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,