电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章[1].ppt

电子线路非线性部分冯电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章军谢嘉奎绪论和第一章12023/5/20电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章10.1非线性电子线路的作用非线性电子线路的作用一、线性电子电路与非线性电子电路一、线性电子电路与非线性电子电路电电子子器器件件严严格格讲讲是是非非线线性性的的，但但依依使使用用条条件件不不同同，表表现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：现的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：线性电路：线性电路：对信号进行处理时，尽量使用器件特性的对信号进行处理时，尽量使用器件特性的线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。非线性电路：非线性电路：对信号进行处理时，使用了器件特性的对信号进行处理时，使用了器件特性的非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功能。能。器件特性与使用条件密切相关，例如：器件特性与使用条件密切相关，例如：电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1小小信信号号条条件件下下，输输入入信信号号小小，在在一一定定条条件件下下电电路路可可用用线线性性等等效效电电路路表表示示，例例如如各各种种小小信信号号放放大大器器(线线性性电电子子线线路路)中，器件的特性归属线性电子线路。中，器件的特性归属线性电子线路。大大信信号号条条件件下下，输输入入信信号号大大，必必涉涉及及器器件件的的非非线线性性部部分分，例例如如功功率率放放大大器器。故故不不能能用用线线性性等等效效电电路路表表示示电电子子器器件件的的特特征征，而而必必须须用用非非线线性性电电路路的的分分析析方方法法。所所以以，功功放放归属归属非线性非线性电子线路。电子线路。二、非线性电子线路在通信系统中的应用二、非线性电子线路在通信系统中的应用1通信系统的分类通信系统的分类 (1)有线通信系统：利用导线传送信息有线通信系统：利用导线传送信息(2)无线通信系统：利用电磁波传送信息无线通信系统：利用电磁波传送信息 (3)光纤通信系统：利用光导纤维传送信息光纤通信系统：利用光导纤维传送信息电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章12无线通信系统无线通信系统图图 0-1-1无线无线通信系统的组成通信系统的组成 组成：组成：发射装置发射装置+接收装置接收装置+传输媒体传输媒体(1)发射装置发射装置 换能器：换能器：将将被被发发送送的的信信息息变变换换为为电电信信号号。例例：话话筒筒将将声声音音变变为为电电信号。信号。将将换换能能器器输输出出的的电电信信号号变变为为强强度度足足够够的的高高频电振荡。频电振荡。发射机：发射机：无线通信系统的组成无线通信系统的组成电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1 天线：天线：将高频电振荡变成将高频电振荡变成电磁波电磁波向传输媒质辐射。向传输媒质辐射。(2)接收装置接收装置 接收是发射的逆过程。接收是发射的逆过程。接收天线：接收天线：高高频电频电振振荡荡电电信号信号 接收机：接收机：将从空间接收的电磁波将从空间接收的电磁波 高频电振荡高频电振荡。换能器：换能器：将将电电信号信号所所传传送信息送信息(3)传输媒体传输媒体电磁波电磁波电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：电磁波传送方式，依据波长不同，可分为：长波长波、中中波波、短波短波、超短波超短波。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1表表 1各波段特点各波段特点波波 段段波长波长/m频率频率/MHz特特 点点说说 明明中、中、长波长波 200 1.5沿地表沿地表传播传播大大地地表表面面是是导导体体，一一部部分分电电磁磁波波会会损损耗耗掉掉，频频率率越越高高，损耗越大损耗越大短波短波10 2001.5 30靠电离靠电离层反射层反射传播传播电电磁磁波波一一部部分分被被吸吸收收，另另一一部部分分被被反反射射或或折折射射到到地地面面。频频率率越越高高，被被吸吸收收的的能能量量越越小小，但但频频率率超超过过一一定定值值，电电磁磁波波会会穿穿过过电电离离层层，不不再再返返回地面回地面超短波超短波 30沿空间沿空间直线直线传播传播地地球球表表面面是是弯弯曲曲的的，所所以以只只能限制在视线范围内能限制在视线范围内电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1图图 0-1-2无线电波传播方式无线电波传播方式传播距离：传播距离：电离层电离层 地面地面 直线直线电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章13无线通信存在的问题无线通信存在的问题(1)接收信号微弱接收信号微弱电电磁波磁波接收天接收天线线(2)存在干扰存在干扰例例如如其其他他电电台台的的发发射射信信号号，各各种种工工业业、医医学学装装置置辐辐射射电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰等。电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰等。对接收装置的要求：增益高，选择性好。对接收装置的要求：增益高，选择性好。4解决方案解决方案 发发射射机机和和接接收收机机借借助助线线性性和和非非线线性性电电子子线线路路对对携携有有信信息息的的电电信信号号进进行行变变换换和和处处理理。除除放放大大外外，最最主主要要有有调调制制、解调解调。(1)调制调制由由携携有有信信息息的的电电信信号号(如如音音频频信信号号)去去控控制制高高频频振振荡荡信信号号的的某某一一参参数数(如如振振幅幅)，使使该该参参数数按按照照电电信信号号的的规规律律而而变变化化(调幅调幅)。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1调制信号：调制信号：携有信息的电信号。携有信息的电信号。载波信号：载波信号：未调制的高频振荡信号。未调制的高频振荡信号。已调波：已调波：经过调制后的高频振荡信号。经过调制后的高频振荡信号。根据受控参数根据受控参数：调幅、调角：调幅、调角(调频、调相调频、调相)。(2)解调解调调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。(3)调制的作用调制的作用 减减小小天天线线的的尺尺寸寸。音音频频范范围围：20 Hz 20 kHz，若若发发射射 100 Hz，波波长长 =c/f =3 000 km，天天线线至至少少几几百百千千米米。需减少波长，提高发射频率。需减少波长，提高发射频率。选选台台。将将不不同同电电台台发发送送的的信信息息分分配配到到不不同同频频率率的的载载波波信信号号上上，使使接接收收机机可可选选择择特特定定电电台台的的信信息息而而抑抑制制其其他他电电台发送的信息和各种干扰。台发送的信息和各种干扰。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章15调幅调幅发射机组成发射机组成图图 0-1-3调幅广播发射机的组成调幅广播发射机的组成调幅广播发射机的组成调幅广播发射机的组成电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1各部分作用：各部分作用：(1)振荡器振荡器产生产生 fosc 的高频振荡信号，几十千赫以上。的高频振荡信号，几十千赫以上。(2)高频放大器高频放大器多多级级小小信信号号谐谐振振放放大大器器，放放大大振振荡荡信信号号，使使频频率率倍倍增增至至 fc，并提供足够大的载波功率。，并提供足够大的载波功率。(3)调制信号放大器调制信号放大器多多级级放放大大器器，前前几几级级为为小小信信号号放放大大器器，放放大大微微音音器器的的电电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。(4)振幅调制器振幅调制器实实现现调调幅幅功功能能，将将输输入入的的载载波波信信号号和和调调制制信信号号变变换换为为所所需的调幅波信号，并加到天线上。需的调幅波信号，并加到天线上。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章16调幅接收机调幅接收机 图图 0-1-4调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(1)高频放大器高频放大器为小信号谐振放大器，作用：为小信号谐振放大器，作用：选选台台。利利用用可可调调谐谐的的谐谐振振系系统统选选出出有有用用信信号号，抑抑制制其其他频率的干扰信号。他频率的干扰信号。放大放大。放大选出的有用信号。放大选出的有用信号。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(2)混频器混频器两路两路输输入入为：为：由高放级：由高放级：已已调调信号信号 fc。由由本机振本机振荡荡器器：本振信号本振信号 fL。作作用用：载载波波变变频频将将已已调调信信号号的的载载波波由由 fc(高高频频)变变换换为为 fI(中频中频)，fI =|fc fL|而调制波形不变。而调制波形不变。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(3)本机振荡本机振荡 产产生生频频率率为为 fL=|fc +fI|(或或 fL=fc fI)的的高高频频等等幅幅振振荡荡信号。信号。fL 可可调调，并能跟踪，并能跟踪 fc。(4)中频放大器中频放大器为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(5)检波器检波器解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。(6)低频放大器低频放大器小小信信号号放放大大器器 功功率率放放大大器器，作作用用：放放大大调调制制信信号号，向扬声器提供所需的推动功率。向扬声器提供所需的推动功率。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1可可见见，有有用用信信号号在在不不同同频频率率上上进进行行放放大大超超外外差差接收机接收机。特特点点：解解调调电电路路前前包包括括混混频频器器、本本机机振振荡荡、中中频频放放大大器器等。等。优点：优点：增益高，选择性好。增益高，选择性好。直直接接高高放放接接收收机机：解解调调前前仅仅包包括括高高放放，无无混混频频器器、本本机机振荡、中频放大器振荡、中频放大器等，增益低，选择性差。等，增益低，选择性差。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章17其他通信系统其他通信系统 调调频频无无线线通通信信系系统统，发发射射机机和和接接收收机机都都包包括括上上述述各各模块，区别主要在于模块，区别主要在于调制器调制器和和解调器解调器上。上。实现调制的模块实现调制的模块频率调制器频率调制器；实现解调的模块实现解调的模块频率检波器频率检波器或或鉴频器鉴频器。数数字字通通信信系系统统，调调制制信信号号为为数数字字信信号号，相相应应的的调调制制为为数字调制数字调制。软软件件无无线线电电，用用软软件件的的方方法法实实现现通通信信系系统统中中一一部部分分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。电路的功能，改变程序便可变更调制方式。8小结小结(1)非线性电子线路讨论的范围非线性电子线路讨论的范围除除小小信信号号放放大大器器以以外外的的其其他他功功能能电电路路振振荡荡器器、功功放放、调制器、解调器、混频器、倍频器调制器、解调器、混频器、倍频器。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(2)本课程讨论的内容本课程讨论的内容三类电路三类电路 功功率率放放大大电电路路在在输输入入信信号号作作用用下下，可可将将直直流流电电源源提提供供的的部部分分功功率率转转换换为为按按输输入入信信号号规规律律变变化化的的输输出出信信号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。振振荡荡电电路路可可在在不不加加输输入入信信号号的的情情况况下下，稳稳定定地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。波波形形变变换换和和频频率率变变换换电电路路能能在在输输入入信信号号作作用用下下产产生生与与之之波波形形和和频频谱谱不不同同的的输输出出信信号号。包包括括：调调制制电电路路、解调电路、混频电路解调电路、混频电路和和倍频电路倍频电路。本课程将顺序学习这三类电路。本课程将顺序学习这三类电路。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章10.2非线性器件的基本特点非线性器件的基本特点非非线线性性电电子子线线路路中中，上上述述三三类类功功能能的的实实现现利利用用了了器器件件的的非非线线性性特特性性，为为此此，有有必必要要首首先先了了解解非非线线性性器器件件的的基基本本特点特点(参数、控制变量、参数、控制变量、不能用不能用叠加定理叠加定理)。一、非线性器件特性的参数一、非线性器件特性的参数 主要有三个参数：主要有三个参数：直流参数直流参数适用于直流分析适用于直流分析 交流参数交流参数适用于频率变换电路的分析适用于频率变换电路的分析 平均参数平均参数适用于功率放大和振荡电路的分析适用于功率放大和振荡电路的分析电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1 i v图图 0-2-1例：非线性电阻：例：非线性电阻：直流电导直流电导定义：定义：意意义义：表表明明直直流流电电流流与与直直流流电电压压间间的依存关系。的依存关系。特点：其值是特点：其值是 VQ(或或 IQ)的非线性函数。的非线性函数。应用：直流分析。应用：直流分析。交流电导交流电导定义：定义：意意义义：伏伏安安特特性性曲曲线线上上任任一一点点的的斜斜率率，或或该该点点上上增增量量电流与增量电压的比值。电流与增量电压的比值。特点：其值是特点：其值是 VQ(或或 IQ)的非线性函数。的非线性函数。应用：交流分析。应用：交流分析。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1 平均电导平均电导图图 0-2-2在大信号作用下的在大信号作用下的电流波形电流波形定定义义：当当器器件件两两端端加加余余弦弦电电压压 v=Vmcos t 时时，因因特特性性的的非非线线性性，流流过过器器件件的的电电流流必必为为非非余余弦弦，将将其其按按傅傅里叶里叶级级数展开：数展开：则则平平均均电电导导即即为为基基波波电电流流振振幅幅与与外加电压振幅外加电压振幅之比：之比：意意义义：反反映映基基波波电电流流与与外外加加电电压压间的依存关系。间的依存关系。特点：其值是特点：其值是 VQ(或或 IQ)的非线性函数。的非线性函数。应应用：功放和振荡电路分析。用：功放和振荡电路分析。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1二、非线性器件特性的控制变量二、非线性器件特性的控制变量控控制制变变量量不不同同，非非线线性性器器件件的的特特性性也也不不同同，故故分分析析时时须注明它的须注明它的控制变量控制变量。1控制量不同，特性不同控制量不同，特性不同 i v图图 0-2-1例例 1：二极管：二极管电电压压为为控控制制量量电电流流对对电电压压呈呈指指数数关系变化；关系变化；电电流流为为控控制制量量电电压压对对电电流流呈呈对对数数关系变化。关系变化。2特性为非单调时特性为非单调时多值和负值多值和负值电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1例例 2：隧道二极管隧道二极管图图 0-2-3伏安特性曲线伏安特性曲线(1)控制变量控制变量电压：电压：电流为电流为单值单值电流：电流：电压为电压为多值多值压控非线性器件压控非线性器件(2)直流电导直流电导 g0 0，在曲线上任一点均为正。，在曲线上任一点均为正。(3)交流电导交流电导 g(a,b)0，即在，即在 a、b 段为段为负电导负电导。器器件件特特性性的的描描述述与与控控制制变变量量有有关关，并并可可能能出出现现负负参参数数，尤其特性非单调变化时尤其特性非单调变化时非线性与线性器件的重要区别。非线性与线性器件的重要区别。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1三、不满足叠加定理三、不满足叠加定理 若若 i=f(v)，v=v1+v2则则 i=f(v1+v2)但但 i f(v1)+f(v2)例例 i=av2 v=v1+v2 注注意意，i 中中除除体体现现两两电电压压分分别别作作用用外外，还还包包含含两两电电压压乘乘积积项项产产生生的的响响应应电电流流。若若 v1=V1mcos 1t，v2=V2mcos 2t，则则 i 中中除除出出现现 1，2 两两分分量量外外，还还出出现现两两电电压压乘乘积积项项产产生生的的角频率为角频率为 1 2 的新频率分量。的新频率分量。出出现现新新的的频频率率成成分分 非非线线性性电电路路可可以以实实现现频频率率加加、减减等更多等更多电电路功能。路功能。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章10.3本课程的特点本课程的特点1工程上采用近似分析法工程上采用近似分析法 非非线线性性器器件件物物理理特特性性复复杂杂，需需要要解解非非线线性性方方程程或或时时变变系数的线性微分方程。系数的线性微分方程。对对策策：对对器器件件数数学学模模型型和和电电路路工工作作条条件件进进行行合合理理近近似似，用用近近似似分析方法分析方法获得具有实用意义的结果。获得具有实用意义的结果。2功能与电路形式多功能与电路形式多对策：对策：抓抓本质本质功能再多也是借助器件的非线性；功能再多也是借助器件的非线性；抓抓基本电路基本电路种类虽多，但都是在为数种类虽多，但都是在为数不多的基本电路上发展起来的。不多的基本电路上发展起来的。3重视实验环节，坚持理论联系实际重视实验环节，坚持理论联系实际 电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1本书内容安排的本书内容安排的三个层次三个层次：由电路功能的由电路功能的基本原理基本原理导出导出基本电路基本电路。合理近似，引出对电路的工程合理近似，引出对电路的工程近似分析近似分析。根根据据分分析析结结果果，提提出出对对电电路路的的设设计计原原则则及及改改进进电电路路性能的基本途径。性能的基本途径。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1第第 1 章功率电子线路章功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述1.2功率放大器的电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性1.3乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术功率合成技术1.5整流与稳压电路整流与稳压电路 电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述1.1.1功率放大器功率放大器1.1.2电源变换电路电源变换电路1.1.3功率器件功率器件电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章11.1功率电子线路概述功率电子线路概述 作用：作用：高效地实现能量变换和控制。高效地实现能量变换和控制。种类：种类：(1)功率放大电路功率放大电路特点：放大特点：放大用途：通信、音像等电子设备。用途：通信、音像等电子设备。(2)电源变换电路电源变换电路特点：能量变换特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。用途：电源设备、电子系统、工业控制等。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章11.1.1功率放大器功率放大器特点：特点：工作在大信号状态。工作在大信号状态。一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 安全安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。输出功率大，管子在极限条件下运用。高效率高效率。C 集电极效率集电极效率(Collector Efficiency)Po 输出信号功率输出信号功率；PD 电源提供的功率；电源提供的功率；PC 管耗管耗(Power Dissipation)/集电极耗散功率；集电极耗散功率；Po 一定，一定，C 越高，越高，PD 越小越小 PC 小，小，既可选既可选 PCM 小小的管子，以降低费用，也节省能源。的管子，以降低费用，也节省能源。失真小失真小。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1尽尽管管功功率率增增益益也也是是重重要要的的性性能能指指标标，但但安安全全、高高效效和和小小失真失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。更重要，前者可以通过增加前置级祢补。二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1功率管的运用状态功率管的运用状态根根据据功功率率管管在在一一个个信信号号周周期期内内导导通通时时间间的的不不同同，功功率率管管运用状态运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。等多种。甲类：功率管在甲类：功率管在一个一个周期内导通周期内导通，c=。乙类：功率管仅在乙类：功率管仅在半个半个周期内导通，周期内导通，c=/2。甲甲乙乙类类：管管子子在在大大于于半半个个周周期期小小于于一一个个周周期期内内导导通通，/2 c 。丙类：功率管在丙类：功率管在小于半个小于半个周期内导通，周期内导通，c /2。功率管运用状态功率管运用状态通常靠选择通常靠选择静态工作点静态工作点来实现。来实现。功率管的运用状态功率管的运用状态电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1根据下列曲线说出功率管的应用状态：根据下列曲线说出功率管的应用状态：图图 111各种运用状态下的输出电流波形各种运用状态下的输出电流波形2不同运用状态下的不同运用状态下的 C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的 Cmax 也不同。也不同。减小减小 PC 可提高可提高 C。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 PC 为为 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE 方方法法 1：由由甲甲类类 甲甲乙乙类类 乙乙类类 丙丙类类，即即减减小小管管子子在信号周期内的导通在信号周期内的导通(增大增大 iC=0)的时间。的时间。方方法法 2：管管子子运运用用于于开开关关状状态态(又又称称丁丁类类)，即即一一周周期期内内半饱和半截止半饱和半截止。饱和时，饱和时，vCE VCE(sat)很小很小 PC 很小；很小；截止时，截止时，iC 很小，很小，iC vCE 也很小也很小 PC 很小。很小。总总之之：为为提提高高 C，管管应应用用状状态态可可取取乙乙类类、丙丙类类或或丁丁类类。但但集集电电极极电电流流波波形形失失真真严严重重，电电路路需需采采取取特特定定措措施施(见见 1.2 节节)。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章11.1.2电源变换电路电源变换电路按变换方式不同：按变换方式不同：(1)整流器整流器(Rectifier)：交流电交流电-直流电直流电。应用：电子设备供电。应用：电子设备供电。(2)直直流流-直直流流变变换换器器(DC-DC Converter)：直直流流电电-直直流流电电。应用：开关电源。应用：开关电源。(3)逆变器逆变器(Inverter)：直流电直流电-交流电交流电。应用：不间断电源、变频电源。应用：不间断电源、变频电源。(4)交交流流-交交流流变变换换器器(AC-AC Converter)：交交流流电电-交交流流电电。应用：变压等。应用：变压等。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章11.1.3功率器件功率器件功率管的种类：功率管的种类：(1)双极型功率晶体管双极型功率晶体管(2)功率功率 MOS 管管(3)绝缘栅双极型功率管绝缘栅双极型功率管 功功率率管管是是功功率率放放大大电电路路的的关关键键器器件件，为为保保证证安安全全工工作作，需了解其需了解其极限参数极限参数及及安全工作区。安全工作区。以以双极型双极型功率管为例，安全工作区受如下功率管为例，安全工作区受如下极限参数极限参数限制：限制：最大允许管耗最大允许管耗 PCM。与散热条件密切相关。与散热条件密切相关。基极开路集基极开路集-射反向击穿电压射反向击穿电压 V(BR)CEO。集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM。以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 管耗管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。主要消耗在集电结上，使结温升高。若若集集电电极极的的散散热热条条件件良良好好，集集电电结结上上的的热热量量很很容容易易散散发发到到周周围围空空气气中中去去，则则集集电电结结就就会会在在某某一一较较低低温温度度上上达达到到热热平平衡衡，此此时时集集电电结结上上产产生生的的热热量量等等于于散散发发到到空空气气中中的的热热量量。反反之之，散散热热条条件件不不好好，集集电电结结就就会会在在更更高高的的温温度度上上达达到热平衡，甚至产生到热平衡，甚至产生热崩热崩而烧坏管子。而烧坏管子。热崩热崩(Thermal Runaway)：集集电电结结结结温温(Tj)iC PC Tj 如如此此反反复复，直直至至 Tj TjM(集集电电结结最最高高允允许许温温度度)而而导导致致管管子子被被烧烧坏坏的的一一种种恶性循环现象。恶性循环现象。提高提高 PCM 的办法：的办法：电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1图图 114(a)、(b)功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路相应的热等效电路 管子集电极直接固定在金属底座上。管子集电极直接固定在金属底座上。金属底座与管壳相连。金属底座与管壳相连。金属底座还加装金属散热器。金属底座还加装金属散热器。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1各种散热片电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1各种功率晶体管电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1 热传导过程热传导过程T2 为为热热源源温温度度，T1 为为空空气气温温度度，P 为为传传输输的的热功率，热功率，Rth 为热阻，单位为热阻，单位/W当当热热源源产产生生热热量量时时，热热源源温温度度 T2 上上升升，向向外外部部传传输输热热量量，若若产产生生的的热热量量和和传传输输的的热热量量相相等等，达达到到热热平平衡衡。T2 不再变化。不再变化。晶体管的热量传递晶体管的热量传递RjcRcsPcRCaRsaTjTa电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1因为因为R(th)cs+R(th)sa 0 时时，T1 导导通通(忽忽略略射射结结压压降降)；vi2(t)0 时时，T2 导导通通；vi1(t)0 时时，T1 管管(NPN 型型)导导通通(忽忽略略射射结结压压降降)，T2 管管(PNP型型)截截止止，iC1(iE1)为为正正弦弦波的正半周；波的正半周；vi(t)0，T1 导导通，通，负载线负载线 AQ 过过 Q 点，斜率点，斜率为为 1/RL；Vi 0，T2 导导通，通，负载线负载线 A Q 过过 Q 点，斜率点，斜率为为 1/RL。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(2)性能分析性能分析(忽略失真忽略失真)一般性能分析一般性能分析在在 0 t 时时，iC2=0 iC1=Icmsin t t 2 时时，iC1=0 iC2=Icmsin t集集-射极间电压：射极间电压：VCE1=VCC Vcmsin t，VCE2=VCC Vcmsin t通通过过 RL 的的电电流：流：相相应产应产生的生的电压电压：RL 上的上的输出功率输出功率：PL=Po=VcmIcm/2=I2cmRL/2 正负电源正负电源总的直流功率：总的直流功率：PD=PD1+PD2=2VCCIC0=2VCCIcm/电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1 若若充充分分激激励励：与与 RL 相相匹匹配配的的输输入入激激励励(不不出出现现饱饱和和失真的最大激励失真的最大激励)。令令 VCE(sat)=0，ICEO=0，则，则 Vcm=VCC，Icm=VCC/RL相应相应 Po 和和 PD 达到最大，达到最大，即即 乙类功放的最大集电极效率乙类功放的最大集电极效率比甲比甲类类功放功放高高 若激励不足若激励不足 Vcm 减减小小，引引入入电电源源电电压压利利用用系系数数 表表示示 Vcm的的减减小小程程度度。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1定定义义 =Vcm/VCC集电极管耗：集电极管耗：分分析析：当当输输入入激激励励由由大大减减小小，即即 减减小小时时，Po、PD、C 均均单调单调减小，而减小，而 PC1 和和 PC2 的的变变化非化非单调单调，时时最大最大，其值为，其值为电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1PD,C Cmax(0.785)C图图 127功放性能随功放性能随 变化的特性：变化的特性：小小时时，PD、Po、C 小；小；接近接近 1 时时，PD、Po、C 大。大。结论：结论：PC 非非单单调调变变化化，两两头小，中间大。头小，中间大。PD 随随 (激激励励)线线性性增大，与甲增大，与甲类类(不不变变)不同。不同。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(3)管安全管安全由由 增增大大 VCC，减减小小 RL，且且输输入入充充分分激激励励，输输出出功功率率将将增增大，但最后受到下列大，但最后受到下列安全工作条件的限制安全工作条件的限制：PC1max=PC2max=0.2Pomax PCM取其中的小值取其中的小值检查二次击穿。检查二次击穿。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章11.3乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大电路从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题：从原理电路到实用电路，还需解决如下等问题：交越失真交越失真 加偏置电路；加偏置电路；双电源双电源 单电源供电；单电源供电；互补管难配互补管难配 准互补推挽电路；准互补推挽电路；安全安全 过载保护；过载保护；充分激励充分激励 输入激励电路。输入激励电路。一、交越失真和偏置电路一、交越失真和偏置电路1交越失真交越失真(Crossover Distortion)(1)定义定义 在在零零偏偏置置条条件件下下，考考虑虑到到导导通通电电压压的的影影响响，输输出出电电压压波形在衔接处出现的失真，称波形在衔接处出现的失真，称交越失真交越失真。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1图图 132图解分析图解分析乙类推挽电路时，两管的合成传输特性乙类推挽电路时，两管的合成传输特性交越失真交越失真电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(2)解决途径解决途径图图 133加偏置的互补加偏置的互补推挽电路及其传输特性推挽电路及其传输特性 输入端两管适当正偏，使其工作在输入端两管适当正偏，使其工作在甲乙类甲乙类。由由传传输输特特性性可可见见：只只要要 VBB 取取值值合合适适，上上下下两两路路传传输输特特性性起起始始段段的的弯弯曲曲部部分分就就可可相相互互补补偿偿，合合成成传传输输特特性性趋趋近近于于直直线线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1(3)常用电路常用电路 二极管偏置电路二极管偏置电路 VBE 倍增电路倍增电路 2二极管偏置电路二极管偏置电路在在集集成成电电路路中中，偏偏置置二二极极管管通通常常由由晶晶体体管管取取代代，如如图图 1-3-4(b)所所示示。或或者者用用互互补补管管 T3、T4 取取代代，如如图图 1-3-4(c)所所示示。图图 1-3-4二极管偏置电路二极管偏置电路电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1问题：问题：偏置电路是否影响输入信号偏置电路是否影响输入信号 vi(t)的传输。的传输。解答：解答：二极管正向交流电阻很小，可认为二极管正向交流电阻很小，可认为交流短路交流短路。图图 1-3-4二极管偏置电路二极管偏置电路电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章13VBE 倍增电路倍增电路图图 135VBE 倍增偏置电路倍增偏置电路(1)偏置电路偏置电路由由 T3、R1、R2 组组成成，且且由由电电流流源源 IR 激激励励，为为互互补补功功率率管管 T1、T2 提供提供偏置电压偏置电压 VBB。T3、R1 构构成成电电压压并并联联负负反反馈馈电电路路，反反馈馈电电路路的的电电阻阻很很小，几乎不影响输入信号的传输。小，几乎不影响输入信号的传输。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1图图 135VBE 倍增偏置电路倍增偏置电路(2)倍增原理倍增原理 式中，式中，VBE3=VT ln(IE3/IS)VT ln(IR/IS)上上式式表表明明：偏偏置置电电路路提提供供的的偏偏置置电电压压 VBB 是是 VBE3 的的倍倍增增值值，且且其其值值受受 R1 和和 R2 控控制制，故故称称为为 VBE 倍增电路倍增电路。(3)热补偿热补偿T ICQ VBE3 VBB ICQ 电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1二、单电源供电的互补推挽电路二、单电源供电的互补推挽电路(OTL)图图 1361电路特点电路特点 单电源供电单电源供电 负负载载串串接接大大容容量量隔隔直直电电容容 CL。VCC 与与两两管管串串接接，若若两两管管特特性性配配对对，则则 VO=VCC/2，CL 等等效效为为电压等于电压等于 VCC/2 的直流电源的直流电源。2工作原理工作原理T1 管管的的直直流流供供电电电电压压：VCC VO=VCC/2，T2 的的供供电电电电压：压：0 VO=VCC/2。单单电电源源供供电电电电路路等等效效为为 VCC/2 和和 VCC/2 的的双双电电源源供供电电电路。电路。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1三、准互补推挽电路三、准互补推挽电路1问题的提出问题的提出互补互补要求两功率管特性要求两功率管特性配对配对，难实现。，难实现。2解决办法解决办法采采用用复复合合管管取取代代互互补补管管，构构成成准准互补推挽电路互补推挽电路。3电路电路图图 137准互补推挽电路准互补推挽电路复复合合管管 T1、T2 等等效效为为 NPN 型型管管；T3与与 T4 等效为等效为 PNP 型管。型管。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1三、准互补推挽电路三、准互补推挽电路3电路电路复复合合管管 T1、T2 等等效效为为 NPN 型型管管；T3与与 T4 等效为等效为 PNP 型管。型管。其其中中，T1、T3 为为小小功功率率管管，它它们们之之间间是是互互补补的的，T2、T4 为为大大功功率率管管，它它们们是是同同型型，便便于于特特性性配配对对，故故称称为为准互补推挽电路准互补推挽电路。R1，R2(几百欧姆几百欧姆)减小复合管的反向饱和电流。减小复合管的反向饱和电流。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1四、保护电路四、保护电路1必要性必要性实实际际可可能能发发生生负负载载短短路路，电电流流迅迅速速增增大大等等异异常常现现象象，造造成成功功率率管管损损坏坏。为为了了安安全全起起见见，应应有有过过流流、过过压压、过过热热保护。保护。2过流保护电路过流保护电路(1)电路电路图图 138限流保护电路限流保护电路T1、T2：保保护护管管；R1、R2：取样电阻。：取样电阻。(2)原理原理以保护管以保护管 T1 为例。为例。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1四、保护电路四、保护电路2过流保护电路过流保护电路(1)电路电路T1、T2：保保护护管管；R1、R2：取样电阻。：取样电阻。(2)原理原理以保护管以保护管 T1 为例。为例。正常时正常时，VR1 不足以使不足以使 T1 导通导通，不起保护作用。，不起保护作用。异异常常时时，VR1 使使 T1导导通通，分分流流 i1，限限制制 T3 管管的的输输出出电电流，起到了限流保护作用。流，起到了限流保护作用。T2 对对 T4 的限流保护作用同上。的限流保护作用同上。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1五、输入激励电路五、输入激励电路1必要性必要性互互补补功功放放,功功率率管管为为射射随随器器，Av 1。若若要要求求输输出出最最大大信号功率，则要求激励信号功率，则要求激励级提供振幅接近电源电级提供振幅接近电源电压的推动电压压的推动电压(单电源单电源为为 VCC/2)。2电路电路 图图 139(a)未加未加自举电容的电路自举电容的电路(b)输入激励级图解分析输入激励级图解分析T3：输入激励级，输入激励级，T3 的的直直流流负负载载 R(忽忽略略 T1 和和 T2基基极极电电流流)，直直流流负负载线为载线为。电子线路非线性部分冯军谢嘉奎绪论和第一章1图图 139(a)未加未加自举电容的电路自举电容的电路(b)输入激励级图解分析输入激励级图解分析3输出振幅输出振幅 交交流流负负载载 r R/ri R，则则交交流流负负载载线线如如 曲曲线线 所所示示，输输出出信信号号电电压压振振幅幅可可接接近近 VCC/2。电子线路非线性部