模擬電子技術(shù) 第九章 功率放大電路

一.

功率放大電路的特點(diǎn)及分類第9章功率放大電路二.

互補(bǔ)推挽功率放大電路三.

功率器件與散熱一.

功率放大電路的特點(diǎn)及分類1．特點(diǎn)

(1)要有盡可能大的輸出功率(2)效率要高(3)非線性失真要小(4)要加裝散熱和保護(hù)裝置(5)要用圖解法分析2．工作狀態(tài)分類:

(1)甲類放大電路

根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)的位置不同分b.能量轉(zhuǎn)換效率低（25%）特點(diǎn)

c.放大管的導(dǎo)通角θ=2π靜態(tài)工作點(diǎn)位置iC1ICQωt=2

O2集電極電流波形

a.靜態(tài)功耗大uCEiCOQA(2)乙類放大電路b.能量轉(zhuǎn)換效率高c.輸出失真大特點(diǎn)

d.放大管的導(dǎo)通角θ=πωtiC2π2π=πO3π集電極電流波形

a.靜態(tài)功耗靜態(tài)工作點(diǎn)位置uCEiCOQA(3)

甲乙類放大電路

a.靜態(tài)功耗較小b.能量轉(zhuǎn)換效率較高c.輸出失真較大特點(diǎn)

d.放大管的導(dǎo)通角π<θ<2πωtiC3π2πO3πICQπ<<2π集電極電流波形靜態(tài)工作點(diǎn)位置uCEiCOQA思考題1.功率放大器的作用是什么？對它有那些要求？它與電壓放大電路有哪些區(qū)別？2.試說明甲類、乙類和甲乙類功率放大器各自的主要特點(diǎn)。二.互補(bǔ)推挽功率放大電路電路特點(diǎn)(1)晶體管T1、T2特性對稱(2)電源對稱(3)T1、T2射極輸出1.

乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_(1)工作原理a.當(dāng)ui=0時(shí)設(shè)ui=UimsintT1、T2截止UA=0uo=0靜態(tài)功耗為零RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_Ab.ui>0時(shí)T1導(dǎo)通T2截止輸入信號ui輸出信號uo電流io方向uo≈ui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuo_Ac.ui<0時(shí)T2導(dǎo)通T1截止輸入信號ui輸出信號uo電流io方向uo≈uiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuo+_A乙類互補(bǔ)推挽電路工作情況T1通T2通Uopp=2(VCC

–

UCES)uCEQtiCOiCuCEOUopp(2)主要指標(biāo)計(jì)算

輸出功率設(shè)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_當(dāng)忽略三極管的飽和壓降UCES時(shí)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_當(dāng)Uom達(dá)到最大值(VCC–

UCES)時(shí)電源供給的功率平均集電極電流IC(AV)為RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_兩個(gè)電源供給的總電源功率

能量轉(zhuǎn)換效率RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_當(dāng)時(shí)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_晶體管的耗散功率令RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_最大管耗為

即當(dāng)輸出電壓幅值為

晶體管的管耗最大每只管子的最大管耗為

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_[例]電路如圖所示，已知電源電壓VCC=15V，RL=8W。輸入信號是正弦波。問：(a)假設(shè)UCES=0V時(shí)，負(fù)載可能得到的最大輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率最大值分別是多少？(b)當(dāng)輸入信號ui=10sinwtV時(shí)，求此時(shí)負(fù)載得到的功率和能量轉(zhuǎn)換效率。RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_[解](a)

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_(b)對每半個(gè)周期來說，電路可等效為共集電極電路，所以Au≈1uo=ui=10sinwtUom=10V故當(dāng)ui小于晶體管的死區(qū)電壓時(shí)，T1、T2都截止。(3)電路存在的主要缺陷a.產(chǎn)生失真的原因晶體管存在死區(qū)電壓b.失真的現(xiàn)象輸出電流出現(xiàn)一段“死區(qū)”RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_存在交越失真OtiCiBuBEOuitO交越失真在兩個(gè)管子交替工作區(qū)域出現(xiàn)的失真稱為交越失真輸入信號輸出信號交越失真的產(chǎn)生(4)克服交越失真的常用方法給功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微導(dǎo)通狀態(tài)，即甲乙類工作狀態(tài)。2.甲乙類互補(bǔ)推挽電路(1)利用二極管提供偏壓二極管提供偏壓，使T1、T2呈微導(dǎo)通狀態(tài)D1RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2T3D2uo+_RERCVCC(2)利用擴(kuò)大電路實(shí)現(xiàn)偏置圖中RLT1ui+_+VCC_T2uo+_T3R1R2R3R4VCC(1)

當(dāng)ui=0

時(shí)2.工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2輸出電壓uo=01.電路組成9.2.3

單電源功率放大電路D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC(2)當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)T1導(dǎo)通，T2截止電容C同時(shí)充電uB1信號為正半周uB1uB2輸出信號為正半周D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuCT1截止，T2導(dǎo)通電容C放電uB2信號為負(fù)半周uB1uB2(3)當(dāng)ui為正半周時(shí)輸出信號為負(fù)半周D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC注意：電容C起負(fù)電源–VCC的作用每只管子的工作電壓變成了VCC/2，在計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，電源電壓要用VCC/2。D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC1.電路組成9.2.4

前置級為運(yùn)放的功率放大電路AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC電路引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋，提高了電路的穩(wěn)定性。AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC2.電路的閉環(huán)電壓增益Auf≈－R2/R1·AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC思考題1.

乙類互補(bǔ)推挽功率放大器產(chǎn)生交越失真的原因是什么？怎樣克服交越失真？三.

功率器件與散熱9.3.1

雙極型功率晶體管（BJT）1.功率管的選擇(1)

PCM≥0.2Pom

(2)|U(BR)CEO|>2VCC(3)

ICM＞VCC/RC三.

功率器件與散熱在互補(bǔ)推挽功率放大電路中,功率管的極限參數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系2．二次擊穿的影響iCuCEOBA二次擊穿一次擊穿S/B曲線二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿臨界曲線iCuCEO1.

V型NMOS管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剖面圖9.3.2

功率MOSFET

s源極g柵極金屬源極SiO2溝道溝道外延層襯底d漏極_N

+PPNN

+N

+2.

V型NMOS管的主要特點(diǎn)(1)開關(guān)速度高(2)驅(qū)動(dòng)電流小(3)過載能力強(qiáng)(4)易于并聯(lián)IGBT等效電路dT1gsRT2IGBT電路符號gsdT9.3.3

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的主要特點(diǎn)：(1)輸入阻抗高(2)工作速度快(3)通態(tài)電阻低(4)阻斷電阻高(5)承受電流大兼顧了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的重要方向。外殼c集電結(jié)j散熱器sR(th)jcR(th)csR(th)sa環(huán)境a9.3.4

功率器件的散熱晶體管的散熱示意圖導(dǎo)電回路（電路）散熱回路（熱路）參量符號單位參量符號單位電壓UV溫差ΔToC電流IA最大允許功耗PCMW電阻RΩ熱阻RToC/W功率器件的散熱分析方法導(dǎo)電回路和散熱回路參數(shù)對照表電——熱模擬法,即用電路來模擬功率器件的散熱回路。Tj——集電結(jié)的結(jié)溫Tc

——功率管的殼溫Ts

——散熱器溫度Ta

——環(huán)境溫度Rjc

——集電結(jié)到管殼的熱阻Rcs——管殼至散熱片的熱阻Rsa

——散熱片至環(huán)境的熱阻散熱等效熱路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM散熱回路的總熱阻為最大允許功耗TajCMRTTP-=TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM練習(xí)題[例1]乙類互補(bǔ)推挽功放電路如圖所示。已知ui為正弦電壓，RL=8W，要求最大輸出功率為16W。假設(shè)功率管T1和T2特性對稱，管子的飽和壓降UCES=0。試求：T1T2RL+VCCVCC__+uoui正、負(fù)電源VCC的最小值；當(dāng)輸出功率最大時(shí)，電源供給的功率；(3)當(dāng)輸出功率最大時(shí)的輸入電壓的有效值。

[解](1)由于電路的最大輸出功率所以電源電壓(2)當(dāng)輸出功率最大時(shí)，電源供給的功率T1T2RL+VCCVCC__+uouiVCC≥(3)因?yàn)檩敵龉β首畲髸r(shí)，輸出電壓的幅值為所以輸入電壓的有效值為T1T2RL+VCCVCC__+uouiR1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1[例2]在圖示電路中，已知運(yùn)放性能理想，其最大的輸出電流、電壓分別為15mA和15V。設(shè)晶體管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。試問:(1)該電路采用什么方法來減小交越失真?R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1(2)如負(fù)載RL分別為20W

、10W時(shí)，其最大不失真輸出功率分別為多大?

(3)為了使不失真輸出功率達(dá)到最大，其電路的最佳負(fù)載RLopt

及此時(shí)的最大輸出功率Pom

；R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1(4)功放管T1

和T2的極限參數(shù)PCM、

ICM

和|U(BR)CEO|應(yīng)選多大?

[解](1)在電路即將導(dǎo)通瞬間，電路中各支路中的電流為零。這時(shí)R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1故在晶體管即將導(dǎo)通的瞬間，uO1等于其死區(qū)電壓UBE(th)。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1故電路的死區(qū)電壓Ui(th)為R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uO+VCC-VCCiO1uIAuO1

T1和T2均未導(dǎo)通當(dāng)時(shí)

T1或T2導(dǎo)通可見，由于運(yùn)放的Auo很大，與未加運(yùn)放的乙類推挽功放電路相比，輸入電壓的不靈敏區(qū)減小了，從而減小了電路的交越失真。即當(dāng)時(shí)≤(2)由圖可知，功放電路的最大輸出電流為R1R2R