電子技術基礎模擬部分（第六版）：ch09 功率放大電路

《電子技術基礎模擬部分（第六版）：ch09 功率放大電路》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《電子技術基礎模擬部分（第六版）：ch09 功率放大電路（38頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、華中科技大學華中科技大學 2華中科技大學 張林電子技術電子技術基礎模擬部分基礎模擬部分1 1 緒論緒論2 2 運算放大器運算放大器3 3 二極管及其基本電路二極管及其基本電路4 4 場效應三極管及其放大電路場效應三極管及其放大電路5 5 雙極結型三極管及其放大電路雙極結型三極管及其放大電路6 6 頻率響應頻率響應7 7 模擬集成電路模擬集成電路8 8 反饋放大電路反饋放大電路9 9 功率放大電路功率放大電路10 10 信號處理與信號產(chǎn)生電路信號處理與信號產(chǎn)生電路11 11 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源華中科技大學 張林39 9 功率放大功率放大電路電路9.1 9.1 功率放大電路的一般問題功率放大

2、電路的一般問題9.2 9.2 射極輸出器射極輸出器甲類放大的實例甲類放大的實例9.3 9.3 乙類雙電源互補對稱功率放大電路乙類雙電源互補對稱功率放大電路9.4 9.4 甲乙類互補對稱功率放大電路甲乙類互補對稱功率放大電路9.5 9.5 功率管功率管9.6 9.6 集成功率放大器舉例集成功率放大器舉例4華中科技大學 張林9.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題1.功率放大電路的特點及主要研究對象功率放大電路的特點及主要研究對象(1)(1)功率放大電路的主要特點功率放大電路的主要特點 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時

3、輸出較大的電的的放大電路。因此，要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。(2)(2)要解決的問題要解決的問題 提高效率提高效率 減小失真減小失真 管子的保護管子的保護 一般直接驅(qū)動負載，帶載能力要強。一般直接驅(qū)動負載，帶載能力要強。5華中科技大學 張林9.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題2.功率放大電路提高效率的主要途徑功率放大電路提高效率的主要途徑 降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流（a）（b）（c）iC O t iC O t iC O t iC O Q vCE ICQ iC O vCE ICQ Q iB常

4、數(shù)常數(shù) iC O vCE iB常數(shù)常數(shù) iB常數(shù)常數(shù) 四種工作狀態(tài)四種工作狀態(tài) 根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)三極管的導通情況劃分三極管的導通情況劃分乙類：乙類：導通角等于導通角等于180甲類：甲類：一個周期內(nèi)均導通一個周期內(nèi)均導通甲乙類：甲乙類：導通角大于導通角大于180丙類：丙類：導通角小于導通角小于1806華中科技大學 張林9.2 射極輸出器射極輸出器甲類放大的實例甲類放大的實例特點：特點：電壓增益近似為電壓增益近似為1，電，電流增益很大，可獲得較大流增益很大，可獲得較大的功率增益，輸出電阻小，的功率增益，輸出電阻小，帶負載能力強。帶負載能力強。7華中科技大學 張林9.2

5、射極輸出器射極輸出器甲類放大的實例甲類放大的實例輸出電壓與輸入電壓的關系輸出電壓與輸入電壓的關系 設設BJT的飽和壓的飽和壓VCES0.2V vO正向振幅最大值正向振幅最大值 vO負向振幅最大值，負向振幅最大值，T截止截止 臨界截止時臨界截止時 0EC iiCCCComV2.0VVV V6.0IO vvBIASomII LBIASomRIV 8華中科技大學 張林9.2 射極輸出器射極輸出器甲類放大的實例甲類放大的實例 8LRiIV6.0vv 當當正弦波最大輸出電壓正負幅正弦波最大輸出電壓正負幅值相同時，可獲得最大輸出功率值相同時，可獲得最大輸出功率 即即V15EECC VVLBIASCCRIV

6、 最大輸出功率最大輸出功率 .69W312L2omom RVP omomVVLCCBIASRVI 當取當取vi 足夠大足夠大 9華中科技大學 張林9.2 射極輸出器射極輸出器甲類放大的實例甲類放大的實例電源提供的功率電源提供的功率%7.24%100)(VEVCom PPP效率低效率低放大器的效率放大器的效率 PVC=VDD IBIAS=27.75 WPVE=VEE IBIAS=27.75 W華中科技大學 張林109.3 乙類雙電源互補對稱乙類雙電源互補對稱功率放大電路功率放大電路9.3.1 電路組成電路組成9.3.2 分析計算分析計算9.3.3 功率功率BJT的選擇的選擇11華中科技大學 張林

7、9.3.1 電路組成電路組成 由一對由一對NPN、PNP特性相同的特性相同的互補三極管組成，采用正、負雙互補三極管組成，采用正、負雙電源供電。這種電路也稱為電源供電。這種電路也稱為OCL互補功率放大電路。互補功率放大電路。1.電路組成電路組成2.工作原理工作原理 兩個三極管在信號正、負半周輪流導通，使負載得到兩個三極管在信號正、負半周輪流導通，使負載得到一個完整的波形。一個完整的波形。12華中科技大學 張林9.3.2 分析計算分析計算 iC1 Icm1 A B O VCES Q vCE1 VCC Vcem1 iC1 Icm 2Icm O A B VCES Vcem 2Vcem Q iB常數(shù) V

8、CES O vCE1 iC2 iB常數(shù)-vCE VCC 13華中科技大學 張林9.3.2 分析計算分析計算1.最大不失真輸出功率最大不失真輸出功率Pomax 2)()2(=L2CESCCL2CESCComaxRVVRVVP 實際輸出功率實際輸出功率L2omLomomooo222=RVRVVIVP 忽略忽略VCES時時L2CComax2RVP iC1 Icm 2Icm O A B VCES Vcem 2Vcem Q iB常數(shù) VCES O vCE1 iC2-vCE VCC 14華中科技大學 張林9.3.2 分析計算分析計算單個管子在半個周期內(nèi)的管耗單個管子在半個周期內(nèi)的管耗)(d )(21=0L

9、ooCCT1tRvvVP 2.管耗管耗PT兩管管耗兩管管耗)d(sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d()sinsin(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR 15華中科技大學 張林9.3.2 分析計算分析計算3.電源供給的功率電源供給的功率PV ToV=PPPLomCC2RVV當當時，時，CComVV 2L2CCVmRVP 4.效率效率 CComVo4=VVPP 當當時，時，CComVV%78.54 16華中科技大學 張林9.3.3 功率功率BJT的選擇的選擇1.最大管耗和最大輸出功率

10、的關系最大管耗和最大輸出功率的關系因為因為)4(12omomCCLT1VVVRP 當當 0.6VCC 時具有最大管耗時具有最大管耗CCom2VV 0.2Pom L2CC2T1m1RVP 選管依據(jù)之一選管依據(jù)之一17華中科技大學 張林9.3.3 功率功率BJT的選擇的選擇功率與輸出幅功率與輸出幅度的關系度的關系2.功率功率BJT的選擇的選擇 （自學）（自學）華中科技大學 張林189.4 甲乙類互補對稱功率放大電路甲乙類互補對稱功率放大電路9.4.1 甲甲乙類雙電源互補對稱電路乙類雙電源互補對稱電路9.4.2 甲乙類單電源互補對稱電路甲乙類單電源互補對稱電路9.4.3 MOS管甲乙類雙電源互補對稱

11、管甲乙類雙電源互補對稱電路電路19華中科技大學 張林9.4.1 甲乙類雙電源互補對稱電路甲乙類雙電源互補對稱電路乙類互補對稱電路存在的問題乙類互補對稱電路存在的問題20華中科技大學 張林9.4.1 甲乙類雙電源互補對稱電路甲乙類雙電源互補對稱電路1.靜態(tài)偏置靜態(tài)偏置可克服交越失真可克服交越失真2.動態(tài)工作情況動態(tài)工作情況二極管等效為恒壓模型二極管等效為恒壓模型設設T3已有合適已有合適的靜態(tài)工作點的靜態(tài)工作點交流相當于短路交流相當于短路21華中科技大學 張林9.4.1 甲乙類雙電源互補對稱電路甲乙類雙電源互補對稱電路另一種偏置方式另一種偏置方式BE4221CE4VRRRV VBE4可認為是定值可

12、認為是定值 R1、R2不變時，不變時，VCE4也也是定值，可看作是一個直流是定值，可看作是一個直流電源。電源。Po、PT、PV和和PTm仍然仍然按照乙類功放計算公式進行按照乙類功放計算公式進行估算。估算。22華中科技大學 張林9.4.2 甲乙類單電源互補對稱電路甲乙類單電源互補對稱電路靜態(tài)時，偏置電路使靜態(tài)時，偏置電路使VKVCVCC/2（電容（電容C充電達到穩(wěn)態(tài)）。充電達到穩(wěn)態(tài)）。當有信號當有信號vi時時負半周負半周T1導通，有電流通過負載導通，有電流通過負載RL，同時向同時向C充電充電正半周正半周T2導通，則已充電的電容導通，則已充電的電容C通通過負載過負載RL放電。放電。只要滿足只要滿足

13、RLC T信信，電容，電容C就可充就可充當原來的當原來的VCC。計算計算Po、PT、PV和和PTm的公式必須的公式必須加以修正，以加以修正，以VCC/2代替原來公式中的代替原來公式中的VCC。23華中科技大學 張林9.4.3 MOS管甲乙類雙電源互補對稱電路管甲乙類雙電源互補對稱電路BE7BR218BE43GG4)1()1(VVRRVRRV 復合管復合管消除高消除高頻振蕩頻振蕩溫度補償溫度補償VBE擴展電路擴展電路提供靜態(tài)偏置提供靜態(tài)偏置VBE擴展電路提擴展電路提供靜態(tài)偏置供靜態(tài)偏置復合管復合管消除高消除高頻振蕩頻振蕩華中科技大學 張林249.5 功率管功率管9.5.1 功率器件的散熱與功率功

14、率器件的散熱與功率BJT的的 二次擊穿問題二次擊穿問題9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET25華中科技大學 張林9.5.1 功率器件的散熱與功率功率器件的散熱與功率BJT的二次擊穿問題的二次擊穿問題1.功率功率BJT的散熱的散熱功率功率BJT外形外形在給負載輸送功率的同時，在給負載輸送功率的同時，管子本身也要消耗一部分管子本身也要消耗一部分功率。功率。管子消耗的功率直接表現(xiàn)管子消耗的功率直接表現(xiàn)在使管子的結溫升高。在使管子的結溫升高。當結溫超過一定溫度時（鍺管一般約為當結溫超過一定溫度時（鍺管一般約為90，硅管約為，硅管約為150），會使管子損壞。），會使管子損壞。在在BJT中

15、，管子上的電壓絕大部分降在集電結上，它和流中，管子上的電壓絕大部分降在集電結上，它和流過集電結的電流造成集電極功率損耗，使管子產(chǎn)生熱量。所以過集電結的電流造成集電極功率損耗，使管子產(chǎn)生熱量。所以通常用集電極耗散功率來衡量通常用集電極耗散功率來衡量BJT的耗散功率。的耗散功率。26華中科技大學 張林1.功率功率BJT的散熱的散熱 功率功率BJT的最大允許耗散功率的最大允許耗散功率PCM，總的熱阻，總的熱阻RT、最高允、最高允許結溫許結溫Tj和環(huán)境溫度和環(huán)境溫度Ta之間的關系為之間的關系為TjTaRTPCM 其中，熱阻其中，熱阻RT 包括集電結到管殼的熱阻，管殼與散熱片之間的包括集電結到管殼的熱阻

16、，管殼與散熱片之間的熱阻，散熱片與周圍空氣的熱阻。單位為熱阻，散熱片與周圍空氣的熱阻。單位為/W（或或/mW）。）。當最高結溫和環(huán)境溫度一定，熱阻越小，允許的管耗就越大。當最高結溫和環(huán)境溫度一定，熱阻越小，允許的管耗就越大。散熱片及其面積大小可以明顯改變熱阻的大小。散熱片及其面積大小可以明顯改變熱阻的大小。例如，某例如，某BJT不加散熱裝置時，允許的功耗不加散熱裝置時，允許的功耗PCM僅為僅為1W，如果，如果加上加上1201204mm3的鋁散熱板時，則允許的的鋁散熱板時，則允許的PCM增至增至10W。通常手冊中給出的通常手冊中給出的PCM，是在環(huán)境溫度為，是在環(huán)境溫度為25時的數(shù)值。時的數(shù)值。

17、9.5.1 功率器件的散熱與功率功率器件的散熱與功率BJT的二次擊穿問題的二次擊穿問題27華中科技大學 張林2.功率功率BJT的二次擊穿的二次擊穿 實際應用中，功率實際應用中，功率BJT并未超過允許的并未超過允許的PCM值，管身也不燙，值，管身也不燙，但功率但功率BJT卻突然失效或者性能顯著下降。這種損壞不少是二次卻突然失效或者性能顯著下降。這種損壞不少是二次擊穿引起的。擊穿引起的。產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是由于產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是由于流過流過BJT結面的電流不均勻，造成結面的電流不均勻，造成結面局部高溫（稱為熱斑），因而結面局部高溫（稱為熱斑），因而產(chǎn)生熱擊穿所致。與產(chǎn)生熱擊穿所致。與BJ

18、T的制造工的制造工藝有關。藝有關。因此，功率管的安全工作區(qū)，不僅受集電極允許的最大電因此，功率管的安全工作區(qū)，不僅受集電極允許的最大電流流ICM、集射間允許的最大擊穿電壓、集射間允許的最大擊穿電壓V(BR)CE和集電極允許的最和集電極允許的最大功耗大功耗PCM所限制，而且還受二次擊穿臨界曲線所限制。所限制，而且還受二次擊穿臨界曲線所限制。9.5.1 功率器件的散熱與功率功率器件的散熱與功率BJT的二次擊穿問題的二次擊穿問題28華中科技大學 張林3.提高功率提高功率BJT可靠性的主要途徑可靠性的主要途徑 （1）在最壞的條件下（包括沖擊電壓在內(nèi)），工作電壓不）在最壞的條件下（包括沖擊電壓在內(nèi)），工

19、作電壓不應超過極限值的應超過極限值的80%；（2）在最壞的條件下（包括沖擊電流在內(nèi)），工作電流不應）在最壞的條件下（包括沖擊電流在內(nèi)），工作電流不應超過極限值的超過極限值的80%；（3）在最壞的條件下（包括沖擊功耗在內(nèi)），工作功耗不應）在最壞的條件下（包括沖擊功耗在內(nèi)），工作功耗不應超過器件最大工作環(huán)境溫度下的最大允許功耗的超過器件最大工作環(huán)境溫度下的最大允許功耗的50%；（4）工作時，器件的結溫不應超過器件允許的最大結溫的）工作時，器件的結溫不應超過器件允許的最大結溫的70%80%。對于開關電路中使用的功率器件，其工作電壓、功耗、電流對于開關電路中使用的功率器件，其工作電壓、功耗、電流和結溫

20、（包括波動值在內(nèi)）都不得超過極限值。和結溫（包括波動值在內(nèi)）都不得超過極限值。9.5.1 功率器件的散熱與功率功率器件的散熱與功率BJT的二次擊穿問題的二次擊穿問題29華中科技大學 張林4.保證器件正常運行的保護措施保證器件正常運行的保護措施 為了防止由于感性負載而使管子產(chǎn)生過壓或過流，可在負為了防止由于感性負載而使管子產(chǎn)生過壓或過流，可在負載兩端并聯(lián)二極管（或二極管和電容）；載兩端并聯(lián)二極管（或二極管和電容）；可以用可以用VZ值適當?shù)姆€(wěn)壓管并聯(lián)在功率管的值適當?shù)姆€(wěn)壓管并聯(lián)在功率管的c、e兩端，以吸兩端，以吸收瞬時的過電壓等。收瞬時的過電壓等。9.5.1 功率器件的散熱與功率功率器件的散熱與功

21、率BJT的二次擊穿問題的二次擊穿問題30華中科技大學 張林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET1.VMOS管管V型開槽的縱向型開槽的縱向MOS管，稱為管，稱為VMOS（Vertical MOS）電流沿導電溝道由漏極到電流沿導電溝道由漏極到源極的流動是縱向的源極的流動是縱向的溝道很短，電流溝道很短，電流ID很大很大，可達可達200A N外延層提高了耐壓值，外延層提高了耐壓值，達達1 000V以上以上 非線性失真小非線性失真小31華中科技大學 張林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET2.DMOS管管雙擴散雙擴散MOS管，稱為管，稱為DMOS（Double-diffu

22、sed MOS）電流也是縱向流動的電流也是縱向流動的溝道很短，電流溝道很短，電流ID很大很大，可達可達50A N層提高了耐壓值，達層提高了耐壓值，達600V以上以上32華中科技大學 張林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET3.MOS功率管的優(yōu)點功率管的優(yōu)點 （1）與）與MOS器件一樣是電壓控制電流器件，輸入電阻極高，因此器件一樣是電壓控制電流器件，輸入電阻極高，因此所需驅(qū)動電流極小，功率增益高。所需驅(qū)動電流極小，功率增益高。（2）MOS管不存在二次擊穿管不存在二次擊穿 （3）因為少子存儲問題，功率）因為少子存儲問題，功率MOS管具有更高的開關速度，雙極管具有更高的開關速度，雙極

23、型功率管的開關時間在型功率管的開關時間在100ns至至1s之間，而之間，而MOS功率管的開關時間約功率管的開關時間約為為10100ns，其工作頻率可達，其工作頻率可達100kHZ到到1MHZ以上，所以大功率以上，所以大功率MOS管常用于高頻電路或開關式穩(wěn)壓電源等。管常用于高頻電路或開關式穩(wěn)壓電源等。VMOS在這一點上更顯優(yōu)越在這一點上更顯優(yōu)越（其（其fT600MHZ）。）。（4）MOS管與管與BJT相比幾乎不需要直流驅(qū)動電流。但相比幾乎不需要直流驅(qū)動電流。但MOS功率放功率放大電路的驅(qū)動級至少要提供足夠的電流來保證對大電路的驅(qū)動級至少要提供足夠的電流來保證對MOS管較大的輸入電管較大的輸入電容

24、進行充放電。容進行充放電。33華中科技大學 張林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET4.MOS功率管的缺點功率管的缺點為了獲得高耐壓值，器件有低摻雜濃度的為了獲得高耐壓值，器件有低摻雜濃度的N-層，導致導通電阻變大層，導致導通電阻變大絕緣柵雙極型功率管（絕緣柵雙極型功率管（IGBT）華中科技大學 張林349.6 集成功率放大器舉例集成功率放大器舉例9.6.1 以以MOS功率管作輸出級的集成功率管作輸出級的集成 功率放大器功率放大器9.6.2 BJT集成功率放大器舉例集成功率放大器舉例35華中科技大學 張林9.6.1 以以MOS功率管作輸出級的集成功率放大器功率管作輸出級的集成功

25、率放大器SHM1150型集成功率放大器型集成功率放大器頻振蕩頻振蕩VMOS管管3號腳內(nèi)部號腳內(nèi)部是接地的是接地的信號只能從信號只能從1號腳到地之號腳到地之間輸入間輸入增益是固定的，由增益是固定的，由Rf和和R2決定決定2f1RR 36華中科技大學 張林9.6.1 以以MOS功率管作輸出級的集成功率放大器功率管作輸出級的集成功率放大器SHM1150型集成功率放大器型集成功率放大器工作電壓工作電壓12V50V最大輸出功率可達最大輸出功率可達150W 37華中科技大學 張林9.6.2 BJT集成功率放大器舉例集成功率放大器舉例BJT集成音頻功率放大器集成音頻功率放大器LM38038華中科技大學 張林9.6.2 BJT集成功率放大器舉例集成功率放大器舉例BJT集成音頻功率放大器集成音頻功率放大器LM380固定增益固定增益51倍倍最大工作電壓最大工作電壓22V最大輸出功率最大輸出功率5W可雙端輸入，也可單端可雙端輸入，也可單端輸入。輸入。不用的輸入端可懸空不用的輸入端可懸空 end