模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第8-9章 信號(hào)發(fā)生器 課件

8

信號(hào)發(fā)生器

發(fā)生器按產(chǎn)生的波形特點(diǎn)可分為正弦波信號(hào)發(fā)生器非正弦波信號(hào)發(fā)生器8.1

正弦波信號(hào)發(fā)生器8.1.1

正弦波自激振蕩的基本原理正弦波信號(hào)發(fā)生器是按照自激振蕩原理構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器常稱為振蕩器1．產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件.正反饋網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié).XoA·F·.XidXf自激振蕩原理方框圖輸入Xid.反饋Xf=FXo...輸出Xo=AXid...放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·如果Xf=Xid..可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號(hào)正反饋工作原理由·..·····及知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為

··輸入Xid.反饋Xf=FXo...輸出Xo=AXid...放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·如果Xf=Xid..(1)幅度平衡條件

(2)相位平衡條件

上式可分解為····式中一個(gè)振蕩器，只在振蕩頻率f0時(shí)滿足相位平衡條件。平衡條件討論a.相位平衡條件在電路中應(yīng)包含選頻網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·.Xf.Xid.Xo若,則電路減幅振蕩，最后停止振蕩。若，電路增幅振蕩。b.幅度平衡條件AF=1是維持等幅振蕩的唯一條件放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·.Xf.Xid.Xo2．振蕩的建立與穩(wěn)定

振蕩電路的起振條件：A·F·>1AF>1··AF=1只能維持振蕩，但不能建立振蕩。A·F·>1輸出幅值越來(lái)越大，最后出現(xiàn)非線性失真。放大電路中還應(yīng)包含穩(wěn)幅環(huán)節(jié)A反饋特性幅度特性F太小自激振蕩電路的建立過程（線性反饋）幅度特性B幅度特性非線性反饋非線性反饋AF=1AF>1起振維持振蕩自激振蕩電路的起振過程3．正弦波信號(hào)發(fā)生器組成放大環(huán)節(jié)正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成4.正弦波信號(hào)發(fā)生器的分類根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分為RC型振蕩器LC型振蕩器晶體振蕩器1．文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩電路移相式振蕩電路主要類型雙T網(wǎng)絡(luò)式振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路8.1.2

RC型正弦波信號(hào)發(fā)生器Uo·RRCCAR1R2–+2．RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性圖中選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1Z2–RRCCUo·Uf·++–Uo·RRCCAR1R2–+反饋系數(shù)···Z1Z2–RRCCUo·Uf·++–令·由此可得F的幅頻特性與相頻特性·即···幅頻特性當(dāng)

0時(shí)，F(xiàn)0當(dāng)

時(shí),F0當(dāng)

=

0時(shí),F=Fmax=1/3f031/Ff0幅頻特性曲線幅頻特性分析相頻特性當(dāng)

0時(shí)，

F90當(dāng)

時(shí),

F

–90當(dāng)

=

0時(shí),

F

0

0jff0相頻特性曲線f031/Ff0幅頻特性曲線

F=0

，且反饋?zhàn)顝?qiáng)可見，當(dāng)

=

0時(shí)相頻特性分析3．工作原理

(1)當(dāng)f=時(shí)(3)振蕩頻率與同相位Uo·Uf·

的幅值最大Uf·=/3Uo·Uf·(2)當(dāng)≥3時(shí)，滿足振蕩條件。Uo·RRCCAR1R2–+A4．穩(wěn)幅措施

(1)利用二極管穩(wěn)幅RRCCARWD1D2R1Uo?+–Rt為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(2)利用非線性熱敏電阻穩(wěn)幅RRCCARWUo?Rt–+a.用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)8.1.3

LC型正弦波信號(hào)發(fā)生器b.主要用來(lái)產(chǎn)生1MHz以上的高頻信號(hào)主要特點(diǎn)c.頻率穩(wěn)定性較好按照反饋方式分為變壓器反饋式電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式LC型正弦波信號(hào)發(fā)生器類型1．LC并聯(lián)諧振回路RCLZ+–····O|Z|ff0Ojff0Q大Q小Q大Q小阻抗頻率特性相頻特性(1)

諧振頻率

(2)

諧振時(shí)的等值電阻R0

(3)

電路的品質(zhì)因數(shù)RCLZ+–····2．選頻放大電路

當(dāng)f=f0（

LC并聯(lián)諧振頻率）時(shí)(1)輸出電壓幅值最大(2)輸出與輸入電壓反相工作原理放大電路只對(duì)諧振頻率f0的信號(hào)有放大作用LC并聯(lián)諧振電路C++LT+··++––3．變壓器反饋式LC振蕩電路

+T+N1N2N3正反饋的判斷(1)相位條件判斷的方法——瞬時(shí)極性法判斷的步驟b.

斷開反饋回路a.

假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振+T+N1N2N3c.

加入瞬時(shí)極性為輸入電壓Ui·d.輸出電壓Uo極性為·

·Ui·Uo+T+N1N2N3e.反饋電壓極性Uf為

·f.判斷是否滿足相位平衡條件構(gòu)成正反饋滿足相位平衡條件

·Ui·Uo+T+N1N2N3·Uf+_(2)起振條件因?yàn)?T+N1N2N3合理地選擇電路參數(shù)，及變壓器的變比，可使AF>1,滿足起振條件。(3)振蕩頻率(4)

電路的特點(diǎn)a.調(diào)節(jié)N2方便，起振容易。LL'+T+N1N2N3g.受變壓器分布參數(shù)的限制，振蕩頻率不能很高。b.振蕩頻率高。c.電路的品質(zhì)因數(shù)高。e.頻率穩(wěn)定性高。d.輸出波形好。f.體積、重量大。LL'+T+N1N2N34．電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路

C+T+N2N1L1L2振蕩電路的交流通路C+T+N2N1L1L2TL1RB1//RB2L2CTL1L2C忽略RB1//RB2簡(jiǎn)化的交流通路線圈的三個(gè)端子分別與T的三個(gè)電極B、C、E相連接，故稱之為電感三點(diǎn)式振蕩電路。TL1RB1//RB2L2C(1)相位平衡條件的判斷b.

斷開反饋回路a.

假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振TL1L2C

·Ui·Uo相量圖c.

加入瞬時(shí)極性為輸入電壓Ui·d.輸出電壓Uo極性為···UoTL1L2C+_+_·Ui·Uo相量圖ICL··f.電壓Uf超前ICL90°·ICL·Uf·Uf與Ui同相，滿足相位平衡條件··e.電流ICL超前Uo90°··Uf·

+_··UoTL1L2C+_+_(2)幅度條件Uf·+_TL1L2C由于反饋信號(hào)Uf取自電感L2，改變電感中間抽頭位置，調(diào)整反饋強(qiáng)弱，容易滿足幅度條件。M為線圈L1與L2之間的互感

(3)諧振頻率式中TL1L2C(4)電路特點(diǎn)

a.電感L1與L2之間耦合很緊，容易起振。b.輸出波形中含有高次諧波，波形較差。Uf·TL1L2C5.電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路

+T+L電容器的三個(gè)端子分別與T的三個(gè)電極相連接，故稱之為電容三點(diǎn)式振蕩電路。交流通路+T+LTLTL簡(jiǎn)化的交流通路TLb.

斷開反饋回路a.

假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振(1)相位平衡條件的判斷TLc.

加入瞬時(shí)極性為輸入電壓Ui·

·相量圖·Ui·UoTL·Uod.輸出電壓

Uo極性為··Ui·UoILC·ILC·f.電壓Uf滯后ILC90°··Uf·Uf與Ui同相，滿足相位平衡條件··e.電流ILC滯后Uo90°··相量圖Uf·

·TL·Uo+_(2)幅度條件反饋電壓取自C2，改變C1/

C2，調(diào)整反饋強(qiáng)弱和電路的放大倍數(shù)，容易滿足幅度條件。Uf·TL(3)諧振頻率TL(4)電路特點(diǎn)a.容易起振。c.輸出波形中高次諧波少，波形好。c.改變電容時(shí)，容易停振。TLb.振蕩頻率高。改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路諧振頻率L+T+1.

石英晶體的基本特性與等效電路(a)各向異性(b)具有壓電效應(yīng)8.1.4

晶體振蕩器(1)壓電效應(yīng)a.石英晶體的基本特性當(dāng)交變電壓的頻率等于晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率時(shí)，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。當(dāng)在晶片的兩電極之間加交變電壓時(shí)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)。壓電諧振壓電效應(yīng)在晶片的兩側(cè)施加壓力，又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。在晶片的兩面之間加電場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。b.石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)厍衅可香y層涂上銀層引出兩個(gè)電極引出兩個(gè)電極加裝上外殼電路符號(hào)(2)等效電路和諧振頻率R——

等效晶片振動(dòng)時(shí)內(nèi)部的摩擦損耗等效電路C0——

兩金屬電極間形成的靜電電容L——

等效晶片振動(dòng)時(shí)的慣性C——

等效晶片振動(dòng)時(shí)的彈性RCLC0電路特點(diǎn)a.L很大，C和R很小。b.Q很高，達(dá)104～106。c.

頻率穩(wěn)定度（Δf/f0）很高。

三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度RC振蕩器

10–2LC振蕩10–3~10–4石英晶體振蕩10–9～10–11RCLC0當(dāng)忽略R時(shí)，電抗XRCLC0串聯(lián)諧振頻率

當(dāng)f<fs時(shí)，X<0，電路呈容性。當(dāng)f>fs時(shí)，X>0，電路呈感性。a.當(dāng)1–

2LC=0時(shí)，X=0電路發(fā)生串聯(lián)諧振XRCLC0討論并聯(lián)諧振頻率X=∞b.當(dāng)j

(C0+C–

2LCC0)=0時(shí)電路發(fā)生并聯(lián)諧振XRCLC0由于C<<C0故XRCLC0電抗——頻率特性fXO感性容性fsfp由式畫出石英晶體振蕩器的電抗——頻率特性可見a.當(dāng)fs<f<fp時(shí)，電路呈感性。b.當(dāng)f<fs或f

>fp時(shí)，電路呈容性。2．石英晶體振蕩電路(1)并聯(lián)型晶體振蕩器

晶體呈感性諧振頻率T+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CB交流等效電路T+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CBCTRLREC1C2C0RC諧振頻率式中由于故CTRLREC1C2C0RC(2)串聯(lián)型晶體振蕩器諧振頻率CBC+R+T1T2RE2RC1RB1RB2uo+VCCRE1+–思考題1.

在正弦波發(fā)生器中，如果沒有選頻網(wǎng)絡(luò)或沒有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，那么電路將分別會(huì)出現(xiàn)什么情況？2.

電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路相比，哪個(gè)電路輸出的波形更好，為什么？8.2

非正弦波信號(hào)發(fā)生器主要組成部分(1)具有開關(guān)特性的器件（如電壓比較器、BJT等）(2)反饋網(wǎng)絡(luò)主要作用——產(chǎn)生高、低電平。主要作用——將輸出電壓適當(dāng)?shù)胤答伣o開關(guān)器件使之改變輸出狀態(tài)。(3)延時(shí)環(huán)節(jié)主要作用——實(shí)現(xiàn)延時(shí)，以獲得所需要的振蕩頻率。主要特點(diǎn)振蕩條件比較簡(jiǎn)單，只要反饋信號(hào)能使比較電路狀態(tài)發(fā)生變化，即能產(chǎn)生周期性的振蕩。8.2.1

方波發(fā)生器

1.電路組成RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–延遲環(huán)節(jié)遲滯比較器RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–2工作原理設(shè)t=0時(shí)uC(0)=0uO=+UZ則=+FUZRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–uC按指數(shù)規(guī)律上升a.

當(dāng)t>0時(shí)電容C充電uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZiCuO、uC波形圖uO=+UZRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–b.

當(dāng)uC>FUZ時(shí)uOuCuR=–

FUZuO=–UZ-FUZ+FUZOtuO,uC+UZ-UZuO、uC波形圖iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–c.當(dāng)uO=–UZ時(shí)uR=–FUZuOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuO、uC波形圖uC按指數(shù)規(guī)律下降電容C放電iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–d.當(dāng)uC<–FUZ時(shí)uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuO、uC波形圖UR=FUZuO=UZiCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–e.當(dāng)uO=+UZ時(shí)UR=FUZuOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuO、uC波形圖uC又按指數(shù)規(guī)律上升電容C又充電iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuO、uC波形圖uO為方波iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–根據(jù)三要素法3.主要參數(shù)計(jì)算如果選定時(shí)間起點(diǎn)為t2，那么tOuOuCt1t2+UZ-UZ+FUZ-FUZuO,

uC振蕩頻率由此得電路的振蕩周期當(dāng)t=T/2時(shí)即tOuOuCt1t2+UZ-UZ+FUZ-FUZuO,

uC振蕩頻率[例1]對(duì)圖示電路如何改進(jìn)，可改變信號(hào)占空比？RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–[答]如果將方波信號(hào)發(fā)生器中的電容C的充電和放電回路分開,使充電和放電的時(shí)間常數(shù)不相等，即可改變信號(hào)的占空比。改進(jìn)電路AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D2[例2]在圖示電路中，如果電阻R+>R

，輸出波形的占空比是大于還是小于50%？[答]如果電阻R+>R

，那么，電容C的充電時(shí)間將大于放電時(shí)間，輸出波形的占空比大于50%。AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D28.2.2

三角波和鋸齒波發(fā)生器1．電路組成遲滯比較器積分器uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+圖中2．工作原理

uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+(1)當(dāng)時(shí)輸出電壓電容C充電uO隨時(shí)間線性下降設(shè)uC(0)=0波形圖tuO,uO1OuOuO1UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+(2)當(dāng)時(shí)令tuO,uO1OuOuO1UZ–UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+得uO1翻轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓波形圖(3)當(dāng)uB<0時(shí)電容器放電輸出電壓uO隨時(shí)間線性上升–UZtuO,uO1OuOuO1UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+波形圖令(4)當(dāng)uB>0時(shí)tuO,uO1OuOuO1UZ–UZ波形圖得uO1翻轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+tuO,uO1OuOuO1UZ–UZ波形圖uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+uO1——方波uO——三角波輸出波形(1)輸出電壓幅值3.主要參數(shù)計(jì)算(a)三角波幅值(b)方波幅值tuO,uO1OuOuO1UZ–UZ(2)振蕩頻率三角波從零上升到Uom的時(shí)間是T/4由圖可知uO1t+UZOuOO+Uomt–Uom–UZ由于故電路的振蕩周期振蕩頻率R+R–D1D2(a)(b)[答]輸出波形上升和下降的斜率不等。uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+[例3]如果用圖(a)示電路替代圖(b)示電路的電阻R，那么輸出電壓uO的波形如何變化？tOuO替代RR+R–D1D2[例4]在上圖示電路中，如果電阻R+>R

，畫出輸出電壓的波形。[解]輸出信號(hào)的波形如右圖示。uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+uC–+

8.2.3

壓控振蕩器uO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US1.原理圖圖中模擬開關(guān)S受控于uOa.當(dāng)uO=+UZ時(shí)，開關(guān)S接通+U。b.當(dāng)uO=–UZ時(shí)，開關(guān)S接通–U。(1)工作原理圖中uO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US(a)當(dāng)時(shí)U通過R向C充電S接電源+UuO1隨時(shí)間線性下降設(shè)uC(0)=0+–uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US(b)當(dāng)uB<0時(shí)電容反向充電開關(guān)S接–UuO1隨時(shí)間線性上升uO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US(c)當(dāng)uB>0時(shí)電容又正向充電S又接UCuO1又隨時(shí)間線性下降+–uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+USuOC+–uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+-U+USuO1——三角波uO——

輸出方波輸出波形(2)振蕩波形圖(3)振蕩頻率tt0uO0+UZt1t2-UZuO1t1t2振蕩波形圖而由波形圖知當(dāng)時(shí)故由得f0∝U，實(shí)現(xiàn)了電壓控制振蕩頻率的目的。一種壓控振蕩電路電子模擬開關(guān)UD1RFuO3RRD2uO1RA2A1R1R3uODZ–+–+A3–+A4–+uO4CR2[例1]電路如圖所示，圖中運(yùn)放A和二極管D1、D2都是理想器件，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值為UZ。試證明調(diào)節(jié)電位器RW改變矩形波占空比時(shí)，周期T將保持不變。練習(xí)題A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC[解]由題意，畫出uO和uC的波形如下圖示。其中波形圖T1T2TUZ–UZUF–UFtuOuCOuO,uCA+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC當(dāng)uO=UZ時(shí)，uO通過D1對(duì)電容充電當(dāng)uO=–UZ時(shí)，電容通過D2放電

可見，在改變RW滑動(dòng)端位置時(shí)，T保持不變。振蕩周期

為常數(shù)

A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC[例2]在圖示矩形波發(fā)生電路中，理想運(yùn)放的最大輸出電壓Uomax=12V，最小的輸出電壓Uomin=0V。(a)畫出輸出電壓uO和電容電壓uC的波形；(b)求出uC的最大值和最小值;(c)當(dāng)UR的大小超出什么范圍時(shí)，電路將不再產(chǎn)生矩形波？uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR[解](a)方波發(fā)生器的輸出電壓只有高、低兩種電平，電容C隨輸出電壓的極性進(jìn)行充電或放電。當(dāng)uC大于運(yùn)放同相端電位u+時(shí)，輸出為低電平；反之，輸出為高電平。uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCURt015012uO/VuC/Vt輸出電壓uO和電容電壓uC的波形圖uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR(b)由圖可知，運(yùn)放同相端電位的最大值和最小值，即為uC的最大值和最小值。

對(duì)于同相端，由KCL得當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR(3)如果Ucmax<U+max，或Ucmin>U+min，電路不能產(chǎn)生方波。Ucmax=Uomax/2=6VUcmin=Uomin/2=0V由圖可知由知當(dāng)UR>3U+max–UOmax=6V或UR<3U+min–UOmin=0V時(shí)電路不能產(chǎn)生方波uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR[例3]圖示電路為一壓控振蕩器。設(shè)輸入電壓0<UI<6V，運(yùn)放A1、A2為理想器件；二極管D的正向壓降為0.6V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓為±6V，它們的其它性能理想。+_+_A1A2(a)運(yùn)算放大器A1、A2各組成什么電路？(b)畫出uO1

和uO

波形；(c)寫出振蕩頻率f0

與輸入電壓UI的函數(shù)關(guān)系式。+_+_A1A2[解](a)A1構(gòu)成反相輸入積分電路，A2構(gòu)成同相輸入比較電壓比較器。+_+_A1A2(b)當(dāng)uO＝6V時(shí)，二極管D截止，電容C充電，uO1隨時(shí)間負(fù)向線性增大。

當(dāng)運(yùn)放A2的同相端電位u2+過零時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，uO=–6V。+_+_A1A2當(dāng)uO=–6V時(shí)，D導(dǎo)通，uO被強(qiáng)制為0.6V。C迅速放電，uO1快速正向增大。當(dāng)u2+再次過零時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，uO=6V，二極管截止，電容C充電，uO1隨時(shí)間線性下降。周而復(fù)始，形成周期性振蕩。+_+_A1A2由圖可知，運(yùn)放A2同相端電位令u2+=0得+_+_A1A2由式知當(dāng)uO＝6V時(shí)，uO1＝–5V，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)uO＝0.6V時(shí)，uO1＝–0.5V，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。tt00–5–0.60.56uO1/VT1uO/VTuO1和uO的波形(c)由于二極管的導(dǎo)通電阻很小，電容放電時(shí)間極短，所以，T

T1。tt00-5-0.60.56uO1/VT1uO/VT+_+_A1A2由于當(dāng)時(shí)，電容充電結(jié)束，此時(shí)故電路的振蕩頻率9.1

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9

功率放大電路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

集電極電流波形大a.靜態(tài)功耗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(duì)它有那些要求？它與電壓放大電路有哪些區(qū)別？2.試說(shuō)明甲類、乙類和甲乙類功率放大器各自的主要特點(diǎn)。9.2

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(duì)稱(2)電源對(duì)稱(3)T1、T2射極輸出9.2.1

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=Uimsin

tT1、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(hào)ui輸出信號(hào)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(hào)ui輸出信號(hào)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)uCEQtiCOiCuCEOUopp2.主要指標(biāo)計(jì)算

(1)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)(2)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

(3)能量轉(zhuǎn)換效率

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_當(dāng)時(shí)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_(4)

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(hào)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(hào)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(duì)每半個(gè)周期來(lái)說(shuō)，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(hào)輸出信號(hào)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)。9.2.2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+_RERCVCC2.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(hào)為正半周uB1uB2輸出信號(hào)為正半周D1RLT1ui+_+VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuCT1截止，T2導(dǎo)通電容C放電uB2信號(hào)為負(fù)半周uB1uB2(3)當(dāng)ui為正半周時(shí)輸出信號(hào)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(jí)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？2.前置級(jí)為運(yùn)放的功率放大電路交越失真很小，為什么？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/RC9.3

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(hào)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(hào)單位參量符號(hào)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(duì)照表電——熱模擬法,即用電路來(lái)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(duì)稱，管子的飽和壓降UCES=0。試求：T1T2RL+VCCVCC__+uoui(1)正、負(fù)電源VCC的最小值；(2)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