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1、功率放大器 功率电子电路电源变换电路,第1章 功率电子电路,1.1 功率放大器概述 1.2 功率放大器的电路组成和工作特性 1.3 乙类推挽功率放大器 1.4 整流与直流稳压电路,1.1 功率放大器概述功率放大器的主要内容:功放电路组成工作原理图解分析法性能指标估算功率管选择,功率放大器的特点：(1) 给负载提供足够大的功率。(2) 大信号工作。(3) 分析方法以图解法为主。(4) 非线性失真矛盾突出。 (5) 提高效率成为重要的关注点。(6) 功率器件的安全问题必须考虑。,1.功率放大器主要指标 （1） 输出功率Po功率放大器应输出足够大的输出功率Po以推动负载工作。,（2） 效率C定义：功

2、率放大器的输出信号功率Po与直流电源提供功率PD之比, 用C表示，即 电源提供的直流功率PD晶体管的管耗PC (PC=PD-Po)结论：对于功率放大器，提高效率是一个重要问题。,（3）非线性失真功率放大器是大信号运用， 信号动态范围往往超出晶体管的线性区域，导致输出信号失真。因此减小非线性失真，成为功率放大器的又一个重要问题。 功率放大器的要求：在保证晶体管安全运用的情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。 ,功率放大器的分类根据功率管导通时间的长短（或集电极电流流通时间的长短或导通角的大小）， 功率放大器分为4种工作状态: 甲类（A）、乙类（B）、甲乙类（AB）

3、、丙类（C）,功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。,（1）甲类工作状态在整个周期内晶体管集电极电流始终是流通的, 即导通角等于180 ,特点：非线性失真小 静态工作点Q的位置较高(ICQ大) 效率太低特例：没有收到信号时，电源仍供给功率(ICQ0)，这些功率将转化为无用的管耗。,（2）乙类工作状态晶体管半周导电，半周截止。集电极电流只在半周内随信号变化, 而在另外半个周期为零, 即导通角等于90。,特点：效率提高了（直流电流为零）问题： 非线性失真大(波形只有半周)解决：在电路结构上加以弥补。,（3）甲乙类工作状态它是介于甲类和乙类之间的工作状态, 静态工作点Q较低，靠近截止区，即发射结

4、处于正向运用的时间略超过半个周期, 小于一个周期, 即导通角大于90小于180 ,特点：效率略低于乙类 此类状态是为了克服乙类特有的交越失真设置。,（4）丙类工作状态工作点Q选在截止区内，晶体管发射结处于正向运用的时间小于半个周期, 集电极电流流通的时间还不到半个周期, 即导通角小于90。 特点：效率更高 应用：主要用于高频功率放大器中。,各类功放效率的比较甲甲乙乙丙。 理想情况下，甲类功放的最高效率为50%， 乙类功放的最高效率为78.5%，丙类功放的最高效率可达85%90%。 但丙类功放要求特殊形式的负载，不适用于低频。低频功率放大器只使用前 3 种工作状态。 ,注意：提高效率是功率放大器

5、的研究方向,另一种提高效率的途径：管子开关工作丁类（D）戊类（E）半个周期饱和导通 另半个周期截止，管耗始终很小，效率很高 90%以上。,1.2 功率放大器的电路组成和工作特性 一、甲类(A类)功率放大器 1、电路输出变压器初级接到功率管集电极回路，次级接负载RL 。若变压比为n，则初级等效交流负载为,最佳负载,变压器耦合功放,（1）静态分析, 画直流通路, 画直流负载线 直流负载线方程：vCE = VCC 直流负载线：EF,甲类变压器耦合功率放大器的图解分析, 求 Q 点 IBQ， ICQ，VCEQ = VCC,(2)动态分析, 画交流通路, 画交流负载线交流负载线方程：, 求动态范围,(3

6、)功率性能,输入充分激励，Q 处在负载线中点，忽略非线性失真，且 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则：,其中： Vcm = VCEQ = VCC,功率参数计算：,PD是一个固定不变的值，与信号的有无或大小均无关。,结论：功率放大器极少采用A类放大器。,(4)功率管的选择,集电极上的最大电压 vCEmax = VCEQ +Vcm 2VCC，通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。,安全工作条件：,二、乙类推挽功率放大电路,乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的推挽 (Push-Pull) 电路。有多种实现方案：,(1) 变压器耦

7、合乙类推挽功放 (2) 互补推挽功放,1. 变压器耦合功放,(1) 电路结构,Tr2输出变压器，利用初级绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 在 RL 中叠加，输出正弦波。,T1 和 T2特性配对、相同导电类型的 NPN 功率管,(2) 工作原理 (忽略射结导通压降),vi1(t) 0 时， vi2(t) 0，T1 管导通，T2 管截止，ic1 处于正半周的半个正弦波；,vi2(t) 0 时， vi1(t) 0，T2 管导通，T1 管截止，ic2 处于负半周的半个正弦波。iC1 和 iC2 在 RL 中叠加，输出正弦波。,2互补推挽电路,互补推挽,(1)电路特点,T1 与 T2：功率管互补配对

8、,(2)工作原理(忽略射结压降),通过 RL 的电流 iL = iE1 iE2 ，合成完整的正弦波。,3乙类推挽功率放大器的性能分析,(1)静态工作点,注意：静态时, T1、T2都不可能导通, 处于截止状态。 结论：静态时,电路不消耗功率。,（2）动态分析,vi 0时，T1 导通，T1与RL组成射极输出器; vi 0时，T2导通, T2与RL也组成射极输出器。 在输入信号一个周期里, T1、T2交替工作, 在负载RL上合成一个完整的输出波形。 ,（3）性能分析 （图解法）,vi 0，T1 导通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 - 1/RL ；,vi 0，T2 导通，负载线 AQ 过 Q 点，

9、斜率为 - 1/RL 。,充分激励，尽限运用时：,求性能指标：,尽限运用时：,尽限运用时:,非尽限运用： 激励不足，Vcm 减小，引入电源电压利用系数 表示 Vcm的减小程度。,求最大管耗:,功放性能随 变化的特性：, 小时，PD 、Po 、 C 小； 接近 1 时，PD 、Po 、C 大。,结论：, PC 非单调变化，两头小，中间大。, PD 随 (激励)线性增大，与甲类不同。 甲类时PD是定值,功率管选择:,练习：乙类互补功放电路。已知：,功率管的极限参数为：,试求：1）最大输出功率,2）放大电路在,，并检验功率管是否安全工作；,时的输出功率,1.3 乙类推挽功率放大电路,从原理电路到实用

10、电路，还需解决如下问题：, 交越失真 加偏置电路； 双电源 单电源供电； 互补管难配 准互补推挽电路； 安全 过载保护（过流保护）；,一、交越失真（交叉失真）,结论：乙类推挽放大器所特有的失真交越失真。,交越失真输出电压波形在衔接处出现的失真,克服交越失真的途径,在输入端为两管加合适的小正偏电压，使其工作在甲乙类。,只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。,由于偏置较小，对效率的影响不大。,常用的甲乙类电路, 二极管偏置电路, vBE 倍增电路,二极管偏置电路,特点：二极管交流电阻很小，可认为交流

11、短路，因此偏置电路不影响输入信号 vi (t) 的传输。 二极管具有温度补偿作用高热稳定性,vBE 倍增电路,(1) 电路,由 T3、R1、R2 组成，为 T1、T2 提供偏置 VBB。,交流：T3、R1 构成电压负反馈电路，反馈电路的输出电阻很小，不影响信号的传输。,优点（1）调R1、R2比值调偏置（2）R1引入电压反馈，使“输出电阻”很小，不影响交流传输。（3）具有热补偿作用。,甲乙类：由于正偏压较小, 静态电流很小, 所以一般其分析计算按乙类功率放大器对待。 ,(2) 倍增原理,二、单电源供电的互补推挽电路(OTL),1电路特点,2工作原理,单电源供电电路等效为 VCC/2 和 VCC/

12、2 的双电源供电电路。, 负载串接大容量 CL，等效为直流电源（VCC/2）。, 单电源供电,三、准互补推挽电路,1. 问题的提出,互补推挽电路要求两只功率管特性配对，难以实现。,2. 解决办法,采用复合管取代互补管，构成准互补推挽电路。,复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1，所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质。,T1、T3 为小功率管，它们之间是互补的，T2、T4 为大功率管，它们是同型，便于特性配对。,准互补推挽电路,R1和R2 作用：分流反向饱和电流 目的：提高功放的温度稳定性。,四、保护电路,1. 必要性,正常情况下，功率管是安全的。,发生异常情况时，例如，负载短路，通过功

13、率管的电流迅速增大，超过极限参数，造成管子损坏。,2. 过流保护电路,T1、T2 为保护管，R1、R2 为过流取样电阻。,注意：正常情况下, 保护电路不起作用。,1.4 整流与直流稳压电路,直流稳压电源的任务：将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。,整流：将交流电源变换成单向电源的过程。,滤波：使整流输出电压波形平滑。 稳压：获得稳定的直流电压。,一、整流滤波电路利用二极管的单向导电性能可实现整流。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流。1.半波整流,加滤波电容的半波整流滤波电路,平均分量为输出整流电流,输出整流电压,增大纹波电压减小滤波能力提高,2 全波整

14、流电路,3 .桥式整流电路,加滤波电容的桥式整流电路,三种整流滤波电路性能比较1. 输出整流电压：全波、桥式比半波大2. 输出整流电流：3. 纹波电压：全波、桥式比半波小4. 二极管承受的最大反向电压（二极管对耐压的要求）：半波：2V2m ； 全波：2V2m ； 桥式：V2m 流过二极管的平均电流（二极管最大整流电流）；半波： 全波、桥式结论：全波和桥式性能比半波电路好，桥式比全波简单，桥式应用最广。,二、串联型稳压电路 目的：输出电压不受输入电压和负载变化的影响。 ,实质：利用负反馈进行自动控制电路。,1工作原理,调整管三极管（与负载串联),比较放大器差分放大器、集成运放等。,工作过程：从Vo中取样VS，与基准电压VREF比较，其差值经放大后控制调整管间的压降，从而达到稳定Vo的目的。,串联型稳压器原理图,T5 调整管，工作在放大区。,VB5 VCE5 ,R1、R2 取样电路,取样电压：,基准电压 VREF,由 T1、T2 组成的差分放大器作为比较放大器，T3、T4 为有源负载。,调节过程：若 VI 或 RL 变化使 VO 增加,VO VS (VREF 不变) VC2 = VB5 VCES VO ,负反馈电路,计算输出电压： 深度负反馈估算,调节R1和R2的比值，输出电压就可调,