東南大學(xué)信息學(xué)院模電答案第一章功率放大器.ppt

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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，高效率和安全得實(shí)現(xiàn)能量變換和控制功能的電子線路。 功率電子線路分為功率放大電路和電源轉(zhuǎn)換電路； 功率放大電路是在輸入信號作用下,把直流功率按照輸入信號轉(zhuǎn)換成交流輸出功率的放大器； 電源轉(zhuǎn)換電路是把電源能量進(jìn)行特定方式轉(zhuǎn)換的電路器件。,1.1.1 功率放大器,,功率放大器與小信號放大器的區(qū)別是小信號放大的 是電壓或者電流,對輸出功率沒有要求;而功率放大器要求的就是放大輸出功率。同時有大動態(tài)電壓和電流，安全工作 功率放大器的性能指標(biāo):集電極效率和失真度； 集電極效率 PO為信號輸出功率，PD為直流功率，功耗為PC ， PO 相同，ηc越大，PD越小，PC也越小. 大信號運(yùn)用電路，放大管特性非線性引起失真比小信號放大器大，減小非線性失真必須認(rèn)真考慮。 功率放大器是保證功率管安全工作下，實(shí)現(xiàn)高效率和保證失真在允許范圍內(nèi)輸出信號功率的放大器。,,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。,1.1.2 電源變換電路,將電源能量進(jìn)行特定方式的變換 整流器：把交流電變成直流電； 斬波器：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； 逆變器：把直流電能變成不同幅值，頻率的交流電； 交流－交流變換器：把50Hz交流電變成不同幅值，頻率的交流電； 它們同樣要求選擇合適的功率器件，并具有很高的效率。,1.1.3 功率器件,大功率器件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與小信號器件不同 比如功率晶體管發(fā)射極面積較大，β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=RTH*P 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 加散熱器后的總電阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs＋ R(th)sa,加散熱器后的總電阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs＋ R(th)sa,二、二次擊穿 集電極電壓超過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，集電極電壓迅速減小，集電極電流急劇增大，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。,1.2 功率放大器的電路組成和工作特性,,1.2.1 從一個例子講起 功率放大器為大信號放大器，進(jìn)行性能分析時，功率器件必須采用一般模型（大信號模型）。目前，在工程上，采用較多的是在特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。,iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsinωt vCE = VCEQ + vce = VCEQ －Vcm sinωt,Vcm ≈ VCEQ ≈ VCC /2，Icm = Vcm /RL ≈ VCEQ / RL,,在上述表示式中，PL和PC均由直流和交流兩部分合成。以PL為例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相應(yīng)的最大集電極效率,,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,直流分析 直流負(fù)載方程：相應(yīng)的直流負(fù)載線是自VCC出發(fā)的一條直線EF vCE = VCC直流負(fù)載線與靜態(tài)基極電流iB=IBQ交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。,交流分析 交流負(fù)載方程：,vce = － ic,,vCE =VCEQ＋ vce ； iC =ICQ＋ic,vCE－VCEQ=,-（ iC－ICQ）,當(dāng) iC =ICQ時， vCE =VCEQ=VCC，而它在兩座標(biāo)軸上的截距為,,相應(yīng)畫出的交流負(fù)載線是一條通過Q點(diǎn)的直線MN，它的斜率即為-1/ 。,,性能分析 iC = ICQ+Icmsinωt vCE = VCEQ-Vcmsinωt， Vcm=Icm*RL 輸出信號功率： PL=P0=()Icm*Vcm = ()Icm2 * RL= ()Vcm2 / RL 直流功率：PD= =VCCICQ 集電極管耗： PC= = PD-P0 集電極效率：,,,,,當(dāng)PD一定時，要使輸出信號功率最大，要使Q點(diǎn)正在好交流負(fù)載線的中點(diǎn)。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。 輸出交流電壓： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 電流Icm = ICQ-ICEO 此時 Pomax=1/2 VCCICQ ηcmax =50% 當(dāng)Q點(diǎn)選定后，在允許的最大基極電流激勵下，僅有一個交流負(fù)載值，能使高效率的輸出最大信號功率，這個負(fù)載值所畫出的交流負(fù)載線的中點(diǎn)應(yīng)通過Q點(diǎn)。,進(jìn)一步增大不失真信號功率，可以提高Q點(diǎn)，但最終受到管子安全工作條件的限制。 加在集電極上最大電壓為 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO iCmax = 2ICQI CM PCmax= PDP CM 還應(yīng)保證動態(tài)點(diǎn)不超過二次擊穿限定的安全區(qū)。,甲類功放效率不高，理論不超過25％，又需要變壓器和大電容，輸出功率由功率三角形決定，在集成功率放大器中幾乎不用。而廣泛使用下面的乙類推挽功率放大器。 乙類推挽功放既解決了甲類功放效率不高的缺點(diǎn)，又較好的解決了乙類功放的失真問題，特別是交越失真的問題，因此，在工程上得到廣泛運(yùn)用。,二、乙類推挽功率放大電路,圖（a）為變壓器耦合電路，它由輸入變壓器Tr1、輸出變壓器Tr2和兩個特性配對且相同導(dǎo)電類型的NPN功率管T1、T2組成。輸入變壓器Tr1利用次級繞組的中心抽頭將輸入信號電壓 vi (t)分成兩個幅值相等、極性相反的激勵電壓，分別加到兩管基射極間，實(shí)現(xiàn)兩管輪流導(dǎo)通。輸出變壓器Tr2的作用是隔斷iC1和iC2中的平均分量，并利用初級繞組的中心抽頭將iC1和iC2中的基波分量在RL中疊加，輸出正弦波。右圖T 1和T 2是完全一致的互補(bǔ)功率管，接成共集組態(tài)。 T 1為NPN型管， T 2為PNP型管，輸出端接公共負(fù)載RL,集電極正負(fù)電源供電。,工作原理： 未輸入信號時，兩管截止，輸出電壓為0。加信號vi = Vimsinωt后，兩管輪流導(dǎo)通。 正半周期， T1導(dǎo)通， T2截止， iE1＝ iC1；負(fù)半周期， T1截止，T2導(dǎo)通， iE2＝ iC2。通過負(fù)載RL的電流iL = iE1-iE2, 為完整的正弦波。,性能分析：假設(shè)T1和T2完全配對，則ICEO和VBE(ON)均為零。在vi 正半周期， T1導(dǎo)通，交流負(fù)載為RL ，交流負(fù)載線為從Vcc出發(fā)，斜率為-1/RL的直線。而vi 負(fù)半周期， T1截止，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通電流在RL建立相應(yīng)電壓。說明T 1截止時交流負(fù)載線為與橫軸重合的水平線段。對T2管同理交流負(fù)載線為從-Vcc出發(fā)，斜率為-1/RL的直線,截止時為與橫軸重合的水平線段。,輸入為正弦波信號的推挽式乙類功放，在最大不失真條件下的兩管集電壓電流為： ic1＝Icmsinωt 0≤ ωt ≤π ＝0 π ≤ ωt ≤2 π ic2＝0 0≤ ωt ≤π ＝ -Icmsinωt π ≤ ωt ≤2 π vCE1＝ VCC-Vcmsinωt vCE2＝ -VCC-Vcmsinωt 通過負(fù)載RL的電流 iL ＝ ic1-ic2= Icmsinωt 相應(yīng)產(chǎn)生的電壓 vL ＝ Vcmsinωt = RLIcmsinωt,,合成輸出最大不失真信號功率： P L = ()VcmIcm = () Vcm2/ RL 電源電壓利用系數(shù)： 正負(fù)直流電源供電的總直流功率為 集電極效率ηc＝PL /PD ＝(π/4)ξ 時 集電極功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2ξ/π-ξ2/2)PLmax 總耗散功率 PC = PC1＋PC2 = (4ξ/π- )PLmax 當(dāng)ξ=2/π≈0.636時，PC 最大PCmax= 4PLmax/π2≈0.4PLmax,,可見，在乙類推挽功率放大器中，Pc的最大值既不出現(xiàn)在ξ=0即靜止?fàn)顟B(tài)，也不出現(xiàn)在ξ=1即最大輸出狀態(tài)。因?yàn)棣涡r，雖然Po小，但PD也小，結(jié)果Pc小；反之， ξ接近于1時，雖然PD大，但由于 高。PD中大部分轉(zhuǎn)化為PL，結(jié)果Pc也較小。 乙類推挽管安全工作的條件： vCEmax≈2 VCC V(BR)CEO iCmax= ILm≈ VCC/RL ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax PCM 同時動態(tài)點(diǎn)不能超過二次擊穿限定的安全區(qū),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 當(dāng)輸入信號很小，沒有達(dá)到管子導(dǎo)通電壓VBE（on)時，管子沒有導(dǎo)通，正負(fù)周期交替過零時不能銜接，會有非線性失真，這就是交叉失真或者交越失真。如果輸入信號電壓振幅越小，交越失真就越嚴(yán)重。為了消除交越失真，必須在管子B-E間加合適的正向偏置電壓，其值應(yīng)該稍大于兩管導(dǎo)通電壓之和。,2. 二極管偏置電路 電流源激勵二極管，提供正向管壓降 VBB=2 VTIn(IR/IS),3. VBE倍增偏置電路 VBE3 =VTIn(IC3/IS) ≈VTIn(IR/IS) VBB=VBE3(1+R1/R2) 通過改變R1和R2， 可提供需要的 VBB,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 CL。CL可以充當(dāng)VCC /2的直流 電源作用。,三 準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路 復(fù)合管取代互補(bǔ)管， T1為小 功率管， T2為大功率管，等 效一個NPN管。 復(fù)合管類型取決第一個管的 類型。這樣他們的配對更容 易實(shí)現(xiàn),四 保護(hù)電路 分為過流，過壓和過熱保護(hù)三種。 過流保護(hù)電路如圖T1,T2為保護(hù)管,五、輸入激勵電路 T3為激勵級，甲類工作，（ R1 + R2 )為集電極電阻， T1， T2為互補(bǔ)功率管，單電源供電，C為自舉電容。,1－4 高效率功率放大器,一個功率放大器，集電極效率ηc＝P0 /PD, 其中PD＝ PO＋PC。要提高ηc，必須減小PC 。 減小功耗的方法： 減小導(dǎo)通時間，增大信號周期內(nèi)瞬時功耗為零的時間。 減小管子導(dǎo)通時間的瞬時功耗，比如開關(guān)工作。但是 高效率帶來的是高失真。,1－4－2 丙類功率放大器,丙類功率放大器又稱高頻功率放大器，為了實(shí)現(xiàn)不失真放大，主要用于放大單一頻率正弦信號。外界負(fù)載為天線，電特性是CA和rA的串聯(lián)。 Lr和Cr為匹配網(wǎng)絡(luò)，與天線構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，調(diào)節(jié)Cr使回路諧振在輸入信號頻率上。,輸入信號為vb= Vbmcosωt,計(jì)算集電極電流波形ic為一串周期性脈沖序列 ,用傅立葉級數(shù)分解電流脈沖序列為平均分量ICO,基波分量iC1和諧波分量iC2， iC3等之和,1-4-3 丁類功率放大器,使功率管在輸入信號的半個周期內(nèi)飽和導(dǎo)通，另半個周期內(nèi)截止，即開關(guān)工作的功率放大器。提高效率的措施不是減小導(dǎo)通時間，而是減小導(dǎo)通期間的瞬時管耗。,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)電路中采用的主要整流器件不同，整流電路分為二極管整流電路、三極管整流電路和可控整流電路,1.5.1 二極管整流電路 二極管整流電路分為半波、全波、橋式三種,一、半波整流電路 Tr為電源變壓器，D為整流二極管， RL為輸出負(fù)載電阻， CL為輸出濾波電容。,半波整流電路工作原理：輸入交流電壓v2為正時，D導(dǎo)通，給CL充電，當(dāng)上升到A點(diǎn)時，實(shí)際加到D上電壓（v2-v0）下降為零，D截止，CL放電，v0下降到B, v2又大于v0，（v2-v0）為正，D導(dǎo)通，v2再次向CL充電；在v0增長過程中，充電電荷減少，泄放電荷增加，當(dāng)達(dá)到平衡時，v0在均值VO上下做等幅波動。VO即為輸出整流電壓。,紋波大小取決于CL和RL的大小，當(dāng)增大CL或RL時，由于減慢了CL通過RL的放電速度，從而減小了CL的泄放電荷量，因而達(dá)到動態(tài)平衡時CL的充電電荷量也就必須相應(yīng)減小，結(jié)果是D的導(dǎo)通時間減小，Vo增大，紋波電壓減小。,二、全波和橋式整流電路 由兩個半波整流電路組成，在每個輸入信號周期內(nèi)，CL經(jīng)歷兩次重放電過程。通過RLCL電路的電流io在每個輸入信號周期出現(xiàn)兩個同極性電流脈沖，疊加在VO上紋波電壓頻率加倍，濾波能力加強(qiáng)，紋波電壓比半波整流電路小。,橋式整流中vo, io均與全波整流電路相同。每次導(dǎo)通和截止都是兩只串聯(lián)的整流管同時導(dǎo)通或截止。因此，功耗增加，效率降低，但截止時最大反向電壓由兩管共同承擔(dān)，降低了對整流二極管的要求。而且電源變壓器不需要抽頭，降低制作成本,1.6 穩(wěn)壓電路,整流器輸出的直流電壓不穩(wěn)定，且疊加了較大的紋波電壓。為了獲得穩(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，但缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能差，一般不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路外，目前應(yīng)用較廣的低壓差線性穩(wěn)壓電路是一種特殊的串聯(lián)型穩(wěn)壓器。在同樣電源電壓情況下，它可以獲得比普通串聯(lián)穩(wěn)壓電路更高的輸出穩(wěn)定電壓，從而獲得更高的效率。開關(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關(guān)狀態(tài)，從而獲得更高的使用效率。,1.6.1 串聯(lián)穩(wěn)壓電路,基準(zhǔn)電壓源電路,,,,,1.6.2 低壓差線性穩(wěn)壓電路,低壓差線性穩(wěn)壓器是基于負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)作用來獲得穩(wěn)定的輸出電壓，由串聯(lián)調(diào)整管T、取樣電阻R1和R2、比較放大器A和基準(zhǔn)電壓源電路組成。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，從而穩(wěn)定輸出電壓。,,,LDO與一般串聯(lián)穩(wěn)壓電路的最大區(qū)別在于調(diào)整管的接法。 在一般串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管共集連接，工作在放大區(qū)； LDO中的調(diào)整管為共源連接，可工作在飽和區(qū)，甚至于非飽和區(qū)。 一般串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸入和輸出電壓差至少為一個集射飽和電壓 和一個基射導(dǎo)通電壓之和。而對于LDO，當(dāng)調(diào)整管工作于非飽和 區(qū)時，其輸出電壓可以非常接近輸入電壓，即其可以獲得非常小 的壓差。,1.6.3 開關(guān)穩(wěn)壓電路,在開關(guān)穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，通過控制開關(guān)的啟閉時間來自動調(diào)整輸出電壓。,一、直流—直流變換器,直流—直流變換器有降壓型、升壓型和降壓—升壓型三種典型電路。,,,,降壓型變換器,VA = VI,,,ton,,toff,,,,,2. 升壓型變換器,,ton,,toff,,,,3. 降壓—升壓型變換器,,ton,,toff,,二、 開關(guān)穩(wěn)壓電路工作原理,虛線框?yàn)樽儞Q器，R1和R2為取樣網(wǎng)絡(luò)，取樣電壓Vs加到誤差放大器的正相輸入端，與基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生誤差電壓經(jīng)放大后加到比較器的反相輸入端。振蕩器產(chǎn)生特定頻率的三角波。,將變換電路與相應(yīng)的控制電路組合成一個閉合環(huán)路?？刂齐娐肥归_關(guān)管的啟閉時間受到輸出電壓變化的控制，而輸出電壓由開關(guān)管的啟閉時間調(diào)整。這樣，就構(gòu)成了具有穩(wěn)壓功能的開關(guān)穩(wěn)壓電路。,1.6.4 LDO與開關(guān)穩(wěn)壓電路比較,LDO優(yōu)點(diǎn)：成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，它需要的外接元件少。 開關(guān)穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)：效率高、大電流、靜態(tài)電流小。 若輸入電壓和輸出電壓很接近，應(yīng)選用LDO穩(wěn)壓器。 若輸入電壓和輸出電壓不是很接近，應(yīng)選用開關(guān)型穩(wěn)壓器。 總的來說，升壓應(yīng)該選開關(guān)穩(wěn)壓電路，而降壓，是選擇開關(guān)穩(wěn)壓電路還是LDO，要在成本，效率，噪聲和性能上綜合考慮。,