影響。則：若忽略交越失真的影響。則： L CC L o o R V R U P 8 ) 2 ( 2 2max max %5 .78max 2 max CC o V U 此電路存在的問題：此電路存在的問題： 輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達不到輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達不到VCC/2。 + u uT T1 3 2 4 T T C 8 R VCC 1 R 2 R RL R5 R6 W R U P i

18、 O 第4章-功率電子電路 2. 帶自舉電路的單電源功放帶自舉電路的單電源功放 靜態(tài)時靜態(tài)時 CCP 2 1 VU C1充電后，其兩充電后，其兩 端有一固定電壓端有一固定電壓 動態(tài)時動態(tài)時 由于由于C1很大，兩端電很大，兩端電 壓基本不變，使壓基本不變，使C1上上 端電位隨輸出電壓升端電位隨輸出電壓升 高而升高。保證輸出高而升高。保證輸出 幅度達到幅度達到VCC/2。 + u u R CC T L 1 C R R 2 P R 0 R 8 3 7 C U 2 R 1 R T R i T W 5 V 4 1 6 T C1、 、R7為自舉電路 為自舉電路 第4章-功率電子電路 3.帶運放前置放大級的功率放大電路帶運放前置放大級的功率放大電路 運放運放A接成同相輸入方式作前置放大級。引入了電壓接成同相輸入方式作前置放大級。引入了電壓 串聯(lián)負反饋。整個電路的電壓放大倍數(shù)：串聯(lián)負反饋。整個電路的電壓放大倍數(shù)： a R R u u A f i o u 1 u u + - D A R + + i T T 13 1 V R CC 4 3 R T2 O L CC T V R