第4章 功率电子电路精选PPT.ppt

第4章 功率电子电路第1页，本讲稿共32页例：例：扩音系统扩音系统实际负载实际负载什么是功率放大器？什么是功率放大器？在电子系统中，模拟信号被放大后，在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器较大功率的放大器称为功率放大器4.1 4.1 概述概述功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取第2页，本讲稿共32页一一.功放电路的特点功放电路的特点（2）功放电路中电流、电压要求都比较大，必须功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM 、UCEM 、PCM。ICMPCMUCEM（1）输出功率输出功率Po尽可能大尽可能大Icuce第3页，本讲稿共32页(3)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(4)电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（效率（）。）。Po:负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。（5）功放管散热和保护问题）功放管散热和保护问题第4页，本讲稿共32页二二.甲类功率放大器分析甲类功率放大器分析1.三极管的静态功耗：三极管的静态功耗：若若电源提供的平均功耗：电源提供的平均功耗：则则IcuceQuceQIcQ第5页，本讲稿共32页2.动态功耗动态功耗（当输入信号（当输入信号Ui时）时）输出功率输出功率:要想要想PO大，就要大，就要使功率三角形的面积使功率三角形的面积大，即必须使大，即必须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大输出功率最大输出功率:MNUomIom功率三角形功率三角形iCuCEQUCEQICQVCC第6页，本讲稿共32页电源提供的功率电源提供的功率此电路的最高效率此电路的最高效率甲类功率放大器存在的缺点：甲类功率放大器存在的缺点：输出功率小输出功率小 静态功率大，效率低静态功率大，效率低第7页，本讲稿共32页三三.BJT的几种工作状态的几种工作状态甲甲类类：Q点点适适中中，在在正正弦弦信信号号的的整整个周期内均有电流流过个周期内均有电流流过BJT。甲甲乙乙类类：介介于于两两者者之之间间，导通角大于导通角大于180动画演示动画演示iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙乙类类：静静态态电电流流为为0，BJT只只在在正正弦弦信号的半个周期内均导通。信号的半个周期内均导通。iCuCEQ2ICQVCC第8页，本讲稿共32页一一.结构结构互补对称：互补对称：电路中采用两个晶电路中采用两个晶体管：体管：NPN、PNP各一各一支；支；两管特性一致。组成两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。互补对称式射极输出器。4.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 第9页，本讲稿共32页二、工作原理二、工作原理（设（设ui为正弦波）为正弦波）ic1ic2 静态时：静态时：ui=0V ic1、ic2均均=0（乙类工（乙类工作状态）作状态）uo=0V动态时：动态时：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;iL=ic2T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。第10页，本讲稿共32页输入输出波形图输入输出波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压第11页，本讲稿共32页组合特性分析组合特性分析图解法图解法负载上的最大不失真电压为负载上的最大不失真电压为Uom=VCC-UCESiC1uCEiC2QVCCUCESUCESUom第12页，本讲稿共32页最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax1.输出功率输出功率Po三、分析计算三、分析计算动画演示动画演示第13页，本讲稿共32页一个管子的管耗一个管子的管耗 2.管耗管耗PT两管管耗两管管耗第14页，本讲稿共32页3.电源供给的功率电源供给的功率PE当当4.效率效率 最高效率最高效率 max第15页，本讲稿共32页四三极管的最大管耗四三极管的最大管耗 问：问：Uom=？PT1最大最大,PT1max=？用用PT1对对Uom求导，并令导数求导，并令导数=0，得出：，得出：PT1max发生在发生在Uom=0.64VCC处。处。将将Uom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：第16页，本讲稿共32页选功率管的原则：选功率管的原则：1.PCM PT1max=0.2PoM2第17页，本讲稿共32页 tuo交越失真交越失真ui t存在交越失真存在交越失真乙类互补对称功放的缺点乙类互补对称功放的缺点第18页，本讲稿共32页 静态时静态时:T1、T2两管发射结电压分两管发射结电压分别为二极管别为二极管D1、D2的正向导通的正向导通压降，致使两管均处于微弱导压降，致使两管均处于微弱导通状态通状态甲乙类工作状态甲乙类工作状态动态时：动态时：设设 ui 加入正弦信号。正半加入正弦信号。正半周周 T2 截止，截止，T1 基极电位进一步基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负提高，进入良好的导通状态；负半周半周T1截止，截止，T2 基极电位进一步基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。降低，进入良好的导通状态。电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路1.1.基本原理基本原理 4.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路一一.甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路第19页，本讲稿共32页uB1tUTtiBIBQ波形关系：波形关系：ICQiCuBEiBib特点：特点：存在较小的静态电流存在较小的静态电流 ICQ、IBQ。每管导。每管导通时间大于半个周通时间大于半个周期，基本不失真。期，基本不失真。iCQuceVCC/ReVCCIBQEWB演示演示功放的交越失真功放的交越失真第20页，本讲稿共32页2.2.带前置放大级的功率放大器带前置放大级的功率放大器 动画演示动画演示（甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路的计算同乙类的计算同乙类）第21页，本讲稿共32页3.电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。复合复合NPN型型复合复合PNP型型第22页，本讲稿共32页4.带复合管的带复合管的OCL互补输出功放电路：互补输出功放电路：T1：电压推动级（前置级）电压推动级（前置级）T2、R1、R2：UBE扩大电路扩大电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成互补对称功放复合管构成互补对称功放 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，型晶体管，两者特性容易对称。两者特性容易对称。合理选择合理选择R1、R2，b3、b5间间可得到可得到 UBE2 任意倍的电压。任意倍的电压。第23页，本讲稿共32页1、基本原理、基本原理.单电源供电；单电源供电；.输出加有大电容。输出加有大电容。（1）静态偏置）静态偏置二二.甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路 调整调整RW阻值的大阻值的大小，可使小，可使此时电容上电压此时电容上电压第24页，本讲稿共32页（2）动态分析）动态分析（电容起到了负电源（电容起到了负电源的作用）的作用）Ui负半周时，负半周时，T1导通、导通、T2截止；截止；Ui正半周时，正半周时，T1截止、截止、T2导通。导通。动画演示动画演示第25页，本讲稿共32页（3）输出功率及效率）输出功率及效率若忽略交越失真的影响。则：若忽略交越失真的影响。则：此电路存在的问题：此电路存在的问题：输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。第26页，本讲稿共32页2.带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放静态时静态时C1充电后，其两充电后，其两端有一固定电压端有一固定电压动态时动态时由于由于C1很大，两端电很大，两端电压基本不变，使压基本不变，使C1上上端电位随输出电压升端电位随输出电压升高而升高。保证输出高而升高。保证输出幅度达到幅度达到VCC/2。C1、R7为自举电路为自举电路第27页，本讲稿共32页3.带运放前置放大级的功率放大电路带运放前置放大级的功率放大电路运放运放A接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：第28页，本讲稿共32页总结：互补对称功放的类型总结：互补对称功放的类型 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 双电源电路双电源电路又称又称OCL电路电路 （无输出电容）（无输出电容）单电源电路单电源电路又称又称OTL电路电路 （无输出变压器）（无输出变压器）第29页，本讲稿共32页 4.4 集成功率放大器集成功率放大器 集成功率放大器集成功率放大器DG4100简介：简介：第30页，本讲稿共32页集成功放集成功放DG4100的外部接线图：的外部接线图：第31页，本讲稿共32页1功功率率放放大大器器的的特特点点：工工作作在在大大信信号号状状态态下下，输输出出电电压压和和输输出出电电流流都都很很大大。要要求求在在允允许许的的失失真真条条件件下下，尽尽可可能能提提高高输输出出功功率和效率。率和效率。2为为了了提提高高效效率率，在在功功率率放放大大器器中中，BJT常常工工作作在在乙乙类类和和甲甲乙乙类类状状态态下下，并并用用互互补补对对称称结结构构使使其其基基本本不不失失真真。这这种种功功率率放放大器理论上的最大输出效率可以达到大器理论上的最大输出效率可以达到78.5。3互补对称功率放大器的几种主要结构：互补对称功率放大器的几种主要结构：OCL（双电源）（双电源）乙类乙类 甲乙类。甲乙类。OTL（单电源）（单电源）乙类乙类 甲乙类。甲乙类。4随随着着半半导导体体工工艺艺、技技术术的的不不断断发发展展，输输出出功功率率几几十十瓦瓦以以上上的的集集成成放放大大器器已已经经得得到到了了广广泛泛的的应应用用。功功率率VMOS管管的的出出现现，也给功率放大器的发展带来了新的生机。也给功率放大器的发展带来了新的生机。本章小结本章小结第32页，本讲稿共32页