电子技术基础第5章-低频功率放大器课件.ppt

1、第5章 低频功率放大器n概述n乙类双电源互补对称功率放大电路n集成功率放大器n功率器件本章主要内容1.1.基本概念：基本概念：三极管的甲类、乙类和甲乙类三极管的甲类、乙类和甲乙类工作状态工作状态；交越失真交越失真2.2.PO（输出功率）；（输出功率）；POM（最大输出功率）；（最大输出功率）；3.PV（电源供给的功率）（电源供给的功率）=PO+PT；本章本章主要讲述功率放大电路的主要讲述功率放大电路的基本原理基本原理和和基本分析方法基本分析方法。【要求重点掌握以下内容：】本章主要内容6.6.双电源互补对称电路工作在乙类时，双电源互补对称电路工作在乙类时，BJTBJT器件器件安全工作必须要满足的

2、极限参数（安全工作必须要满足的极限参数（3 3个）：个）：PCM，V(BR)CEO，ICM4.4.PT（管耗）（管耗）5.5.（效率）（效率）=PO/PV；5.1 5.1 概述概述一.什么是功率放大电路？能够能够向负载提供足够信号功率向负载提供足够信号功率的放大电路称的放大电路称为为功率放大电路，简称，简称功放。二者无本质的区别，都是能量的控制二者无本质的区别，都是能量的控制与转换。与转换。二.功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？不同之处在哪里？不同之处在于：不同之处在于：各自追求的指标不同。各自追求的指标不同。电压放大电路：电压放大电路：功率放大电路：功率放大电路：主要要求

3、主要要求使负载得到不失真的电压信号使负载得到不失真的电压信号，其输出功率并不一定很大；通常为其输出功率并不一定很大；通常为小信号小信号放大电路。放大电路。主要要求主要要求获得尽可能大的不失真（或失真获得尽可能大的不失真（或失真较小）输出功率和转换效率较小）输出功率和转换效率，通常是在，通常是在大大信号信号状态下工作。状态下工作。5.1.1 功率放大电路的特点1.输出功率要大；输出功率要大；2.效率要高；效率要高；VOPP 输出功率电源提供的功率越大，效率越高越大，效率越高3.非线性失真要小；非线性失真要小；4.管耗较大，要考虑散热问题；管耗较大，要考虑散热问题；5.功放管的保护问题功放管的保护

4、问题5.1.2 功率放大电路分类四种工作状态四种工作状态 根据正弦信号整个周期根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分内三极管的导通情况划分乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180丙类：丙类：导通角小于导通角小于180功放管只在信号的半功放管只在信号的半个周期内导通个周期内导通功放管的导通时间大于功放管的导通时间大于信号的半个信号的半个 周期而小周期而小于信号的一个周期于信号的一个周期功放管的导通时间小功放管的导通时间小于信号的半个周期于信号的半个周期QICQ 甲类放大电路的特点：称为甲类放大电路在整个周期内

5、都有电流流过放大器件，即在整个周期内都有电流流过放大器件，即在一在一周期内周期内iC0。甲类放大电路的缺点：管耗大管耗大故电压放大电路不适宜作为功率放大电路！效率低效率低max=50%Q称为乙类放大电路乙类放大电路的特点：在一个周期内在一个周期内只有半个只有半个周期周期iC0。max=78.5%缺点：波形失波形失真严重真严重Q甲乙类放大电路的特点：称为甲乙类放大电路在一个周期内有在一个周期内有半个周期以上半个周期以上iC0。甲乙类放大电路的缺点：iC波形会产生失真波形会产生失真思考题：思考题：功率放大电路中电源的功率除了提功率放大电路中电源的功率除了提供给负载外，其余的消耗在什么地方？供给负载

6、外，其余的消耗在什么地方？消耗在管耗上。提高功放效率的根本途径是消耗在管耗上。提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗。减小功放管的功耗。思考题：思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？合适？采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越失真。失真。唯一的办法就是在电路结构上做文章，于是唯一的办法就是在电路结构上做文章，于是引出：引出：如何解决提高了效率却使电路波形产生严重失真的矛盾呢？5.2 乙类互补对称功率放大电路5.2.1 OCL互补对称功放 组成和原理

7、 互补对称：互补对称：电路中采用两个双极性电路中采用两个双极性三极管：三极管：NPN、PNP各一各一支；支；两管特性一致。组成互两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。补对称式射极输出器。5.2 5.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 uuVCCVCCoiLROCL:Output Capacitorless【无输出电容器】uuVCCVCCoiLRRLui-VCCT2先单独分析一下先单独分析一下T1和和T2：uuVCCVCCoiLRRLui+-VBE前提：忽略前提：忽略b、e间压降，即：视间压降，即：视VBE=0。是射极输出是射极输出 为电压跟随器为电压跟随器T1T2ui0时，

8、时，T1导通；导通；ui0时，时，T1不不导通导通ui0时，时，T2导通；导通；ui0时，时，T2不不导通导通二者可以二者可以互补互补输出输出1.静态时：ui=0V综合分析该互补输出电路综合分析该互补输出电路uuVCCVCCoiLRiC2iC1 ic1、ic2均均=0（乙类（乙类工作状态）工作状态）uo=0V没有电流，故没有消耗，从而解决了静态功耗的问题uuVCCVCCoiLR2.动态时：ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;iC1uuVCCVCCoiLR 2.动态时：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;iL=ic2T1、T2

9、两个管子交替承担放大任务，在负载上两个管子交替承担放大任务，在负载上得到完整的正弦波。得到完整的正弦波。iC2组成“推挽式电路”最大不失真输出功率Pom1.输出功率Poooo=IVP设设Vom为输出电压的最大值，即幅值，则为输出电压的最大值，即幅值，则有效值有效值Vo为：为：2omoVV CESCComUVV，若忽略，若忽略UCESL2CCL2CESCComRVRUVP212)(则则这里需熟记这里需熟记L2omo=RVP2L2CComRVP21L2omLomomRVRVV2225.2.2 OCL互补对称功放分析 电源供给的最大功率2.直流电源供给的功率PVToV=PPPLomCCRVV 2当当

10、时，时，CComVV LCCVmRVP22 PV一部分供给负载输出：一部分供给负载输出：另一部分供给管耗：另一部分供给管耗：L2omo=RVP2)4(22omomCCLVVVRPT 3.效率Vo=PP 时，时，当当 CComVV%78.54max 最高效率maxL2omo=RVP2LomCCRVVPV 2CComVV4=可见效率与负载RL无关这里需熟记这里需熟记LomCCRVVPV 2 LCCVmRVP22 CComVV4=一个管子的管耗一个管子的管耗021=T1tdivPCCE 4.管耗PT两管管耗两管管耗)d(sinsin0LomomCCtRtVtVV )(21)4(12omomCCLVV

11、VR T1T2=PP)4(22omomCCLVVVR 设输出电压为设输出电压为tSinVvomo tSinVvom CCCEV=LomLORtSinVRvi=C而而这这 里里 需需 熟熟 记记)4(112omomCCLVVVRPT)4(22omomCCLVVVRPT 求最大管耗PTM 用求极限的方法求解：对用求极限的方法求解：对Vom求导，令导数为求导，令导数为0。0211omCCLomTVVRdVdP)4(112omomCCLVVVRPT 因因CCVVV6.02 CCom时具有最大管耗。时具有最大管耗。即：即：214221 CCCCmTVVVRPCCL221LCCRV 该公式用来求最大管耗而

12、已求得而已求得L2CComRVP21omL2CCPRV2则则2211LCCmTRVP omP212 omP22 omP2.0体现的是最大管耗和最大输出功率之间的关系。这里需熟记这里需熟记2211LCCmTRVP omPPmT2.015.最大管耗和最大输出功率的关系因为因为)4(12omomCCLT1VVVRP 当当 0.6VCC 时具有最大管耗时具有最大管耗CCom2VV 0.2Pom L2CC2T1m1RVP 选管依据之一选管依据之一选取两个额定管耗大于选取两个额定管耗大于0.2Pom0.2Pom的管子，的管子，但要留有充分余地。但要留有充分余地。L2CCom2RVP6.选功率BJT管的原则

13、1.最大允许管耗最大允许管耗PCM必须大于必须大于PT1m0.2Pom；2.应选用应选用V(BR)CEO2VCC；3.通过通过BJT的最大集电极电流为的最大集电极电流为VCC/RL，所选，所选BJT的的ICM一般不宜低于此值。一般不宜低于此值。5.2.3 OTL单互补功率放大电路当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路称为OTL互补功率放大电路。的容量由放大电路的下限频率确定。CRfLL21=LL21fRC 5.2.4 BTL互补功率放大电路BTL互补功率放大电路由两路功率放大电路和反相比例电路组合而成，负载接在两

14、输出端之间。两路功率放大电路的输入信号是反相的，所以负载一端的电位升高时，另一端则降低，因此负载上获得 的信号电压要增 加一倍。BTL放 大电路输出功率 较大，负载可以 不接地。乙类互补对称放大电路的输入输出波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压uuVCCVCCoiLR考虑实际电路中考虑实际电路中VBE0Si:约约0.6VGe:约约0.2V乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题可见，利用乙类双电源互补对称电路在一定程度上解决了效率和电路波形产生严重失真的矛盾，但是这类电路还存在着一个不可克服的缺点：交越失真！如何解决交越失真的问题呢？5.2.5 消除交越失真互补

15、对称功率放大电路措施：措施：修改电路修改电路，想办法解决交越失真的问题。，想办法解决交越失真的问题。一.甲乙类双电源互补对称电路解决方法：解决方法：设法设法建立合适的建立合适的Q点点，使两只三极管，使两只三极管T1和和T2均工作在均工作在临界导通临界导通或称或称微导通状态微导通状态。因此想到利用二极管进行偏置，从而可因此想到利用二极管进行偏置，从而可以克服交越失真。以克服交越失真。5.2.5 消除交越失真互补对称功放电路uuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R

16、1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCvouuRoLi2R1DD2VCC1RVCCviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理：21BBV 静态时，即静态时，即vi0T3必导通。看直流通路：必导通。看直流通路：从从+VCC经经Re3、T3、D1、D2、RC3到到-VCC形成一个形成一个通路，则：通路，则：上上的的导导通通压压降降两两个个二二极极管管 2121DDBBVVVT1和和T2均处于微导通状态均处于微导通状态uuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuu

17、RoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCvouuRoLi2R1DD2VCC1RVCCviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理：21BBV两管分别有一个微小的两管分别有一个微小的基极电流基极电流IB1和和IB2导致两管集电极分别有导致两管集电极分别有微小的电流微小的电流IC1和和IC2从而建立了一个在输出从而建立了一个在输出特性

18、曲线上较低的特性曲线上较低的Q点点电路处于甲乙类 工作状态。uuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCvouuRoLi2R1DD2VCC1RVCCviT3Re3Rc3D1D2iC1iC2iLiB1iB2B1B2分析工作原理：动态时，设动态时，设vi=VmSintvi0，即正半周时T1导通，导通，T2截止；截止；T1 基极

19、电位进一步提高，基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；进入良好的导通状态；T2导通，导通，T1截止；截止；T2 基极电位进一步降低，基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。进入良好的导通状态。Vi0，即负半周时B1和和B2可近似视为一点可近似视为一点前面讲的这个电路解决了乙类放大电路的交越失真问题，但它也存在一个缺点：由于D1、D2的导通压降是固定的，故电路的偏置电压不可调。如何解决这个问题？引出了前面电路的改进电路，如下：改进电路：uuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCC

20、uuRoLi2R1DD2VCC1RVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCCvouuRoLi2R1DD2VCC1RVCCviT3Re3Rc3iC1iC2iLiB1iB2B2uuRoLi2R1DD2VCC1RVCCB1R1*R2T421BBV-+VCE4VBE4+-将将D1、D2的位置换成一个三极管的位置换成一个三极管T4。只考虑改进部分：只考虑改进部分：214BBCEVV24RBEVV且且42124CEBEVRRRV42214BECEVRRRV4211BEVRR而而VBE4固定固定(Si:0.60.7V)，故调整故调整R1与与R2的比值就可的比值就可改变改变T1与与T2间偏置电压。间偏置电

21、压。电路缺点：双电源！1W的小功率放大器的小功率放大器 10W以上的中功率放大器以上的中功率放大器 25W的厚膜集成功率放大器的厚膜集成功率放大器 输出功率发展变革输出功率发展变革5.3 5.3 集成功率放大器集成功率放大器单声道的单路输出集成功率放大器单声道的单路输出集成功率放大器 双声道立体声的二重双路输出集成功率放大器双声道立体声的二重双路输出集成功率放大器 电路结构发展变革电路结构发展变革一般的一般的OTL功率放大器集成电路功率放大器集成电路 具有过压保护电路、过热保护电路、负载短路保护具有过压保护电路、过热保护电路、负载短路保护电路、电源浪涌过冲电压保护电路、静噪声抑制电电路、电源浪

22、涌过冲电压保护电路、静噪声抑制电路、电子滤波电路等功能更强的集成功率放大器路、电子滤波电路等功能更强的集成功率放大器 电路功能发展变革电路功能发展变革6.5 功率器件功率器件n6.5.1 功率BJTn6.5.2 功率MOSFETn6.5.3 功率模块图 二次击穿实验曲线 图 二次击穿临界线 反偏二次击穿触发功率 零偏二次击穿触发功率 正偏二次击穿触发功率 SBRSBRSBRUIP000SBSBSBUIPSBFSBFSBFUIP在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿在二次击穿现象中，当第一次雪崩击穿后，从电流上升到后，从电流上升到I ISBSB ，再到触发产生二，再到触发产生二次击穿的时间延迟，称为

23、触发时间。意味次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味着着BJTBJT工作点进入一次击穿区时，并不立工作点进入一次击穿区时，并不立即产生二次击穿，而要有一个触发时间。即产生二次击穿，而要有一个触发时间。当加在当加在BJTBJT上的能量超过临界值（触发能上的能量超过临界值（触发能量）时，才产生二次击穿，也就是说二次量）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量击穿需要能量。5.4.1 功率BJT二次击穿二次击穿5.4 5.4 功率器件功率器件BJT的安全工作区的安全工作区 BJT工作的安全范围由几条曲线限定：集电极最大允许直流电流线ICM，由集电极允许承受的最大电流决定；集电极允许最高电压UCE0

24、，由雪崩击穿决定；集电极直流功率耗散线PCM，由热阻决定；二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。图 BJT的安全工作区小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。结构结构5.4.2 功率MOSFETIGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)

25、PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号5.4.3 功率模块IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。本章小结归纳一下本章的线索：电压放大电路(甲类放大电路

26、)为了提高为了提高转换效率转换效率引出了乙类、甲乙类放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路为解决波形失真问题为解决波形失真问题为了解决交为了解决交越失真问题越失真问题甲乙类双电源互补对称功率放大电路(可利用二极管或vBE扩大电路进行偏置)甲乙类单电源互补对称功率放大电路为解决电路工作点偏置和稳为解决电路工作点偏置和稳定问题，及双电源的缺点定问题，及双电源的缺点为解决输出电压为解决输出电压VomVCC/2的矛盾的矛盾自举电路必须要掌握，会求各参数求各参数时用VCC/2代替VCC本章小结说明：（1 1）功率放大电路是在大信号下工作，通常）功率放大电路是在大信号下工作，通常采用采用图解法图解法进行分

27、析。研究的重点是如何在允许进行分析。研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和转换的失真情况下，尽可能提高输出功率和转换效率。效率。（2 2）为保证）为保证BJTBJT安全工作，双电源互补对称电路安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时工作在乙类时，器件的极限参数必须满足：，器件的极限参数必须满足：omTCMPPP2.01CCCEOBRVV2LCCCMRVI本章小结本章重点掌握内容：（1 1）分析分析各种功率放大电路的基本各种功率放大电路的基本方法方法（2 2）计算计算双电源互补对称电路中双电源互补对称电路中各参数值各参数值。要求熟练掌握课上介绍的各参数计算公要求熟练掌握课上介绍的各参数计算公式。式。（3 3）计算单电源互补对称电路中各参数值。）计算单电源互补对称电路中各参数值。注意：注意：用用VCC/2代替公式中的代替公式中的VCC