低頻功率放大器課件PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1低頻功率放大器課件低頻功率放大器課件L M Ma2 在多路放大電路末級(jí)、集成功率放大器、集成運(yùn)算放大器等模擬集成電路的輸出級(jí)，往往要求有較高的輸出功率或要求具有較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍以驅(qū)動(dòng)下一級(jí)負(fù)載,如音箱等。4.1、 概述概述這類主要用于向負(fù)載提供功率的放大電路稱為功率放大電路。第1頁/共75頁L M Ma34.1.1 功率放大器的主要指標(biāo)功率放大器的主要指標(biāo) 1. 輸出功率輸出功率Po 功率放大器應(yīng)在輸出不失真的情況下給出最大的交流輸出功率Po以推動(dòng)負(fù)載工作。為此，功放管一般工作在大信號(hào)狀態(tài), 以不超過管子的極限參數(shù)（ICM、BVCEO、PCM）為限度。這就使功放管安全工作成為功率放大

2、器的重要問題。 第2頁/共75頁L M Ma4 2. 效率效率 功率放大器的效率定義為功率放大器的輸出信號(hào)功率Po直流電源供給功率放大器功率PE之比, 用表示，即：100%oEpp功率放大器要求高效率地工作，一方面是為了提高輸出功率，另一方面是為了降低管耗。直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號(hào)功率以外，剩余部分變成晶體管的管耗PC(PC=PE-Po)。 管耗過大將使功率管發(fā)熱損壞。所以，對(duì)于功率放大器，提高效率也是一個(gè)重要問題。第3頁/共75頁L M Ma5 3. 非線性失真非線性失真 功率放大器為了獲得足夠大的輸出功率，需要大信號(hào)激勵(lì)， 從而使信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍往往超出晶體管的線性區(qū)域，導(dǎo)致

3、輸出信號(hào)失真。因此減小非線性失真，成為功率放大器的又一個(gè)重要問題。 概括起來說，要求功率放大器在保證晶體管安全運(yùn)用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。 第4頁/共75頁L M Ma6由于功率放大電路的輸出電壓和輸出電由于功率放大電路的輸出電壓和輸出電流都很大，信號(hào)作用的范圍進(jìn)入了晶體流都很大，信號(hào)作用的范圍進(jìn)入了晶體管特性的非線性區(qū)，所以在分析時(shí)不可管特性的非線性區(qū)，所以在分析時(shí)不可再用再用微變等效電路微變等效電路，而應(yīng)，而應(yīng)采用圖解法采用圖解法。第5頁/共75頁L M Ma7 放大電路按三極管在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的不同，可分為甲類、乙類以及甲乙類放大。

4、 功率放大電路類型很多，目前電子電路中廣泛采用乙類（或者甲乙類）互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。第6頁/共75頁L M Ma8 在一個(gè)周期內(nèi)，管子只有半個(gè)周期有電流流通的，稱為乙類放大。 在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)，管子都有電流流通的，稱為甲類放大。 若一個(gè)周期內(nèi)有半個(gè)多周期內(nèi)有電流流通，則稱為甲乙類放大。t0icT(a)t0icT(b)T2T2t0ic(c)T2T2t0ic(d)T2T2圖 4 - 1放大器工作狀態(tài)的類型（a） 甲類; （b） 乙類; （c） 甲乙類; （d） 丙類 若一個(gè)周期內(nèi)有小于半個(gè)多周期內(nèi)有電流流通，則稱為丙類放大。第7頁/共75頁L M Ma9 甲類放大的優(yōu)點(diǎn)是波形失真小，但由于靜

5、態(tài)工作點(diǎn)電流大，故管耗大，放大電路效率低，所以它主要用于小功率放大電路中。 乙類與甲類放大由于管耗小，放大電路效率高，在功率放大電路獲得廣泛應(yīng)用。由于乙類與甲乙類放大輸出波形失真嚴(yán)重，所以在實(shí)際電路中均采用兩管輪流導(dǎo)通的推挽電路來減少失真。 前面所討論的放大電路主要用于增大電壓幅度（通常稱為電壓放大電路），一般輸入、輸出信號(hào)幅度都比較小，故均采用甲類放大。第8頁/共75頁L M Ma104.2.1 乙類推挽功率放大器的工作原理乙類推挽功率放大器的工作原理4.2.2 乙類推挽功率放大器的分析計(jì)算乙類推挽功率放大器的分析計(jì)算4.2.3 乙類推挽功率放大器的非線性失真乙類推挽功率放大器的非線性失真4

6、.2 互補(bǔ)推挽功率放大器互補(bǔ)推挽功率放大器第9頁/共75頁L M Ma11一.一.電路和工作原理電路和工作原理 OCL(Output Capacitor Less，無輸出電容)互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路，簡稱OCL電路， 如圖所示。4.2.1 、 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路OCL互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路（互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路（OCL電路）電路）RLV1V2UEC CU1Oi2OiOu1Ci2CiC CUiuOCL電路第10頁/共75頁L M Ma12 靜態(tài)，即ui=0時(shí)，由于兩管特性對(duì)稱，供電電源對(duì)稱， 兩管射極電位UE=0，V1、V2均截止，電路中無功率損耗,此時(shí)電路不消耗功率。RLV1V2

7、UECCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiu兩個(gè)三極管的靜態(tài)電流均為0。這種只在信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的工作狀態(tài)稱為乙類工作狀態(tài)。 動(dòng)態(tài)時(shí)：忽略發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓，在ui的正半周內(nèi)，V1導(dǎo)通，V2 截止。V1以射極輸出器的形式將正方向的信號(hào)變化傳遞給負(fù)載。電流方向如圖中實(shí)線箭頭所示。工作原理:第11頁/共75頁L M Ma13由于V1、V2管輪流導(dǎo)通，相互補(bǔ)足對(duì)方缺少的半個(gè)周期，RL上仍得到與輸入信號(hào)波形相接近的電流和電壓。故稱這種電路為乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。又因?yàn)殪o態(tài)時(shí)公共發(fā)射極電位為零，不必采用電容耦合，故又簡稱OTL電路。在正半周期，V1導(dǎo)通，V2截止最大輸出電壓幅度受V1管飽和的限制，約為

8、+UCC。在負(fù)半周期，V2導(dǎo)通，V1截止。V2以射極輸出器的形式將負(fù)方向的信號(hào)變化傳遞給負(fù)載。電流方向如圖中虛線箭頭所示。最大輸出電壓幅度受V2管飽和的限制，約為 -UCC。 RLV1V2UECCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiu第12頁/共75頁L M Ma14t0t0iu1Ci0t2Cit0Oit0Ou第13頁/共75頁L M Ma15在如圖電路中，盡管兩只三極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通（工作在乙類狀態(tài)），但它們交替工作，使負(fù)載得到完整的信號(hào)波形。 這種形式稱為“互補(bǔ)”。 射極輸出器輸出電阻很低，所以，互補(bǔ)對(duì)稱放大電路具有較強(qiáng)的負(fù)載能力，即它能向負(fù)載提供較大的功率，實(shí)現(xiàn)功率放大作用，所以

9、又把這種電路稱為乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。第14頁/共75頁L M Ma16 該電路的特點(diǎn)是：電路簡單，效率高，低頻響應(yīng)好，易集成化。缺點(diǎn)是：電路輸出的波形在信號(hào)過零的附近產(chǎn)生失真（見圖 (b)）。由于三極管輸入特性存在死區(qū)，在輸入信號(hào)的電壓低于導(dǎo)通電壓期間（-0.7V0.7V），V1和V2都截止， 輸出電壓為零，出現(xiàn)了兩只三極管交替波形銜接不好的現(xiàn)象, 故出現(xiàn)了圖 （b）中的失真，這種失真稱為“交越失真?！?. 輸出功率和效率輸出功率和效率 在OCL電路中, 每只三極管集電極靜態(tài)電流為零, 因而該電路效率高。 第15頁/共75頁L M Ma17 1） 輸出功率Po 當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，每只三極

10、管只在半周期內(nèi)工作， 忽略交越失真，并設(shè)三極管飽和壓降UCES=0，在UomUCC時(shí)輸出電壓幅度最大。最大交流輸出功率為: 21122222omomomomomomoooomLLUUIUIUPU IURR式中，Iom為集電極交流分量電流最大值，Uom為三極管c、 e極間交流電壓最大值。其中()ommCCCE satCCUUUU212ccomLUPR第16頁/共75頁L M Ma182）每個(gè)直流電源提供的功率12DCCCCCCCPUIUI兩個(gè)直流電源提供的總功率12122OmDCCCCCCCCCCCCLUPUIUIUIUR12001sin()cos22cmcmCCcmIIIIItdtt其中222

11、CCCCDCmCCLLUUPURR第17頁/共75頁L M Ma193） 效率OCL電路的效率為 ODCPP其中， Po為電路輸出功率，PDC為直流電源提供的功率。OCL電路最高效率為2122omoLomDCCCLUPRUPUR21278.5%24CCoLmCCDCCCLUPRUPUR第18頁/共75頁L M Ma20 4)管耗: 直流電源送入電路的功率，一部分轉(zhuǎn)化為輸出功率， 另一部分則損耗在三極管中。 21211 21()()()2224omomomCComCCDCoCCLLLUUUUUPPPPURRR111120,2CCComomCCComLLdPUUUUPdURR當(dāng)時(shí) 即時(shí)達(dá)到最大值2

12、122CCC mC mLUPPR第19頁/共75頁L M Ma21 3、 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的非線性失真乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的非線性失真 1）乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路對(duì)偶次諧波的抑制電路對(duì)偶次諧波的抑制 在推挽放大器中, 若兩管的特性完全一致, 那么它們的電流、電壓波形完全對(duì)稱，這樣, iC1、iC2可分別寫成iC2=I0+Icm1cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2+2)+Icmncos(n1t+n)+ iC1=I0+Icm1 cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2)+Icmncos(n1t+n)+第20頁/共75頁L M Ma22iL=iC1-iC2=2

13、Icm1cos(1t+1)+2Icm3cos(31t+3)+可見輸出電流（或電壓）中沒有偶次諧波成分, 即推挽電路可以抑制偶次諧波。 實(shí)際上由于兩管特性的差異及電路的不完全對(duì)稱, 輸出電流（或電壓）中總會(huì)有些偶次諧波成分, 這就要求盡量精選配對(duì)管子, 減小非線性失真。 第21頁/共75頁L M Ma23在乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大器中，由于V1、V2管沒有基極偏流，靜態(tài)時(shí)，當(dāng)輸出信號(hào)小于晶體管的死區(qū)電壓時(shí)，管子仍處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，V1、V2輪流導(dǎo)通時(shí)形成的基極電流波形在過零點(diǎn)附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)失真，從而使輸出電流和電壓出現(xiàn)同樣的失真，這種失真稱為“交越失真”。如下圖:第22頁/

14、共75頁L M Ma24uBE2iB1uBE1iB2uittiB乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的交越失真第23頁/共75頁L M Ma25 為了消除交越失真，可分別給兩個(gè)晶體管的發(fā)射結(jié)加很小的正偏壓，是兩管在靜態(tài)時(shí)均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，兩管輪流導(dǎo)通時(shí)，交替得比較平滑，從而減小了交越失真。但此時(shí)管子已工作在甲乙類放大狀態(tài)。 實(shí)際電路中，靜態(tài)電流通常取得很小，所以這種電路仍可以用乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路的有關(guān)公式近似估算輸出功率和效率等指標(biāo)。4.2.2 、甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路第24頁/共75頁L M Ma26+Vcc-VEEV1V2R3V4R1R2R4(b)利用放大電路進(jìn)行偏置的電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

15、如下圖:RL利用二極管進(jìn)行偏置的電路+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiRL第25頁/共75頁L M Ma27t0iu3Veu0tt0Ou當(dāng)ui為負(fù)半周期時(shí),經(jīng)V3倒相加在V1和V2的基極,使V1導(dǎo)通,V2截止.電流經(jīng)C流向RL,同時(shí)對(duì)電容C進(jìn)行充電RL利用二極管進(jìn)行偏置的電路+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiCOu工作原理:第26頁/共75頁L M Ma28t0iu3Veu0tt0Ou當(dāng)ui為正半周期時(shí),經(jīng)V3倒相加在V1和V2的基極,使V導(dǎo)通,V截止.電流經(jīng)C流向V2, 電容C充當(dāng)電源對(duì)V2進(jìn)行放電RL+Vcc-VEEV1V2VD1V3

16、RC3(a)VD2Re3uiCOu電容C要足夠大,使電容的充放時(shí)間遠(yuǎn)大于ui的周期.這樣在ui周期變化的過程中,uc基本不變,從而使負(fù)載RL上 獲得穩(wěn)定的交流電.第27頁/共75頁L M Ma29 由圖可以看出，在相同激勵(lì)信號(hào)作用下，丙類功放集電極電流的流通時(shí)間最短，一個(gè)周期平均功耗最低，而甲類功放的功耗最高。分析表明，相同輸入信號(hào)下如果維持輸出功率不變，4類功放的效率滿足：甲甲乙乙Ta）。顯然， max()jaCjjTTTPPTTR可見, 當(dāng)Ta、RT一定時(shí), 功放管的最高結(jié)溫Tjmax對(duì)應(yīng)著集電極最大允許功耗PCM，maxjaCMTTTPR 式中，Tjmax取決于管子的半導(dǎo)體材料。鍺管的T

17、jmax約為75100 ； 硅管約為(175200)。 第31頁/共75頁L M Ma33一般來說，環(huán)境溫度越高, 其允許最大的集電極功耗越小。手冊(cè)上給出的PCM是在環(huán)境溫度為25 條件下得到的。在設(shè)計(jì)功放電路時(shí), 為了安全工作起見, 常取最高環(huán)境溫度下的集電極最大允許功耗PCM（Tamax）的90作為功耗的極限值, 即對(duì)于大功率晶體管一般需要加散熱板以改善散熱條件, 減小熱阻, 從而提高PCM。 PC0.9PCM(Tamax)第32頁/共75頁L M Ma344.3.2 保護(hù)電路保護(hù)電路 從前面的討論中可以看出, 管耗PC過大將導(dǎo)致功放管損壞, 限制管耗即可有效地保護(hù)功放管。限制管耗的常用方

18、法是限制流過功效管集電極的電流（即輸出電流Io）?；谶@一思路, 功放保護(hù)電路的常見形式如圖所示。 圖中所示電路中采用二極管輸出限流保護(hù)電路。 VD3、VD4是附加的限流二極管。正常情況下, VD3、VD4不起作用。 第33頁/共75頁L M Ma35輸出級(jí)保護(hù)電路 （a） 二極管保護(hù)； （b） 三極管保護(hù)Ui ECV1UoVD2VD1RRLRe3 EE(b)V3V4V2Re2IoV5Ui ECV1UoVD2VD1VD4VD3R1V3RLRe2Re3 EE(a)V2第34頁/共75頁L M Ma36 如果正向電流過大, 則RE2上的壓降增大, 使VD3正向偏置，由截止變?yōu)閷?dǎo)通, 從而分去V2的

19、一部分基極電流, 使輸出電流減小。 最大輸出電流約為 3omax2I= DEUR 如果設(shè) UD30.6 V, RE2=10, 則Iomax60 mA。由于UD30.6 V，具有負(fù)的溫度系數(shù), 因此當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí), 二極管的正向電壓降低, 從而使輸出電流的最大值也相應(yīng)減小, 這也有利于控制功放管的結(jié)溫不致于升高。如果負(fù)向電流過大, 則VD4導(dǎo)通, 其保護(hù)原理不再贅述。 第35頁/共75頁L M Ma37*4.4.1 單電源供電的互補(bǔ)推挽電路單電源供電的互補(bǔ)推挽電路*4.4.2 準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器*4.4.3 橋式平衡功率放大器橋式平衡功率放大器*4.4.4 場效應(yīng)管功率放

20、大器場效應(yīng)管功率放大器*4.4.5 具有輸出自舉作用的功放電路具有輸出自舉作用的功放電路*4.4.6 集成功放電路集成功放電路*4.4 其它形式的功放電路其它形式的功放電路第36頁/共75頁L M Ma38 4.4.1 單電源供電的互補(bǔ)推挽電路單電源供電的互補(bǔ)推挽電路 雙電源互補(bǔ)推挽電路有時(shí)使用不便, 因此提出單電源供電的互補(bǔ)推挽電路, 如圖所示。 V1組成激勵(lì)級(jí), 工作在甲類放大狀態(tài)。V2、V3組成互補(bǔ)推挽功放級(jí), 輸出端通過大電容C2與負(fù)載RL相接。由V1的靜態(tài)電流在電阻R4兩端產(chǎn)生的電壓UBB為2、V3提供正向偏置電壓, 以消除交越失真。 第37頁/共75頁L M Ma39OTL電路Ui

21、R1 ECR2R3R4BBC3UEV1V2V3C2ic2ic3RLC1第38頁/共75頁L M Ma40 C3用來旁路R4, 使加到V2、V3基極的激勵(lì)信號(hào)電壓相等。 調(diào)整激勵(lì)級(jí)V1的靜態(tài)工作點(diǎn)（改變電阻R1）, 使B點(diǎn)電位UB約等于EC/2+0.7V, 則UE=EC/2。 由于C2容量很大（大于200 F）, 其充放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于信號(hào)的半個(gè)周期, 所以在兩管輪流導(dǎo)通時(shí), 電容器兩端電壓基本不變, 恒等于EC/2。因此V2和V3兩管的等效電源電壓為EC/2, 這與乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大電路正負(fù)兩組電源供電情況是相同的。 上圖所示的推挽電路的輸出功率、效率、功耗等的計(jì)算方法與乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大電路的也

22、完全相同, 只需用EC/2取代公式中的EC即可。 上圖所示電路又稱為OTL（Output Trantsformer Less）電路。 第39頁/共75頁L M Ma41 4.4.2 準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器圖（a）為兩只NPN管等效一只NPN管, 這種復(fù)合接法稱為達(dá)林頓接法; 圖（b）中V1為PNP管, V2為NPN管, 二者等效一只PNP管。 可見，復(fù)合管的類型取決于第一個(gè)晶體管的類型。在構(gòu)成復(fù)合管時(shí)應(yīng)保證兩管的基極電流能流通，而且第一管的集電結(jié)不能和第二管的發(fā)射結(jié)接在一起, 以免集電結(jié)電壓受發(fā)射結(jié)電壓的鉗制。 1. 復(fù)合管的構(gòu)成復(fù)合管的構(gòu)成 第40頁/共75頁L M Ma4

23、2復(fù)合管的兩種形式圖 V1V2BCE(a)V1V2BCE(b)第41頁/共75頁L M Ma43準(zhǔn)互補(bǔ)OTL電路UiRE 2CRLV2VD 2VD 1V4RB1R1V3ECUoRE 1V5V1 如圖所示是一準(zhǔn)互補(bǔ)OTL電路。圖中V1、V3等效為NPN管, V2、V4等效為PNP管。V3、V4是同類晶體管, 不具互補(bǔ)性；互補(bǔ)作用是靠V1、V2實(shí)現(xiàn)的, 這畢竟和完全互補(bǔ)不同, 故稱為準(zhǔn)互補(bǔ)。 2 準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路第42頁/共75頁L M Ma44 4.4.3 橋式平衡功率放大器橋式平衡功率放大器 對(duì)于便攜式的設(shè)備（如收音機(jī)、錄音機(jī)等）, 其功率放大器通常采用單電源供電的OTL電路。為了

24、獲得足夠大的輸出功率, 應(yīng)提高電源電壓, 這需要攜帶較多的電池, 增加了重量。 因此，對(duì)這類設(shè)備，輸出功率與電源電壓成為突出矛盾。為此, 人們研究出了低電壓下能輸出大功率的電路平衡式無變壓器電路, 又稱BTL（Balanced Transformer Less）電路或橋式平衡電路。 前面分析過的OCL或OTL中, 推挽輸出的兩只大功率管有一個(gè)共同點(diǎn), 即V1在“推”時(shí), V2在“休息”; V2在“挽”時(shí), V1在“休息”。 第43頁/共75頁L M Ma45 也就是說“推”和“挽”不是同時(shí)進(jìn)行的, 它們只是在不同的半周里互相“補(bǔ)齊”信號(hào)?？梢栽O(shè)想, 若V1在揚(yáng)聲器一端“推”時(shí), V4在揚(yáng)聲器的

25、另一端“挽”; 在V2“挽”時(shí), V3“推”, 則輸出情況將大大改觀, 這就是BTL電路設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。如圖所示為橋式平衡功率放大器的原理電路。它由4只管子組成。靜態(tài)時(shí), RL上無電流流過。當(dāng)輸入信號(hào)Ui為正半周時(shí), V1、V4導(dǎo)通。若忽略它們的飽和壓降, 則負(fù)載RL上的輸出電壓幅度為EC; 當(dāng)Ui為負(fù)半周時(shí), V2、V3導(dǎo)通, RL上的輸出電壓幅度也為EC。這樣，RL上得到的是完整的輸出信號(hào)波形。 第44頁/共75頁L M Ma46BTL原理電路 ECRLUoUii2i1V1V2V3V4第45頁/共75頁L M Ma47 在負(fù)載一定的條件下, BTL電路的輸出功率可達(dá)OTL電路的 4 倍。BT

26、L電路雖為單電源供電, 卻不需要輸出耦合電容, 輸出端與負(fù)載可直接耦合, 它具有OTL或OCL電路的所有優(yōu)點(diǎn)。 但要注意：BTL電路的負(fù)載是不能接地的。 上述BTL功率放大器可以用兩組分立元件制作的OCL放大器組成。但這種結(jié)構(gòu)所需的元件較多, 特別是需要4只大功率晶體管, 因此一般很少用分立元件來制作。集成功率放大器, 只需簡單的連線，就可方便地組成BTL放大器。對(duì)于本身包含兩個(gè)功率放大器的集成塊來說, 用一塊就可直接連成BTL電路, 裝配和調(diào)試都非常簡單。 第46頁/共75頁L M Ma48 4.4.4 場效應(yīng)管功率放大器場效應(yīng)管功率放大器 1. VMOS功率場效應(yīng)管功率場效應(yīng)管 VMOS功

27、率場效應(yīng)管（簡稱VMOS管）是一種短溝道, 垂直導(dǎo)電型MOS功率器件。它不同于第3章中介紹的平面水平溝道結(jié)構(gòu)的MOS管。由于這種場效應(yīng)管在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上采用縱向溝道結(jié)構(gòu)并設(shè)置有高電阻率的漏極漂移區(qū), 其耐壓能力、 電流處理能力和工作頻率均得到大大提高, 順應(yīng)了大功率器件的要求, 因而發(fā)展迅速, 應(yīng)用領(lǐng)域正迅速擴(kuò)大。目前VMOS管耐壓水平已提高至1000V, 電流處理能力達(dá)200A, 工作頻率可達(dá)數(shù)百兆赫。VMOS功率場效應(yīng)管根據(jù)內(nèi)部溝道形狀的不同還可細(xì)分為VVMOS管、VUMOS管及VDMOS管。第47頁/共75頁L M Ma49 如圖為VVMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖。在N+型硅襯底上生長一層N-外延層

28、, N+、N-型區(qū)共同構(gòu)成漏區(qū), 在其上引出漏極（D極）。在N-外延層上摻雜擴(kuò)散形成P層及N+層, 以此為源極區(qū)并在其上引出金屬電極作為源極（S極）。最后利用光刻技術(shù)刻蝕出縱向（或垂直方向）的V型槽, 在整個(gè)表面氧化生成SiO2層, 并在V型槽表面蒸發(fā)一層金屬層形成柵極（G極）。 N外延層NNSDPPSGN襯底VVMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖 第48頁/共75頁L M Ma50 當(dāng)柵源間加上正向電壓且電壓值較高時(shí), 柵極下面的P層沿V型槽外側(cè)生成反型層（由電子構(gòu)成）, 該反型層將原本被P層隔開的源區(qū)和漏區(qū)連通, 形成一個(gè)垂直（或縱向）的導(dǎo)電溝道。 形成導(dǎo)電溝道后, 一旦漏源間加上正壓, 電子便經(jīng)源極、

29、導(dǎo)電溝道流到漏極, 由于這種管子的溝道為V型且垂直導(dǎo)電, 故稱為VMOS管。 第49頁/共75頁L M Ma51 由于VMOS管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 它不僅有普通MOS管的所有優(yōu)點(diǎn), 還兼有雙極型晶體管的一些長處: （1）垂直導(dǎo)電, 充分利用了硅片面積, 可提高輸出電流; （2）由于N-外延層電場強(qiáng)度低電阻率高, 具有較高的擊穿電壓, 使整個(gè)器件的耐壓得以提高;（3）由于N-外延層的存在, 使漏區(qū)PN結(jié)結(jié)寬加大, 極間電容減小, 器件的工作頻率及開關(guān)速度大大提高; （4） 短溝道的設(shè)計(jì)使器件具有良好的線性; （5）由襯底和N-外延層共同構(gòu)成的漏極使散熱面積明顯增大, 有利于器件大功率工作。 VMO

30、S管的上述性能不僅使MOS管跨入了功率器件的行列, 而且在計(jì)算機(jī)接口、通信、微波、雷達(dá)等方面獲得了廣泛應(yīng)用。 第50頁/共75頁L M Ma522. VMOS管功率放大電路管功率放大電路 由VMOS管構(gòu)成的低頻功率放大器, 電路簡單, 非線性失真小且具有自保護(hù)功能。 如圖所示即為VMOS管構(gòu)成的兩級(jí)低頻功率放大器。 結(jié)型管V1組成自偏壓共源放大器, 作為激勵(lì)級(jí)為功放提供大信號(hào)輸入。VMOS管V2構(gòu)成單管共源功放, ED、 R5和R6構(gòu)成電阻偏置電路。R3R4R1uiC1V1C4C2R2R5C3R8R6R7V2uo2uo1 EDVMOS管功率放大器 第51頁/共75頁L M Ma53R3R4R1

31、uiC1V1C4C2R2R5C3R8R6R7V2uo2uo1 ED則靜態(tài)柵源偏壓為：656GSQDRUERR第52頁/共75頁L M Ma54 輸出為變壓器耦合, 以便為功放電路提供最佳的匹配阻抗。 輸出信號(hào)通過R7、R3反饋至輸入端, 構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋, 以穩(wěn)定輸出電壓，提高輸入電阻, 改善放大器性能。 VMOS管也可以構(gòu)成推挽功率放大電路, 但由于缺乏配對(duì)的大功率PMOS管, 因而應(yīng)給構(gòu)成推挽功率放大器的兩個(gè)VMOS管的柵極加大小相等、 極性相反的信號(hào)。第53頁/共75頁L M Ma55 4.4.5 具有輸出自舉作用的功放電路具有輸出自舉作用的功放電路 圖中為一具有輸出自舉作用的OCL電

32、路。V1為激勵(lì)級(jí)，、和V4、V5組成互補(bǔ)準(zhǔn)推挽功率放大器。VD1、 VD2和RW為輸出級(jí)偏置電路，靜態(tài)時(shí)為功放管提供微弱的正偏電壓，以消除交越失真。 第54頁/共75頁L M Ma56具有輸出自舉作用的OCL電路 R1R2UiRE1CE1V1V4V5RLR3VD1VD2V2V3RWACCBR4R3ECECRE5RE3Uo第55頁/共75頁L M Ma57調(diào)整RW可改變靜態(tài)電流。VD1、VD2具有補(bǔ)償U(kuò)BE隨溫度上升而下降的作用。R3是熱敏電阻，用作溫度補(bǔ)償，其阻值隨溫度上升而下降。此外，R3的加入，可有效避免在調(diào)節(jié)RW的觸點(diǎn)而產(chǎn)生瞬時(shí)開路時(shí)，使V1的負(fù)載電流全部流過V2、V4的發(fā)射結(jié)，導(dǎo)致管子

33、燒壞的可能。 第56頁/共75頁L M Ma58 該電路引入了自舉電容CC，目的是提高輸出電壓幅度，獲得大的輸出功率。為了說明自舉電容的作用，暫時(shí)去掉CC。假設(shè)輸入信號(hào)足夠大，當(dāng)V1管輸入信號(hào)達(dá)到正半周峰值時(shí)，V1飽和，輸出電壓擺幅為：Uom-=EC-UCES1而當(dāng)V1管輸入信號(hào)達(dá)到負(fù)半周峰值時(shí), 1截止, 輸出電壓擺幅為： Uom+=EC-Ibm2(R3+R4)由此可見正、負(fù)電壓擺幅是不一樣的, 這限制了輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍, 使最大輸出功率減小。解決的辦法是加入自舉電容CC。 第57頁/共75頁L M Ma59 接入CC后, 當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí), 電路處于靜態(tài), Uo=0V。 電容CC上的電壓U

34、CC=UB=EC-IC1R3。 當(dāng)V1輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí), UC1（V1集電極電位）升高, uA升高, 則uo上升使uB上升（CC容量很大，為100200F, CC兩端電壓可以看成不變, 電容CC一端電位上升, 則另一端電位必然上升）, 相當(dāng)于提高了V2、V3的偏流電源電壓, 即B點(diǎn)電壓，從而擴(kuò)展了輸出電壓的動(dòng)態(tài)運(yùn)用范圍。由于CC的存在, B點(diǎn)的電位將隨著輸出端電位的上升而自動(dòng)舉高, 所以稱CC為自舉電容。 “自舉”作用本質(zhì)上是一種正反饋, CC就起著正反饋的作用: 第58頁/共75頁L M Ma60 4.4.6 集成功放電路集成功放電路 目前集成功放電路已大量涌現(xiàn), 其內(nèi)部電路一般均為OTL

35、或OCL電路, 集成功放除了具有分立元件OTL或OCL電路的優(yōu)點(diǎn)外, 還具有體積小、工作穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn), 因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 LM386是一種低電壓通用型低頻集成功放。該電路功耗低、允許的電源電壓范圍寬、通頻帶寬、外接元件少, 廣泛用于收錄機(jī)、 對(duì)講機(jī)、 電視伴音等系統(tǒng)中。 第59頁/共75頁L M Ma61第60頁/共75頁L M Ma62LM386內(nèi)部電路如圖所示, 共有3級(jí)。V1V6組成有源負(fù)載單端輸出差動(dòng)放大器，用作輸入級(jí), 其中V5、V6構(gòu)成鏡像電流源用作差放的有源負(fù)載以提高單端輸出時(shí)差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)。中間級(jí)是由V7構(gòu)成的共射放大器, 也采用恒流源I作負(fù)載以提高增益

36、。輸出級(jí)由V8V10組成準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功放, 其中VD1、VD2組成功放的偏置電路以消除交越失真。 第61頁/共75頁L M Ma63（a） LM386集成功率放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖R1VD22反相輸入15k V150kV5V2150 7旁路15k 8R21.35k 1V6V4V315kR3350k同相輸入VD1 ECV7V965輸出4地V10增益設(shè)定I第62頁/共75頁L M Ma64LM38681243765（b） LM386集成功率放大器的管腳排列圖 增益設(shè)定反相輸入同相輸入地增益設(shè)定旁路+EC輸出第63頁/共75頁L M Ma65 LM386為雙列直插塑料封裝，其管腳功能為: 2、 3腳分別為反

37、相、 同相輸入端; 5腳為輸出端; 6腳為正電源端; 4腳接地; 7腳為旁路端, 可外接旁路電容以抑制紋波; 1、 8腳為電壓增益設(shè)定端。當(dāng)1、8腳開路時(shí), 負(fù)反饋?zhàn)钌? 電壓放大倍數(shù)最小, 此時(shí)Auf=20。當(dāng)1、8腳間接入10F電容時(shí), 內(nèi)部1.35 k電阻被旁路, 負(fù)反饋?zhàn)钊? 電壓放大倍數(shù)最大, 此時(shí)Auf=200（46 dB）。當(dāng)1、8腳間接入電阻R和10F電容串聯(lián)支路時(shí), 調(diào)整R可使電壓放大倍數(shù)Auf在20200間連續(xù)可調(diào), 且R越大, 放大倍數(shù)越小。 第64頁/共75頁L M Ma66LM386典型應(yīng)用電路圖 uiR1C1324C27EC610F18R25C3R3C4RLLM38

38、6LM386的典型應(yīng)用電路如圖所示。 第65頁/共75頁L M Ma67 參照上面的說明, 我們可以知道: 5腳輸出: R3、C3構(gòu)成串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，與呈感性的負(fù)載（揚(yáng)聲器）相并, 最終使等效負(fù)載近似呈純阻, 以防止高頻自激和過壓現(xiàn)象。 7腳旁路: 外接C2去耦電容, 用以提高紋波抑制能力, 消除低頻自激。1、 8腳設(shè)定電壓增益: 其間接R2、10F串聯(lián)支路, R2用以調(diào)整電壓增益。當(dāng)R2=1.24 k時(shí),Auf=50。 將上述電路稍作變動(dòng), 如在1、5腳間接入R、C串聯(lián)支路, 則可以構(gòu)成帶低音提升的功率放大電路。第66頁/共75頁L M Ma68例 ：如圖所示為一擴(kuò)音機(jī)的部分電路 （1） 分析電路， 說明電路由哪幾部分組成， 各部分分別屬于何種電路形式。 （2）假設(shè)V9、V10的飽和壓降為2V，估算負(fù)載RL上的最大輸出電流ILmax。 （3）設(shè)三極管的UBE及二極管的導(dǎo)通壓降UD均為0.7， 估算ICQ1、