非线性电子线路第一章.ppt

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1、第一章非线性电子线路非线性电子线路1u功率放大器的功率放大器的设计u 功率合成功率合成u 直流直流稳压电源源第一章第一章 功率电子线路功率电子线路本章主要内容本章主要内容一一 功率放大器的设计内容功率放大器的设计内容功率放大器的性能要求功率放大器的性能要求功率管的选择功率管的选择功率管的运用（功率放大器的分类）功率管的运用（功率放大器的分类）集成功率放大器集成功率放大器第一章非线性电子线路非线性电子线路2（一）（一）功率放大器的性能要求功率放大器的性能要求u安全安全u效率效率u失真失真u功率功率 不要损坏元件不要损坏元件 要高要高 在允许范围内在允许范围内 足够大足够大什么是功率放大器？与小信

2、号放大器有何区别？什么是功率放大器？与小信号放大器有何区别？对小信号放大器的要求，主要体现在增益、频率响应和稳定性等方对小信号放大器的要求，主要体现在增益、频率响应和稳定性等方面；而对功率放大器的要求，除了增益、频率响应、稳定性以外，最主面；而对功率放大器的要求，除了增益、频率响应、稳定性以外，最主要的是在保证功率管安全工作的条件下，高效率地输出尽可能大而失真要的是在保证功率管安全工作的条件下，高效率地输出尽可能大而失真在允许范围内的功率。在允许范围内的功率。第一章非线性电子线路非线性电子线路3 1 功率管的安全功率管的安全u三个极限参数三个极限参数u功率管的二次击穿功率管的二次击穿u功率管的

3、热设计功率管的热设计第一章非线性电子线路非线性电子线路42 效率的计算效率的计算u直流直流电源功率源功率u负载损耗功率耗功率u负载输出功率出功率u集集电极耗散功率极耗散功率u集集电极效率极效率第一章非线性电子线路非线性电子线路53 功率足够大功率足够大u充分激励充分激励u负载匹配匹配u静静态工作点、激励、工作点、激励、负载三者要最佳配置三者要最佳配置4 4 失真在允许范围内失真在允许范围内uPon 输出信号谐波的总功率输出信号谐波的总功率uPo 输出信号基波功率输出信号基波功率u指标指标 非线性失真系数非线性失真系数第一章非线性电子线路非线性电子线路6（二）功率管的选择（二）功率管的选择uVM

4、OS 垂直沟道功率垂直沟道功率MOS管管u双双扩散功率散功率MOS管管u IGBT 绝缘栅双极型功率三极管双极型功率三极管u达林达林顿管管第一章非线性电子线路非线性电子线路7（三）（三）功率管的应用功率管的应用u甲类甲类u乙类乙类u甲乙类甲乙类u丙类丙类u丁类丁类底底效效率率高高功率放大器的分类：功率放大器的分类：根据放大管集电极电流导通时间的根据放大管集电极电流导通时间的长短，功率放大器可分为甲类长短，功率放大器可分为甲类(或称为或称为A类类)，乙类，乙类(或称或称B类类)，丙类，丙类(或称或称C类类)等。等。第一章非线性电子线路非线性电子线路81.甲类功率放大电路甲类功率放大电路第一章非线

5、性电子线路非线性电子线路92.变压器耦合甲类功率放大电路变压器耦合甲类功率放大电路甲类功放的特点：甲类功放的特点：电源提供的功率只与静态工作点有关，电源提供的功率只与静态工作点有关，与激励无关；输入激励越大，效率越高，最大不超过与激励无关；输入激励越大，效率越高，最大不超过25或或50%。第一章非线性电子线路非线性电子线路103.乙类功率放大器乙类功率放大器u提高效率：直流工作点降低提高效率：直流工作点降低为零（乙零（乙类工作）工作）u克服失真：两管互克服失真：两管互补推挽推挽1 1）变压器耦合乙类推挽功率放大器变压器耦合乙类推挽功率放大器第一章非线性电子线路非线性电子线路112)2)无输出变

6、压器乙类推挽电路无输出变压器乙类推挽电路无输出变压器乙类推挽电路，简称无输出变压器乙类推挽电路，简称OTLOTL电路电路互补对称互补对称电路电路第一章非线性电子线路非线性电子线路123)乙类推挽性能分析乙类推挽性能分析u电压利用系数利用系数u输出功率出功率u管耗管耗u集集电极效率极效率u极限极限应用用乙类推挽功率放大器中的匹配负载乙类推挽功率放大器中的匹配负载第一章非线性电子线路非线性电子线路134)乙类推挽功率放大实用电路乙类推挽功率放大实用电路u非非线性失真性失真交叉失真交叉失真u交叉失真消除措施交叉失真消除措施u单电源供源供电的互的互补推挽推挽电路路u准互准互补推挽推挽电路路u保保护电路

7、（路（过流流、过压、过热）u自自举电路路要求：要求：能设计并画出实用电路能设计并画出实用电路第一章非线性电子线路非线性电子线路14（四）（四）集成功率放大器集成功率放大器uLM380集成功率放大器集成功率放大器uLM386音音频功率放大器功率放大器u功率运算放大器功率运算放大器u桥式功率放大器式功率放大器 （有源功率合成）（有源功率合成）桥式功率放大器：适合低电源工作，在电路参数相同情况桥式功率放大器：适合低电源工作，在电路参数相同情况下，它比单个下，它比单个OTLOTL（或（或OCLOCL）电路输出电压幅值增大）电路输出电压幅值增大2 2倍，输倍，输出功率增大出功率增大4 4倍。倍。要求：要

8、求：能画出桥式功率放大原理电路能画出桥式功率放大原理电路第一章非线性电子线路非线性电子线路15二二 功率合成技术功率合成技术当需要的功率超过单个电子器件所能输出的功率时，将几当需要的功率超过单个电子器件所能输出的功率时，将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功率，这就是功率合成技术。率，这就是功率合成技术。（一）（一）功率合成电路的功率合成电路的 作用示意图作用示意图有源器件有源器件/无源器件无源器件/隔离技术隔离技术第一章非线性电子线路非线性电子线路161.1.传输线变压器的基本构造和特点传输线变压器的基本构造和特点变压器变压器

9、（二）（二）传输线变压器传输线变压器频率覆盖系数频率覆盖系数 f fH H/f/fL L10103 3 f fH H最高只能达到几十最高只能达到几十MHzMHz 磁环：镍锌高磁导率的铁氧体磁心磁环：镍锌高磁导率的铁氧体磁心传输线：同轴电缆、双绞线、或带状线传输线：同轴电缆、双绞线、或带状线 f fH H高，频率覆盖系数高高，频率覆盖系数高第一章非线性电子线路非线性电子线路172 工作原理和作用工作原理和作用前提条件前提条件:传输线理想无损耗，终端匹配（工程上传输线理想无损耗，终端匹配（工程上 ）传输线变压器满足：传输线变压器满足：端口电压相等端口电压相等（即（即v v1 1=v v2 2=v

10、v ）流过传输线电流大小相等，方向相反流过传输线电流大小相等，方向相反(i i1 1=i i2 2)A 1A 1：1 1倒相器倒相器 Ri :RL=1:1vi=v，vo=v第一章非线性电子线路非线性电子线路18B 平衡不平衡变换器平衡不平衡变换器第一章非线性电子线路非线性电子线路19C C 1 1：1 1不平衡不平衡-平衡平衡变换器器D D m:1m:1传输线变压器传输线变压器一般构成原则：一般构成原则：n n个个1:11:1理想传输线变压器与一根短路线理想传输线变压器与一根短路线始端始端相串，终端相并相串，终端相并构成构成m m:1:1传输线变压器传输线变压器E E 1:m1:m传输线变压器

11、传输线变压器 m m=(1+=(1+n n)2 2 一般构成原则：一般构成原则：n n个个1:11:1理想传输线变压器与一根短路线理想传输线变压器与一根短路线始端始端 相并，终端相串相并，终端相串构成构成1:1:m m 的传输线变压器的传输线变压器 m=(1+n)2第一章非线性电子线路非线性电子线路20（三）（三）功率合成和功率分配电路功率合成和功率分配电路功率合成电路功率合成电路功率分配电路功率分配电路第一章非线性电子线路非线性电子线路21整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路 u1u2u3u4uo（一）稳压电源的组成三三 直流稳压电源直流稳压电源u电源变压器电源

12、变压器:将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交流电压变为合适的交流电压u2。u整流电路整流电路:将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。u滤波电路滤波电路:将脉动直流电压将脉动直流电压u3转转变为平滑的直流电压变为平滑的直流电压u4。u稳稳压电路压电路:清除电网波动及负载变化影响清除电网波动及负载变化影响,保持输出电压保持输出电压uo稳定。稳定。第一章非线性电子线路非线性电子线路22（二）（二）稳压电源的技术指标稳压电源的技术指标整整 流流 电电路路滤滤 波波 电电路路稳稳 压压 电电 路路 u1u2u3u4uou 电压调整率电压调整率 负载调整率负载调整率u

13、纹波电压纹波电压 效率效率 Po/Pi u过流及短路保护过流及短路保护u输出电压可调输出电压可调u最大输出电流最大输出电流第一章非线性电子线路非线性电子线路23常见小功率整流电路常见小功率整流电路:半波、半波、全波、桥式和倍压整流等。全波、桥式和倍压整流等。（三）（三）整流电路整流电路1 1 半波整流电路半波整流电路uo(3)(3)输出电压平均值：输出电压平均值：(1)(1)输出电压波形：输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL(2)(2)二极管上承受的最高电压：二极管上承受的最高电压：(4)(4)负载和二极管的平均电流负载和二极管的平均电流第一章非线性电子线路非线性电子线路24+变压器副边

14、中变压器副边中心抽头，感应心抽头，感应出两个相等的出两个相等的电压电压u u2 2当当u2正半周时，正半周时，D1导通，导通，D2截止。截止。当当u2负半周时，负半周时，D2导通，导通，D1截止。截止。2 单向全波整流电路单向全波整流电路第一章非线性电子线路非线性电子线路25全波整流电压波形全波整流电压波形u2uLuD1 t 2 3 4 0uD2第一章非线性电子线路非线性电子线路26uL 2 0 tIL=UL/RL=0.9 U2/RL（2）输出电流平均值）输出电流平均值IL：（1）输出电压平均值）输出电压平均值UL：IL第一章非线性电子线路非线性电子线路27uD 2 0 t（3）流过二极管的平

15、均电流：）流过二极管的平均电流：ID =IL/2（4）二极管承受的最高反向电压：）二极管承受的最高反向电压：第一章非线性电子线路非线性电子线路28 u2正半周时正半周时电流通路电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo+-+-1 1）工作原理工作原理3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路第一章非线性电子线路非线性电子线路29 -+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时负半周时电流通路电流通路+-第一章非线性电子线路非线性电子线路30 u20 时时D1,D3导通导通D2,D4截止截止电流通路电流通路:A D1RLD3Bu20 时时D2,D4导通导通D1,D3截止截止电流通路电流通路:B

16、D2RLD4A输出是脉动的直流电压！输出是脉动的直流电压！桥式整流电路输出波形桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形及二极管上电压波形u2D4D2D1D3RLuoABu2uD4,uD2uouD3,uD1第一章非线性电子线路非线性电子线路31 a.a.整流输出电压平均值（整流输出电压平均值（U Uo o）b.b.负载上的负载上的(平均平均)电流电流:c.c.流过二极管的流过二极管的(平均平均)电流电流:d.d.二极管承受的最大反向电压二极管承受的最大反向电压2）参数计算参数计算第一章非线性电子线路非线性电子线路32几种常见的硅整流桥几种常见的硅整流桥+-+-u2uL+第一章非线性电子线路非线性电

17、子线路331 1）二倍压整流电路二倍压整流电路u2的正半周时：的正半周时：D1导通，导通，D2截止，理截止，理想情况下，电容想情况下，电容C1的电压充到：的电压充到：u2的负半周时：的负半周时：D2导通，导通，D1截止，理截止，理想情况下，电容想情况下，电容C2的电压充到：的电压充到：负载上的电压：负载上的电压：+u1u2+D1C2C1D2uoRL4 倍压整流电路倍压整流电路第一章非线性电子线路非线性电子线路34 +u u2 2的第一个正半周：的第一个正半周：u u2 2、C C1 1、D D1 1构成回路，构成回路，C C1 1充电到：充电到：u u2 2的第一个负半周：的第一个负半周：u

18、u2 2、C C2 2、D D2 2、C C1 1构成回路，构成回路，C C2 2充电到：充电到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C62）多倍压整流电路多倍压整流电路第一章非线性电子线路非线性电子线路35 +C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u u2 2的第二个正半周：的第二个正半周：u u2 2、C C1 1、C C3 3、D D3 3、C C2 2构成回路，构成回路，C C1 1补充电荷，补充电荷，C C3 3充电到：充电到：u u2 2的第二个负半周：的第二个负半周：u u2 2、C C2 2、C C4 4、D D4 4、C C3 3、C C1

19、1构成构成回路，回路，C C2 2补充电荷，补充电荷，C C4 4充电到：充电到：从不同端点可引出所需的多倍压直流输出。从不同端点可引出所需的多倍压直流输出。第一章非线性电子线路非线性电子线路36交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件用储能元件电容电容两端的电压两端的电压(或通过或通过电感电感中的电流中的电流)不能突变的特性不能突变的特性,将将电容电容与负载与负载R RL L并联并联(或将或将电感电感与负载与负载R RL L串联串联)，滤掉整流电路输出电压中的

20、交流，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。目的。（四）（四）滤波电路滤波电路第一章非线性电子线路非线性电子线路37u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL未接入时未接入时u2t设设t1时刻接时刻接通电源通电源t1充电结束充电结束忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻u0t没有电容时的输没有电容时的输出波形出波形1.电容滤波第一章非线性电子线路非线性电子线路38u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 u2tuot电容通过电容通过RL放电，放电，在整流电路电压小在

21、整流电路电压小于电容电压时，二于电容电压时，二极管截止，整流电极管截止，整流电路不为电容充电，路不为电容充电，uo会逐渐下降。会逐渐下降。第一章非线性电子线路非线性电子线路39近似估算近似估算:U UL L=1.2=1.2U U2 2(b)(b)流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短整流管导电时间越短 i iD D的峰值电流越大的峰值电流越大(a)(a)U UL L与与R RL LC C的的 关系：关系：R RL LC C 愈大愈大 C C放电愈慢放电愈慢 U UL L(平均值平均值)愈大愈大RLC 较大较大一般取：一般取：(T T:电源电压的周期电源电压的周期)u2t

22、uc=uL电容滤波电路的特点：电容滤波电路的特点：第一章非线性电子线路非线性电子线路40输出波形随负载电阻输出波形随负载电阻 R RL L 或或 C C 的变化而改变的变化而改变,U Uo o 和和S S（纹（纹波因素）波因素）也随之改变。也随之改变。例如：例如：R RL L 愈小愈小(I(IL L 越大越大),Uo),Uo下降下降,S,S 增大。增大。结论：结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。载变动不大的场合。uo电容电容滤波滤波纯电阻负载纯电阻负载1.4U20.9U20IL(c)输出特性输出特性(外特性外特

23、性)第一章非线性电子线路非线性电子线路41电路结构电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L L。输出电压平均值输出电压平均值:UL=0.9U2谐波分量谐波分量:f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电感上。电压大部分降在电感上。因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。直流分量直流分量:XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上上2.电感滤波电路电感滤波电路第一章非线性电子线路非线性电子线路42电感滤波的特点电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较整流管导电角较大，峰值电流很

24、小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流平坦，适用于低电压大电流(R RL L较小较小)的场合。缺点是电感的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。u2u1RLLuo第一章非线性电子线路非线性电子线路43 为进一步改善滤波特性，采取多级滤波。为进一步改善滤波特性，采取多级滤波。LC滤波电路滤波电路型滤波电路型滤波电路3.其它滤波电路其它滤波电路+u+u-iC-oC12+uo+-LCu-i+第一章非线性电子线路非线性电子线路44稳压原理稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。由于利用稳压管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小反向特性

25、陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。的电压变化。+UDziLRz-oU-+RUIZILI（五）（五）稳压电路稳压电路1 1 稳压管稳压电路稳压管稳压电路第一章非线性电子线路非线性电子线路452 串联型稳压器串联型稳压器1）工作原理工作原理第一章非线性电子线路非线性电子线路46第一章非线性电子线路非线性电子线路47基准源电路基准源电路使使V VREFREF温度系数为零温度系数为零,降低输出电压温度系数降低输出电压温度系数第一章非线性电子线路非线性电子线路48最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。常用的故称之

26、为三端集成稳压器。常用的W7800W7800系列系列W7900W7900系列系列三三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。输出输出电流自电流自100mA100mA到到3A3A，电压调整率为，电压调整率为0.005%0.005%0.02%,0.02%,负载调整负载调整率为率为0.1%0.1%1%1%。2）集成三端稳压器集成三端稳压器分类分类:三端集成三端集成稳压器稳压器固定式固定式可调式可调式正稳压正稳压负稳压负稳压W78系列系列(输出正电压输出正电压)W79系列系列(输出负电压输出负电压)输出电压额定电压值有输出电压额定电压值有:5V、9V

27、、12V、18V、24V等等。第一章非线性电子线路非线性电子线路491端端:输入端输入端2端端:公共端公共端3端端:输出端输出端W78XX系列稳压器系列稳压器1231端端:公共端公共端2端端:输入端输入端3端端:输出端输出端W79XX系列稳压器系列稳压器123稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。型号后附有短路和过热保护环节。型号后XXXX两位数字代表输两位数字代表输出电压值。出电压值。第一章非线性电子线路非线性电子线路50输出为固定正压时的接法如图所示输出为固定正压时的接法如图所示。注意：注意：输入与输出端之间的电

28、压不得低于输入与输出端之间的电压不得低于3V！+_W7800系列稳压器系列稳压器 基本接线图基本接线图CoW78XXCIUI+_Uo1320.11 F1F三端稳压器应用电路三端稳压器应用电路第一章非线性电子线路非线性电子线路51输出正负电压的电路输出正负电压的电路正负电压同时输出电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+_UO132+_CIW79XX13COCO2UO第一章非线性电子线路非线性电子线路52COW78XXCIUI+_+_UO132UXXUZRDZUXX:为为W78XX固定输出电压固定输出电压 UO=UXX+UZ提高输出电压的电路提高输出电压的电路第一章非线性电子线路非线性电子线

29、路533 低压差线性稳压电路低压差线性稳压电路LDOLDO中调整管为共源连接，输入与输出电压差可中调整管为共源连接，输入与输出电压差可以非常小。以非常小。第一章非线性电子线路非线性电子线路544 开关稳压器开关稳压器线性稳压电路纹波小但电源效率低，为了提高效线性稳压电路纹波小但电源效率低，为了提高效率应采用开关电源。开关稳压电路中，调整管工率应采用开关电源。开关稳压电路中，调整管工作在开关状态。其核心电路是：作在开关状态。其核心电路是：DC/DCDC/DC和和PWMPWM。第一章非线性电子线路非线性电子线路55（1）直流直流变换器（斩波器）直流直流变换器（斩波器）A A 降压型降压型B B 升

30、压型升压型占空比占空比第一章非线性电子线路非线性电子线路56C C 降压升压型降压升压型升压型开关电压原理电路升压型开关电压原理电路第一章非线性电子线路非线性电子线路57 （2）PWM（脉冲宽度调制电路）（脉冲宽度调制电路）构成构成 :基准电压源、放大器、电压比较器、振荡器基准电压源、放大器、电压比较器、振荡器开关稳压电路的原理电路开关稳压电路的原理电路PWMPWM控制器芯片：控制器芯片：LTC1148LTC1148、MC34063AMC34063A、TL494TL494 LM2575/2576 LM2575/2576等等第一章非线性电子线路非线性电子线路58电源电路实例电源电路实例第一章非线性电子线路非线性电子线路59u调整管状态调整管状态u体积、重量体积、重量u纹波电压纹波电压u效率效率（3）开关稳压器特点开关稳压器特点开关状态开关状态 放大状态放大状态小、轻小、轻 大、重大、重 高高 低低 高高 低（低（4060)开关电源开关电源 模拟电源模拟电源第一章非线性电子线路非线性电子线路60本章总结本章总结u功率放大器功率放大器设计u甲、乙甲、乙类功放功放电路特点、效率路特点、效率u乙乙类功放功放实用用电路路u集成功放集成功放u直流直流稳压电源源