模擬電子線路-第6章楊凌ppt課件

1、楊楊 凌凌 第第6 6章章第第6章章 低頻功率放大器低頻功率放大器 6.0 引言引言 多級放大器常用來給負(fù)載提供大的功率多級放大器常用來給負(fù)載提供大的功率.例例如如,為揚(yáng)聲器之為揚(yáng)聲器之類的小負(fù)載電阻保送很大的電流類的小負(fù)載電阻保送很大的電流,或為開關(guān)電或為開關(guān)電源之類的大負(fù)載源之類的大負(fù)載電阻傳送很大的電壓電阻傳送很大的電壓.前幾章所討論的放大器前幾章所討論的放大器主要用于加強(qiáng)電主要用于加強(qiáng)電壓幅度或電流幅度壓幅度或電流幅度,因此相應(yīng)地稱為電壓放大因此相應(yīng)地稱為電壓放大器或電流放大器器或電流放大器.本章將分析為負(fù)載傳送一定功率的電路本章將分析為負(fù)載傳送一定功率的電路功率功率放大器放大器.對功

2、率對功率放大器的主要要求是放大器的主要要求是:在一定的不失真在一定的不失真(或失真或失真較小較小)的前提下的前提下,將交流信號功率有效地傳送給負(fù)載將交流信號功率有效地傳送給負(fù)載.因此因此,我們我們將關(guān)注晶體管的將關(guān)注晶體管的管耗問題管耗問題.6.1 功率放大電路的普通問題功率放大電路的普通問題一、功率放大器的主要研討對象一、功率放大器的主要研討對象 1、 Po 晶體管往往在接近極限運用形狀下任務(wù)晶體管往往在接近極限運用形狀下任務(wù). 2、3、THD THD與與Po是相矛盾的是相矛盾的.4 、功放管的散熱問題、功放管的散熱問題5 、功率管的維護(hù)問題、功率管的維護(hù)問題 Po= (61) PD二、功率

3、放大電路的分類二、功率放大電路的分類6.1 功率放大電路的普通問題功率放大電路的普通問題 功率放大電路是根據(jù)輸出級晶體管的導(dǎo)通時間進(jìn)展分類功率放大電路是根據(jù)輸出級晶體管的導(dǎo)通時間進(jìn)展分類的的.低頻功率放大電路有三種根本類型低頻功率放大電路有三種根本類型:甲類、乙類、甲乙類甲類、乙類、甲乙類.圖圖5.1給出了輸入為正弦信號時給出了輸入為正弦信號時,各類功率放大器的輸出情況各類功率放大器的輸出情況.OiCtOvCEiC ICQQOiCtOvCEiC Q 圖圖 6.1 (a) 甲類甲類晶體管的導(dǎo)通角晶體管的導(dǎo)通角=360o 圖圖 6.1 (b) 乙類乙類晶體管的導(dǎo)通角晶體管的導(dǎo)通角=180o6.1

4、功率放大電路的普通問題功率放大電路的普通問題OiCtOvCEiC ICQQ圖圖 6.1 (c) 甲乙類甲乙類晶體管的導(dǎo)通角晶體管的導(dǎo)通角180o 360o三、功率放大電路提高效率的主要途徑三、功率放大電路提高效率的主要途徑 晶體管的靜態(tài)電流是呵斥管耗的主要要素晶體管的靜態(tài)電流是呵斥管耗的主要要素,所以是所以是影響功影響功率放大電路效率的主要緣由率放大電路效率的主要緣由.可以證明可以證明:即使在理想情況即使在理想情況下下,甲類甲類功放的最高效率只需功放的最高效率只需50%.提高功放效率的一個根本思提高功放效率的一個根本思緒是將緒是將Q點下移點下移.6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源

5、互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)一、電路組成一、電路組成 RL+VCCVCCVT2+viVT1iC2iC1iL+vo圖圖 6.2 OCL (Output Capacitorless)1、Po 與與Pom Vom VomPo=Vo Io= 2 2 RL 1 Vom2 = 2 RL 1 Vcem2 1 VCC2 Po= = 2 2 RL 2 RL Vcem (62) VCC二、任務(wù)原理二、任務(wù)原理 6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)圖圖 6.3Icm1OVCC vCE1iC1 QVcem1VCES(a)IcmOVCESiC1 QVcemvCEO2IcmVC

6、ES2VcemiC2 (b)6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL) 1 VCC2 Pom= (6-3) 2 RL 2. 與與max 1 2 2 VCC2 PD = VCCIcmsin t dt = VCCIcm= RL 0 Po = = (64) PD 4 Pom m= = 78.5% (65) PD 4 6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)三、功率三、功率BJT的選擇的選擇 1、PTm與與Pom的關(guān)系的關(guān)系 PT PDPo 2 1 PT1= PT2= = =Pom 2 2 2 2 dPT1 d 2=Pom dP

7、T1 =0 d Vom0.6VCC時時0.6,即即 2 1 PT1m= PT2m=Pom 0.6 0.62 0.2Pom (6-6) 2 6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)OVom /VCC PD0.20.40.60.81.01.21.00.80.60.40.20.1.27PoPT1P/ VCC2 ( ) 2 RL PD=Po+2PT1圖圖 6.46.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)2、功率、功率BJT的選擇的選擇 (1) PCM PT1m 0.2 Pom (2) V(BR)CEO 2VCC (3) ICM

8、VCC/RL 【例【例6-1】功放電路如圖】功放電路如圖6.2所示所示,設(shè)設(shè)VCC=12V,RL=8,三極三極管管 的極限參數(shù)為的極限參數(shù)為ICM=2A, V(BR)CEO=30V, PCM=5W. 試求試求: (1)最大輸出功率最大輸出功率Pom值值,并檢驗所給三極管能否能平安任務(wù)并檢驗所給三極管能否能平安任務(wù)? (2)放大電路在放大電路在=0.6時的輸出功率時的輸出功率Po值值6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)四、交越失真四、交越失真 圖圖6.2所示電路中所示電路中,由于沒有直流偏置由于沒有直流偏置,當(dāng)當(dāng)vi=0時時,VT1,VT2,因此實踐輸出

9、因此實踐輸出vo=0;設(shè)兩管的發(fā)射極開啟電壓為設(shè)兩管的發(fā)射極開啟電壓為0.6V,那那么當(dāng)么當(dāng)0.6Vvi0.6V時時,依然有依然有VT1,VT2, vo=0.可見可見,輸出波形在輸出波形在零點零點課堂練習(xí)課堂練習(xí) 【參考答案】【參考答案】 (1) Pom=9W, ICM=1.5A, PTm=1.8W;VCEM=24V (2) Po5.3W. RL+VCCVCCVT2+viVT1iC2iC1iL+vo6.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)附近產(chǎn)生了失真附近產(chǎn)生了失真,這種失真是由于晶體管的死區(qū)電壓所呵斥的這種失真是由于晶體管的死區(qū)電壓所呵斥的,稱為交越失真

10、稱為交越失真,如圖如圖6.5所示所示.t0.6V0.6V0vi /Vt0vO , iL圖圖 6.5交越失真交越失真圖圖 6.7RL+VCCVCCVT2viVT1iLvoR1R2iC1iC2RC3VT3RE3VT4RL+VCCVCCVT2viVT1iLvo圖圖 6.6VD1VD2iC1iC2RC3VT3RE36.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路 為了抑制交越失真為了抑制交越失真,當(dāng)當(dāng)vi=0時時(靜態(tài)時靜態(tài)時),給給VT1,VT2一個適當(dāng)?shù)囊粋€適當(dāng)?shù)钠秒妷浩秒妷?使之處于微導(dǎo)通形狀使之處于微導(dǎo)通形狀.從而讓電路任務(wù)在甲乙類形狀從而讓電路任務(wù)在甲乙類形狀.一、甲乙類雙電

11、源互補(bǔ)對稱功放一、甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放6.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路 圖圖6.6電路中偏置方法的缺陷是電路中偏置方法的缺陷是,偏置電壓不易調(diào)整偏置電壓不易調(diào)整.圖圖6.7電路那么可提供比較靈敏的偏置電壓電路那么可提供比較靈敏的偏置電壓,在集成電路中經(jīng)常用在集成電路中經(jīng)常用到到.圖圖6.7中所用到的偏置電路稱為中所用到的偏置電路稱為VBE擴(kuò)展電路擴(kuò)展電路. 在圖在圖6.7中中,假設(shè)忽略假設(shè)忽略VT4的基極電流的基極電流,那么有那么有: VBE4 IR2= = IR1 R2 R1 VCE4= IR2(R1+ R2) =VBE4 ( 1+ ) R2 二、運用二、運用

12、Darlington管的甲乙類互補(bǔ)對稱功放管的甲乙類互補(bǔ)對稱功放6.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路RL+VCCVCCVT2viVT1iLvo圖圖6.8VD1VD2RC6VT6RE6VD3VT4VT5VT3NPNPNP 互補(bǔ)對稱推挽輸互補(bǔ)對稱推挽輸出級運用出級運用PNP和和NPN型晶體管型晶體管. 在在IC設(shè)計設(shè)計中中,PNP型晶體管常為型晶體管常為橫向構(gòu)造橫向構(gòu)造,值的范圍只值的范圍只需需510. NPN型晶體型晶體管為縱向構(gòu)造管為縱向構(gòu)造,值為值為200左右左右.可見可見,NPN管管和和PNP管不能很好地管不能很好地匹配匹配,所以所以,輸出級采用輸出級采用達(dá)林頓管達(dá)

13、林頓管.6.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路三、甲乙類單電源互補(bǔ)對稱功放三、甲乙類單電源互補(bǔ)對稱功放(OTL)圖圖 6.9 OTL (Output Transformerless )(b)VT1VT2viRL+VCCvoVD1VD2RC3KVT3+C(a)VT1VT2viRL+VCC /2voVD1VD2RC3VT3VCC /26.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路靜態(tài)靜態(tài)時時,VK=VCC/2. 1 C(510) 2fLRL 1 VCC2 Pom= (67) 8 RL 6.4 橋式功率放大電路橋式功率放大電路VT1VT2viRL+VCCvo+圖圖

14、 6.10 BTL (Balanced Transformerless )VT3VT4vi0, VT1 ,VT4VT2 ,VT3vi0, VT2 ,VT3VT1 ,VT4 1 VCC2 Pom= 2 RL 6.5 集勝利率放大器集勝利率放大器 隨著線性集成電路的開展隨著線性集成電路的開展,集勝利率放大器的運用也日集勝利率放大器的運用也日益廣泛益廣泛.圖圖 6.11 (a)SHM1150136 +VCC10 VEE8vo+vi VCC 12V 50VPom=150W一、一、 SHM1150型集勝利放型集勝利放6.5 集勝利率放大器集勝利率放大器+VCC圖圖 6.11 (b)CVT4VT1VT2

15、+vi + vo1R6R7VT5VT6VT8R1R2R9VEER8RfR10I13I2VT7VF1VF28610R11R13R126.5 集勝利率放大器集勝利率放大器二、二、 集成音頻功放集成音頻功放LM386圖圖 6.12VT8VT10R7+VCCvoVD1VD2R1VT76VT9VT5VT63587214VT2VT4VT1VT3R2R3R4R5R66.6 功率器件功率器件一、功率一、功率BJT1、功率、功率BJT的散熱問題的散熱問題 在功率放大器中在功率放大器中,晶體管在給負(fù)載保送功率的同時晶體管在給負(fù)載保送功率的同時,本人也本人也要耗費一部分功率要耗費一部分功率.晶體管耗費的功率直接表如

16、今其結(jié)溫升晶體管耗費的功率直接表如今其結(jié)溫升高高,當(dāng)結(jié)溫升高到一定程度當(dāng)結(jié)溫升高到一定程度,就會燒壞管子就會燒壞管子,因此輸出功率受因此輸出功率受圖圖 6.136.6 功率器件功率器件到管子允許的到管子允許的PCM的限制的限制.值得留意的是值得留意的是,管子允許的功耗與管子允許的功耗與管管子的散熱情況親密相關(guān)子的散熱情況親密相關(guān).假設(shè)采取適當(dāng)?shù)纳岽胧┘僭O(shè)采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?就有能夠就有能夠充分發(fā)揚(yáng)管子的潛力充分發(fā)揚(yáng)管子的潛力,添加功率管的輸出功率添加功率管的輸出功率.表征散熱才干的重要參數(shù)表征散熱才干的重要參數(shù) 熱阻熱阻RT 熱的傳導(dǎo)途徑熱的傳導(dǎo)途徑,稱為熱路稱為熱路.妨礙熱傳導(dǎo)的阻力稱為熱

17、阻妨礙熱傳導(dǎo)的阻力稱為熱阻. RT ( oC/W oC/mW ) RT PCM RT PCM (2) 功率功率BJT的散熱等效熱路的散熱等效熱路RT RTj +RTc +RTf (68)0.13 oC/W6.6 功率器件功率器件PCRTjRTcRTfTjTcTfTaRT圖圖 6.14(a)(b)(c)6.6 功率器件功率器件(3) 功率功率BJT的散熱計算的散熱計算 TjTa= RT PCM (69)最高允許結(jié)溫最高允許結(jié)溫環(huán)境溫度環(huán)境溫度 TjTaPCM = (610) RTRTPCM, Ta PCM 【例【例6-2】 設(shè)一功率三極管的集電結(jié)到管殼的熱阻設(shè)一功率三極管的集電結(jié)到管殼的熱阻RT

18、j=4oC/W,散散熱熱 片與周圍空氣的熱阻片與周圍空氣的熱阻 RTf=5oC/W, 在管殼與散熱片間在管殼與散熱片間, 利用利用6.6 功率器件功率器件 0.2mm厚云母墊片進(jìn)展裝配厚云母墊片進(jìn)展裝配,因此在管殼與散熱片之間引因此在管殼與散熱片之間引 入的熱阻為入的熱阻為RTc=1oC/W, 假設(shè)在假設(shè)在VCE=10V時時,流過功率三極管流過功率三極管 的的 平均電流平均電流IC=1A,試求當(dāng)環(huán)境溫度試求當(dāng)環(huán)境溫度Ta=25oC時時,三極管的集三極管的集電電 結(jié)結(jié)溫結(jié)結(jié)溫Tj,管殼溫度管殼溫度Tc和散熱片溫度和散熱片溫度Tf.設(shè)三極管發(fā)射結(jié)的功設(shè)三極管發(fā)射結(jié)的功耗耗 可忽略可忽略.【參考答案

19、】【參考答案】 Tj=125oC, Tc=85oC, Tf=75oC二、二次擊穿二、二次擊穿6.6 功率器件功率器件1、二次擊穿景象、二次擊穿景象 功率管在實踐運用中功率管在實踐運用中,常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額,管子也不發(fā)燙管子也不發(fā)燙,但卻忽然失效但卻忽然失效,這種損壞不少是由于這種損壞不少是由于“二次擊穿所致二次擊穿所致.圖圖 6.15ovCEiCABC二次擊穿一次擊穿圖圖 6.16ovCE iC 二次擊穿后曲線二次擊穿后曲線二次擊穿二次擊穿臨界曲線臨界曲線6.6 功率器件功率器件 產(chǎn)生二次擊穿的機(jī)理目前尚不完全清楚產(chǎn)生二次擊穿的機(jī)理目前尚不完全清楚.普通說來普通說來,二次二次

20、擊穿是一種與電流、電壓、功率和結(jié)溫都有關(guān)系的效應(yīng)擊穿是一種與電流、電壓、功率和結(jié)溫都有關(guān)系的效應(yīng).其其物理過程多數(shù)以為是由于流過物理過程多數(shù)以為是由于流過BJT結(jié)面的電流不均勻結(jié)面的電流不均勻,呵斥呵斥結(jié)面部分高溫結(jié)面部分高溫(稱為熱斑稱為熱斑),因此產(chǎn)生熱擊穿所致因此產(chǎn)生熱擊穿所致.這與這與BJT的的制造工藝有關(guān)制造工藝有關(guān).2、BJT的平安任務(wù)區(qū)的平安任務(wù)區(qū)ovCE iC V(BR)CEOICMPCM 平安平安任務(wù)區(qū)任務(wù)區(qū)二次擊穿臨界曲線圖圖 6.17V 80% V(BR)CEOI 80% ICMP 50%PCMT (70% 80%) Tj6.6 功率器件功率器件二、功率二、功率MOSFE

21、T 與與BJT相比相比,VMOS器件有以下優(yōu)點器件有以下優(yōu)點: 1、功率增益高、功率增益高;2 、增益穩(wěn)定性好、增益穩(wěn)定性好; 3 、溫度穩(wěn)定性高、溫度穩(wěn)定性高,不會產(chǎn)生二次擊穿不會產(chǎn)生二次擊穿;4 、開關(guān)速度快、開關(guān)速度快,可用于高頻電路或開關(guān)式穩(wěn)壓電源等可用于高頻電路或開關(guān)式穩(wěn)壓電源等.金屬金屬SiO2圖圖 6.18N+ 型襯底型襯底N 型外延層型外延層sgN+N+Psd章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論一、本章小節(jié)一、本章小節(jié) 1 、熟習(xí)對功率放大電路的普通研討問題、熟習(xí)對功率放大電路的普通研討問題,掌握功掌握功率放大電路的圖解分析法率放大電路的圖解分析法,了解提高功率放大電路效了解提

22、高功率放大電路效率的主要思想率的主要思想; 2 、掌握乙類功率放大電路的電路組成及任務(wù)原理、掌握乙類功率放大電路的電路組成及任務(wù)原理(包括各項目的的分析包括各項目的的分析),了解產(chǎn)生交越失真的緣由了解產(chǎn)生交越失真的緣由; 3 、熟習(xí)、熟習(xí)VBE擴(kuò)展電路及甲乙類功放的電路構(gòu)造擴(kuò)展電路及甲乙類功放的電路構(gòu)造(包括達(dá)林頓管功放包括達(dá)林頓管功放).4 、留意雙電源供電的功放與單電源供電的功放的、留意雙電源供電的功放與單電源供電的功放的區(qū)別區(qū)別.二、例題討論二、例題討論RL16+VCC+24VVT2VT1voVD1VD2R1R2VT3VCC24Vvi圖圖 6.19章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論【例

23、【例6-3】 電路如圖電路如圖6.19所示所示,設(shè)輸入電壓設(shè)輸入電壓vi為正弦為正弦 波波,由由VT3管管 組成的放大電路的增益組成的放大電路的增益vC3/vB3=16,射極輸出器的電壓射極輸出器的電壓增增 益為益為1,試計算當(dāng)輸入電壓有效試計算當(dāng)輸入電壓有效 值值Vi=1V時時,電路的輸出功率電路的輸出功率 Po、電源供應(yīng)的功率、電源供應(yīng)的功率PD、兩、兩 管的管耗管的管耗PT以及效率以及效率. 【解】【解】 Vo2 (16Vi )2Po= = =16W RL RL章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論P(yáng)T =PDPo=21.6-16=5.6W 2 2416 2 = 21.6W 3.14 16

24、 Po 16= 100%= 100%74.1% PD 21.6【例【例6-4】單電源供電的】單電源供電的OTL電路如圖電路如圖6.20所示所示,假定負(fù)載為假定負(fù)載為8, 要求最大輸出功率要求最大輸出功率Pom=10W,試問試問(1)電源電壓電源電壓VCC? 2 VCC2 2 VCC2 Vom 2 VCCVomPD = = = RL RL VCC RL 章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論RL+VCCVT2VT1voVDR1R3R2C1+C2+vi圖圖 6.20(2)電源供應(yīng)的功率電源供應(yīng)的功率PD=?(3)管子的擊穿電壓管子的擊穿電壓V(BR)CEO?(4)管子的允許功耗管子的允許功耗PCM ?(5)放大器轉(zhuǎn)換能量的效率放大器轉(zhuǎn)換能量的效率 =?(6)電容電容C2接受的直流電壓為多少接受的直流電壓為多少?(7)假設(shè)要求由假設(shè)要求由C2引入的下限頻率引入的下限頻率 fL2=10Hz,問問C2應(yīng)選多大的值應(yīng)選多大的值?(8)假設(shè)輸出產(chǎn)生交越失真假設(shè)輸出產(chǎn)生交越失真,應(yīng)調(diào)理什么元件應(yīng)調(diào)理什么元件?如何如何調(diào)調(diào)?章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論【解】【解】(1) 1 VCC2 Pom= 8 RL VCC 8Pom RL 25.3V(2)取取 VCC=28V 2 (VCC /2)Vom 2 (28/2)12.65 PD= = 14.1W RL 3.14 8 (3) V(BR