电子线路非线性部分第五版第一章功率放大器课件.ppt
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- 电子线路 非线性 部分 第五 第一章 功率放大器 课件
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1、1.1 概述概述功率电子线路是采用功率电子器件实现能量变换和控制功能的电路。功率电子线路分为功率放大电路和电源变换电路;n功率放大电路是在输入信号作用下,把直流能量转换成交流输出功率的放大电路;n电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电路。1.1.1 功率放大器功率放大器功率放大器与小信号放大器的区别:小信号放大的是电压或者电流,对输出功率无要求。功率放大器的要求是,在安全工作条件下,高效率,小失真,输出尽可能大的功率。n集电极效率 PO 信号输出功率,PD 直流功率,功耗 PC,PO 相同,PC越小,C 越大。n大信号运用电路,放大管特性非线性引起失真比小信号放大器大,减小非线性失真必须
2、认真考虑。CooDoCPPPPP 按照功率管不同工作状态,分为甲类,乙类,甲乙类和丙类等。集电极效率甲类最低,丙类最高。1.1.2 电源变换电路电源变换电路n将电源能量进行特定方式的变换nAC-DC:把交流电变成直流电 整流器整流器;nDC-DC:把一种数值的直流电变成另一种数值或者极性的直流电 斩波器斩波器;nDC-AC:把直流电能变成不同幅值,频率的交流电 逆变器逆变器;nAC-AC:把50Hz交流电变成不同幅值,频率的交流电 变换器变换器;它们同样要求选择合适的功率器件,并具有很高的效率。1.1.3 功率器件功率器件 大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同 比如功率晶体管发射极面积较大
3、,较低,ICBO较 大,V(BR)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相连,便于安装散热器。一、散热一、散热 热阻与温度的关系T2-T1=RTHP 集电极最大耗散功率PCM=(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth=R(th)jc+R(th)ca R(th)jc为结与底座的热阻,R(th)ca为管壳与周围环境的热阻 加散热器后的总电阻 Rth=R(th)jc+R(th)cs R(th)sa二、二次击穿二、二次击穿集电极电压超过V(BR)CEO而引起的击穿,只要限制击穿电流,是可逆的。而如果不限制电流,可能出现集电极电压迅速减小,电流急剧增大的现象,这种由高压小电流迅速转移为低
4、压大电流的现象就是二次击穿,而且不可逆。双扩散MOS管(Double-diffused MOSFET),它可承受的电流高达数百安,电压高达几百伏,甚至上千伏。三、器件三、器件绝缘栅双极型功率管绝缘栅双极型功率管(IGBT)与双扩散MOS管相比,IGBT仅在高掺杂N+区与金属漏极之间插入一层高掺杂的P+区,与作为MOS管衬底的P+区之间夹着N区,形成两个PN结,构成PNP型晶体三极管,这个晶体三极管与MOS管共同组成组合管。1.2 功率放大器的电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性性能分析时,器件采用大信号模型。工程上,采用图解分析。1.2.1 从一个例子讲起从一个例子讲起iC=ICQ
5、+ic=ICQ+Icmsint vCE=VCEQ+vce=VCEQ Vcm sint Vcm VCEQ VCC/2,Icm=Vcm/RL VCEQ/RL CQCCCCC20D21IVtdiVPcmcmCQCEQL2cmL2CQL2C20L212121IVIVRIRItdRiPcmcmCQCEQCEC20C2121IVIVtdviPPL中交流功率Po=VcmIcm/2=VCEQICQ/2=PD/4,相应的最大集电极效率%254/1/DoCmaxPP1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能及其功率性能 RL=n2RL 一、甲类变压器耦合功率放大电路一、
6、甲类变压器耦合功率放大电路n直流负载线是自vCE=VCC出发的垂直线EF 直流负载线与iB=IBQ交点即为静态工作点Q。n交流负载线是一条通过Q点的直线MN,它的斜率为-1/RLn性能分析 iC =ICQ+Icmsint vCE=VCEQ-Vcmsint,Vcm=IcmRL 输出信号功率:直流功率:PD=VCCICQ 集电极管耗:PC=PD-Po 集电极效率:CCCQcmcm12V IV ILoPPL2cmL2cm/2121RVRICQCCcmcmDOC21IVIVPPPD一定时,要使输出信号功率最大,应使Q点正好在有效交流负载线的中点,即 Vcm=VCC-VCE(sat),Icm=ICQ-I
7、CEO。若忽略VCE(sat),ICEO,则有 Vcm=VCC,Icm=ICQ,Pomax=1/2 VCCICQ,cmax=50%。当Q点选定后,在充分激励情况下,仅有一个交流负载值,能输出最大信号功率,其交流负载线的中点必定通过Q点。vCEmax=2VCCV(BR)CEO VCC V(BR)CEO/2 iCmax =2ICQI CM ICQ I CM/2 PCmax=PDP CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全区。安全工作条件安全工作条件PPPVIomaxCMomax(BR)CEOCM/28/二、乙类推挽功率放大电路二、乙类推挽功率放大电路变压器耦合电路互补推挽电路电路介绍电路介绍
8、两管配对,无信号时,截止,输出为0。加信号vi=Vimsint,两管轮流导通。正半周,T1导通,T2截止,iE1 iC1;负半周,T1截止,T2导通,iE2 iC2。负载RL的电流iL=iE1-iE2,为完整的正弦波。工作原理工作原理 假设T1和T2完全配对,ICEO和VBE(ON)均为零。管子导通时,交流负载为RL,交流负载线为从电源出发,斜率为-1/RL的直线。管子截止时交流负载线为与横轴重合的水平线。性能分析性能分析n输入为正弦信号的推挽式乙类功放,在最大不失真条件下两管轮流导通,集电极电流在信号的不同半周为正弦波,另半周为零。n通过负载RL的电流 iL ic1-ic2=Icmsintn
9、相应产生的电压 vL Vcmsint=RLIcmsintn负载功率:PL=Po=VcmIcm/2 n电源提供的总功率:PD=PD1PD2=2VCCIC0=2VCCIcm/n令电源电压利用系数为:n集电极效率CPo/PD(/4)n单管集电极功耗 PC1=PC2=(PD-PL)/2=(2/-/2)Pomax =2/0.636 PCmax 0.2Pomax 2cmL/2IRcccm/VV2ccomaxL12VPR222CCoomaxL12VPPRomaxL2cccmCCD422PRVIVP1Cmax 478.5%2n注意:注意:在乙类推挽功率放大器中,PC的最大值既不出现在=0即静止状态,也不出现在
10、=1即最大输出状态。因为小时,虽然Po小,但PD也小,结果PC小;反之,接近1时,虽然PD大,但 也高。PD中大部分转化为Po,结果PC也较小。n安全工作的条件:vCEmax2 VCC V(BR)CEO iCmax=Icm VCC/RL ICM PC1max=PC2max=0.2 PLomax PCMn 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区C1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路乙类互补推挽放大器实际电路一、交叉失真和偏置电路一、交叉失真和偏置电路1.交叉失真交叉失真由于导通电压的影响,电路传输特性的起始段弯曲,因此两管合成的传输特性在零点附近出现非线性,在输入正弦波激励下,输出合成电压波形
11、将在衔接处出现严重失真,这就是交叉失真或者交越失真。加偏置可以克服失真。VBB=2 VTIn(IR/IS)2.二极管偏置电路二极管偏置电路VBE3=VTln(IC3/IS)VTln(IR/IS)VBB=VBE3(1+R1/R2)通过改变R1和R2,可提供需要的 VBB3.VBE倍增偏置电路倍增偏置电路 如果使用单电源供电,必须在公共负载端串接大容量电容 CL。CL可以充当VCC/2的直流电源作用。二、二、单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路 复合管取代互补管,T1、T3为小功率管,T2、T4为大功率管,T1、T2等 效为一个NPN管,T3、T4等 效为一个PNP管。复合管类型取决第
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