電子線路非線性部分第五版第一章功率放大器課件

1、第 一 章功率電子線路第 一 章功率電子線路1.1 概述功率電子線路是采用功率電子器件實(shí)現(xiàn)能量變換和控制功能的電路。功率電子線路分為功率放大電路和電源變換電路；功率放大電路是在輸入信號(hào)作用下,把直流能量轉(zhuǎn)換成交流輸出功率的放大電路；電源轉(zhuǎn)換電路是把電源能量進(jìn)行特定方式轉(zhuǎn)換的電路。1.1 概述1.1.1 功率放大器功率放大器與小信號(hào)放大器的區(qū)別：小信號(hào)放大的是電壓或者電流，對(duì)輸出功率無(wú)要求。 功率放大器的要求是，在安全工作條件下，高效率，小失真，輸出盡可能大的功率。集電極效率 PO 信號(hào)輸出功率，PD 直流功率，功耗 PC ， PO 相同，PC越小，C 越大。大信號(hào)運(yùn)用電路，放大管特性非線性引起

2、失真比小信號(hào)放大器大，減小非線性失真必須認(rèn)真考慮。1.1.1 功率放大器功率放大器與小信號(hào)放大器的區(qū)別： 按照功率管不同工作狀態(tài)，分為甲類，乙類，甲乙類和丙類等。集電極效率甲類最低，丙類最高。 按照功率管不同工作狀態(tài)，分為甲類，乙類，甲乙類和丙類1.1.2 電源變換電路將電源能量進(jìn)行特定方式的變換AC-DC：把交流電變成直流電 整流器；DC-DC：把一種數(shù)值的直流電變成另一種數(shù)值或者極性的直流電 斬波器；DC-AC：把直流電能變成不同幅值，頻率的交流電 逆變器；AC-AC：把50Hz交流電變成不同幅值，頻率的交流電 變換器； 它們同樣要求選擇合適的功率器件，并具有很高的效率。1.1.2 電源變

3、換電路將電源能量進(jìn)行特定方式的變換1.1.3 功率器件 大功率器件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與小信號(hào)器件不同 比如功率晶體管發(fā)射極面積較大，較低，ICBO較 大，V(BR)CEO和ICM也較大。且集電極一般與管座相連，便于安裝散熱器。 一、散熱 熱阻與溫度的關(guān)系T2-T1=RTHP 集電極最大耗散功率PCM =(TjM-Ta)/Rth 集電結(jié)與周圍環(huán)境的熱阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca R(th)jc為結(jié)與底座的熱阻， R(th)ca為管殼與周圍環(huán)境的熱阻 1.1.3 功率器件 大功率器件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與小信號(hào)加散熱器后的總電阻 Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa加散

4、熱器后的總電阻 Rth= R(th)jc+ R(th)c二、二次擊穿集電極電壓超過(guò)V(BR)CEO而引起的擊穿，只要限制擊穿電流，是可逆的。而如果不限制電流，可能出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，電流急劇增大的現(xiàn)象，這種由高壓小電流迅速轉(zhuǎn)移為低壓大電流的現(xiàn)象就是二次擊穿，而且不可逆。二、二次擊穿 雙擴(kuò)散MOS管(Double-diffused MOSFET)，它可承受的電流高達(dá)數(shù)百安，電壓高達(dá)幾百伏，甚至上千伏。三、器件 雙擴(kuò)散MOS管(Double-diffused MO絕緣柵雙極型功率管（IGBT） 與雙擴(kuò)散MOS管相比， IGBT僅在高摻雜N+區(qū)與金屬漏極之間插入一層高摻雜的P+區(qū)，與作為MOS管

5、襯底的P+區(qū)之間夾著N區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)，構(gòu)成PNP型晶體三極管，這個(gè)晶體三極管與MOS管共同組成組合管。絕緣柵雙極型功率管（IGBT）1.2 功率放大器的電路組成和工作特性性能分析時(shí)，器件采用大信號(hào)模型。工程上，采用圖解分析。1.2.1 從一個(gè)例子講起1.2 功率放大器的電路組成和工作特性性能分析時(shí)，器件采用iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce = VCEQ Vcm sint Vcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / RL PL中交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4

6、，相應(yīng)的最大集電極效率 iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint 1.2.2 甲類、乙類功率放大器的電路組成 及其功率性能 = n2RL 一、甲類變壓器耦合功率放大電路1.2.2 甲類、乙類功率放大器的電路組成= n2RL 一直流負(fù)載線是自vCE=VCC出發(fā)的垂直線EF 直流負(fù)載線與iB=IBQ交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。交流負(fù)載線是一條通過(guò)Q點(diǎn)的直線MN，它的斜率為-1/ 直流負(fù)載線是自vCE=VCC出發(fā)的垂直線EF 交流負(fù)載線是一性能分析 iC = ICQ+Icmsint vCE = VCEQ-Vcmsint， Vcm=IcmRL 輸出信號(hào)功率： 直流功率： PD= VCCICQ

7、 集電極管耗： PC = = PD-Po 集電極效率：性能分析PD一定時(shí)，要使輸出信號(hào)功率最大，應(yīng)使Q點(diǎn)正好在有效交流負(fù)載線的中點(diǎn)，即 Vcm = VCC-VCE(sat) ， Icm = ICQ-ICEO 。若忽略VCE(sat），ICEO，則有 Vcm=VCC，Icm=ICQ ， Pomax=1/2 VCCICQ ，cmax =50% 。當(dāng)Q點(diǎn)選定后，在充分激勵(lì)情況下，僅有一個(gè)交流負(fù)載值，能輸出最大信號(hào)功率，其交流負(fù)載線的中點(diǎn)必定通過(guò)Q點(diǎn)。PD一定時(shí)，要使輸出信號(hào)功率最大，應(yīng)使Q點(diǎn)正好在有效交流負(fù)載 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO VCC V (BR)CEO/2 iCmax =

8、 2ICQI CM ICQ I CM /2 PCmax= PDP CM 還應(yīng)保證動(dòng)態(tài)點(diǎn)不超過(guò)二次擊穿限定的安全區(qū)。安全工作條件 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO 二、乙類推挽功率放大電路變壓器耦合電路互補(bǔ)推挽電路電路介紹二、乙類推挽功率放大電路變壓器耦合電路互補(bǔ)推挽電路電路介紹 兩管配對(duì)，無(wú)信號(hào)時(shí)，截止，輸出為0。加信號(hào)vi = Vimsint，兩管輪流導(dǎo)通。正半周， T1導(dǎo)通， T2截止， iE1 iC1；負(fù)半周， T1截止，T2導(dǎo)通， iE2 iC2。負(fù)載RL的電流iL = iE1-iE2, 為完整的正弦波。工作原理 兩管配對(duì)，無(wú)信號(hào)時(shí)，截止，輸出為0。加信號(hào)vi = V 假設(shè)T

9、1和T2完全配對(duì)，ICEO和VBE(ON)均為零。管子導(dǎo)通時(shí)，交流負(fù)載為RL ，交流負(fù)載線為從電源出發(fā)，斜率為-1/RL的直線。管子截止時(shí)交流負(fù)載線為與橫軸重合的水平線。性能分析 假設(shè)T1和T2完全配對(duì)，ICEO和VBE(ON)均為輸入為正弦信號(hào)的推挽式乙類功放，在最大不失真條件下兩管輪流導(dǎo)通，集電極電流在信號(hào)的不同半周為正弦波，另半周為零。通過(guò)負(fù)載RL的電流 iL ic1-ic2= Icmsint相應(yīng)產(chǎn)生的電壓 vL Vcmsint = RLIcmsint輸入為正弦信號(hào)的推挽式乙類功放，在最大不失真條件下兩管輪流導(dǎo)負(fù)載功率： PL =Po = VcmIcm /2 電源提供的總功率： PD =

10、 PD1PD2 =2VCCIC0 = 2VCCIcm/令電源電壓利用系數(shù)為： 集電極效率CPo /PD (/4)單管集電極功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2/- /2)Pomax =2/0.636 PCmax 0.2Pomax 負(fù)載功率： PL =Po = VcmIcm /2 注意：在乙類推挽功率放大器中，PC的最大值既不出現(xiàn)在=0即靜止?fàn)顟B(tài)，也不出現(xiàn)在=1即最大輸出狀態(tài)。因?yàn)樾r(shí)，雖然Po小，但PD也小，結(jié)果PC??；反之，接近1時(shí)，雖然PD大，但 也高。PD中大部分轉(zhuǎn)化為Po，結(jié)果PC也較小。安全工作的條件： vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax= Icm

11、 VCC/RL ICM PC1max = PC2max = 0.2 PLomax PCM 同時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)不能超過(guò)二次擊穿限定的安全區(qū)注意：在乙類推挽功率放大器中，PC的最大值既不出現(xiàn)在=0即1.2.3 乙類互補(bǔ)推挽放大器實(shí)際電路一、交叉失真和偏置電路1.交叉失真由于導(dǎo)通電壓的影響，電路傳輸特性的起始段彎曲，因此兩管合成的傳輸特性在零點(diǎn)附近出現(xiàn)非線性，在輸入正弦波激勵(lì)下，輸出合成電壓波形將在銜接處出現(xiàn)嚴(yán)重失真，這就是交叉失真或者交越失真。加偏置可以克服失真。1.2.3 乙類互補(bǔ)推挽放大器實(shí)際電路一、交叉失真和偏置電VBB=2 VTIn(IR/IS)2. 二極管偏置電路VBB=2 VTIn(IR/IS

12、)2. 二極管偏置電路VBE3 = VTln(IC3/IS) VTln(IR/IS)VBB = VBE3(1+R1/R2)通過(guò)改變R1和R2，可提供需要的 VBB3. VBE倍增偏置電路VBE3 = VTln(IC3/IS)3. VBE倍增偏置 如果使用單電源供電，必須在公共負(fù)載端串接大容量電容 CL。CL可以充當(dāng)VCC /2的直流電源作用。二、 單電源供電的互補(bǔ)推挽電路 如果使用單電源供電，必須在公共負(fù)載端串接大容量電容 復(fù)合管取代互補(bǔ)管， T1 、T3為小功率管， T2 、T4為大功率管， T1 、 T2等 效為一個(gè)NPN管，T3 、T4等 效為一個(gè)PNP管。 復(fù)合管類型取決第一只管的 類

13、型。這樣的配對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)。三 、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路 復(fù)合管取代互補(bǔ)管， T1 、T3為小功率管， T2 四、保護(hù)電路 保護(hù)電路有過(guò)流，過(guò)壓和過(guò)熱之分。過(guò)流保護(hù)電路四、保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路五、輸入激勵(lì)電路五、輸入激勵(lì)電路1.3 集成功率放大器1.3.1 LM380集成功率放大器T1T6管為輸入級(jí)，其中，T1、T3和T2、T4管接成共集共射組合差分放大電路。T5、T6為鏡象電流源，作為有源負(fù)載，R3為發(fā)射極反饋電阻。差放中T3管的靜態(tài)電流ICQ3（IEQ3）由 VCC通過(guò)T10管和R1設(shè)定，T4管的靜態(tài)電流ICQ4（IEQ4）由輸出靜態(tài)電位VOQ通過(guò)反饋電阻R2設(shè)定。 1.3 集成功率放大器1.3.1

14、 LM380集成功率放大1.3.2 功率運(yùn)算放大器在集成運(yùn)放輸出端接入T1T4管組成的互補(bǔ)推挽功率放大器。T5、T6管為電流自舉電路，當(dāng)T3（或T4）管電流iC3（或iC4）增大到R3（或R4）上的壓降導(dǎo)致T5（或T6）管導(dǎo)通時(shí)，RL上便附加T5（或T6）管的輸出電流。 1.3.2 功率運(yùn)算放大器在集成運(yùn)放輸出端接入T1T4管1.3.3 MOS管集成功率放大器T8、T9互補(bǔ)推挽輸出級(jí)，由T10、T12和T11 、 T13推動(dòng)；T7，R7， R8偏置電路，克服交越失真；IR，T6，R6共源放大器，推動(dòng)兩個(gè)雙極型互補(bǔ)推挽電路；T14 ，T15和D6,，D7為T(mén)8 ，T9的過(guò)流保護(hù)電路；R9過(guò)流取樣

15、電路。PA04集成MOS功率放大器的輸出級(jí)電路。1.3.3 MOS管集成功率放大器T8、T9互補(bǔ)推挽輸出級(jí)1.3.4 橋式功率放大器A1同相，A2反相，懸浮負(fù)載RL上的電壓幅度為單個(gè)放大器的兩倍接成橋路后，合成的輸出功率為單個(gè)放大器的四倍。1.3.4 橋式功率放大器A1同相，A2反相，接成橋路后，1.3.5 集成Class D音頻功率放大器 Class D類功放采用了脈寬調(diào)制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)，用模擬音頻信號(hào)調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度，使該等幅脈沖信號(hào)的寬度隨模擬音頻信號(hào)幅度大小而變化。因此，脈沖信號(hào)的寬度中包含了模擬音頻信號(hào)。用該脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出功率級(jí)，

16、產(chǎn)生信號(hào)，最后采用低通濾波器還原出音頻信號(hào)。所以，輸出功率管完全工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，獲得高效率。1.3.5 集成Class D音頻功率放大器 Cla Class D音頻功放主要由比較器，三角波發(fā)生器，功率放大器和LC低通濾波器等組成。 Class D音頻功放主要由比較器，三角波發(fā)生器，功采用橋式輸出可增加Class D功放的輸出功率，只是需要產(chǎn)生兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)橋式輸出功率級(jí)。在互補(bǔ)PWM信號(hào)激勵(lì)下，T1、T4和T2、T3交錯(cuò)導(dǎo)通，輸出功率增加到4倍。 采用橋式輸出可增加Class D功放的輸出功率，只是需要產(chǎn)生1.4 功率合成技術(shù) 功率合成是實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率放大器聯(lián)合工作的技術(shù)。A、B為功率

17、提供端，C、D為功率合成端。C為同相合成端，D為反相合成端，在一端合成功率輸出時(shí)，另一端無(wú)功率輸出。當(dāng)Rd和Rc之間滿足特定關(guān)系時(shí)，A、B兩輸入端彼此隔離。功率合成電路也可實(shí)現(xiàn)功率分配的功能。1.4.1 功率合成電路的作用1.4 功率合成技術(shù) 功率合成是實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率放大器聯(lián)一、變壓器和傳輸線的工作頻帶上限頻率主要受繞組電感和匝間分布電容限制，下限頻率主要受到有限激磁電感量限制。傳輸線有極寬的工作頻帶和很高的上限頻率。傳輸線指連接信號(hào)源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線。低頻工作，信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線長(zhǎng)度時(shí)，傳輸線為兩根普通的連接線，下限頻率為零。高頻工作，信號(hào)波長(zhǎng)與導(dǎo)線長(zhǎng)度可比擬時(shí)，兩導(dǎo)線上的固有分布電感和線間分

18、布電容的影響不能忽略。 1.4.2 傳輸線變壓器一、變壓器和傳輸線的工作頻帶1.4.2 傳輸線變壓器二、傳輸線變壓器的工作原理在上限頻率范圍內(nèi)1：1倒相二、傳輸線變壓器的工作原理在上限頻率范圍內(nèi)1：1倒相對(duì)稱（平衡）與不對(duì)稱（不平衡）的轉(zhuǎn)換三、傳輸線變壓器功能阻抗變換器 4：11：4對(duì)稱（平衡）與不對(duì)稱（不平衡）的轉(zhuǎn)換三、傳輸線變壓器功能阻抗Tr1魔T混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2 對(duì)稱一不對(duì)稱變換器。Tr1兩繞組上電壓等于 vd/2 1.4.3 用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔T混合網(wǎng)絡(luò) i = iaid ， i = idib id = （ia+ib） ic = 2i = iaib 一、功率合成i = （ iaib

19、） Tr1魔T混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2 對(duì)稱一不對(duì)稱變換器。Tr1兩繞組 ia = ib 反相輸入(2) ia =-ib 同相輸入 id = （ia+ib） ic = 2i = iaib 分三種情況ic =0 id = ia = ib Pd=Pa+PbC端無(wú)輸出，D端合成va = vb =vd/2輸入為正弦波Pc=Pa+Pbid =0 ic =2ia =2ib D端無(wú)輸出，C端合成vd=0 ia = ib 反相輸入(2) ia =-ib （3）ia ib，va vb v = vd/2，vd = idRd， vc = icRc， ic =2i va = v + vc = idRd+2iRc ， vb =

20、 v - vc = idRd-2iRc 只要負(fù)載均為極端情況若 等同ib =0Pc=Pd=Pa/2 （3）ia ib，va vb v = vd/2 二、功率分配同相功率分配反相功率分配 二、功率分配同相功率分配反相功率分配 三、另一種混合網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)11傳輸線變壓器組成 三、另一種混合網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)11傳輸線變壓器組成實(shí)例寬帶功率合成實(shí)例寬帶功率合成1.5 整流電路整流電路將電力網(wǎng)提供的頻率為50Hz的交流電壓變換為直流電壓（或電流）。 根據(jù)電路中采用的整流器件不同，下面按二極管整流電路、三極管整流電路和可控整流電路介紹1.5.1 二極管整流電路二極管整流電路按半波、全波、橋式三種介紹1.5 整流電

21、路整流電路將電力網(wǎng)提供的頻率為50Hz的交流Tr電源變壓器，D整流二極管， RL負(fù)載， CL濾波電容。工作原理：二極管上電壓為（v2-v0），大于零D導(dǎo)通，給CL充電，充電時(shí)間常數(shù)RDC；小于零D截止，CL放電，放電時(shí)間常數(shù)RLC。 RD0，iG=0，正向截止；2、vAK0 ，iG 0，正向?qū)ǎ?、 vAK0，i半波可控整流電路半波可控整流電路1.6 穩(wěn)壓電路為獲得穩(wěn)定的直流電壓，整流器后面一般都加接直流穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路分為并聯(lián)型，串聯(lián)型和開(kāi)關(guān)型三種。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路是由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，簡(jiǎn)單但穩(wěn)壓性能差。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路外，還介紹目前應(yīng)用較廣的低壓差線性穩(wěn)壓電路。

22、開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路是一種非線性電路，電路中的主要器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而獲得更高的效率。1.6 穩(wěn)壓電路為獲得穩(wěn)定的直流電壓，整流器后面一般都加接 1.6.1 串聯(lián)穩(wěn)壓電路原理電路組成框圖 1.6.1 串聯(lián)穩(wěn)壓電路原理電路組成框圖基準(zhǔn)電壓源電路基準(zhǔn)電壓源電路T16、T17為調(diào)整管。T15 ，D2和R11, R12, R13構(gòu)成調(diào)整管的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。 T14為過(guò)熱保護(hù)管。而T12，T13， D1， R4 R7和R18構(gòu)成穩(wěn)壓器的啟動(dòng)電壓。T1T7基準(zhǔn)電壓源電兼作比較放大器；R19，R20取樣分壓電阻。集成穩(wěn)壓電路T16、T17為調(diào)整管。集成穩(wěn)壓電路1.6.2 低壓差線性穩(wěn)壓電路基于負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)作用獲得穩(wěn)定的輸出電壓。取樣電壓加在比較放大器A的同相端，與加在反相端的基準(zhǔn)電壓Vref相比較，兩者的差值經(jīng)A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，穩(wěn)定輸出電壓。1