电子线路非线性.

第1章功率电子线路1.1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1.3乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术1.1功率电子线路概述作用：高效地实现能量变换和控制。种类：根据应用领域和处理对象不同(1)功率放大电路：放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。(2)电源变换电路：对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。1.1.1功率放大器与其它放大器相比相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。不同点：性能要求和运用特性不同。一、功率放大器的性能要求1.安全。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。2.高效率。用ηc集电极效率(CollectorEfficiency)衡量转换效率：CooDocPPPPPPo——输出信号功率(OutputSignalPower)；式中：PD——电源提供的功率；PC——管耗(PowerDissipation)Po一定，ηc高→PD小→PC小→可选PCM小的管子，以降低费用。3.失真小。输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。二、功率管的运用特点1.功率管的运用状态根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。甲类：功率管在一个周期内导通(如小信号放大)。乙类：功率管仅在半个周期内导通。甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。丙类：功率管小于半个周期内导通。2.不同运用状态下的ηC管子的运用状态不同，相应的ηCmax也不同。CoocPPP减小PC可提高ηC。假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和vCE，则PC为π2oCECCdπ21tviP讨论：若减少PC，则要减少iC×vCE途径1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大iC＝0的时间。途径2：使管子运用在开关状态(又称丁类)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE≈vCE(sat)很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗iC×vCE处在很小的值上。截止时，不论vCE为何值，iC趋于0，iC×vCE也处在零值附近。结果PC很小，ηC显著增大。总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。1.1.2电源变换电路1.1.3功率器件功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制：(1)集电极最大允许管耗PCM。还与散热条件密切相关(2)集电极击穿电压V(BR)CEO(3)集电极最大允许电流ICM以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。一、功率管散热和相应的PCM耗散在功率管中的功率PC主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高。若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。集电结结温(Tj)升高→集电极电流(iC)增大→PC增大→Tj随之升高→iC增大→PC增大→Tj升高，如此反复，直至Tj超过集电结最高允许温度TjM，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。热崩(Thermalrunaway)：金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还加装金属散热器(如图)(a)(b)功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路实践中，为了利于集电结的散热，以提高PCM，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，散热器：翼状结构，以增大散热面积。面积越大，厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。二、二次击穿要保证功率管安全工作，除满足由PCM、ICM和V(BR)CEO所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次击穿。二次击穿(SecondaryBreakdown)：当集电极电压超过V(BR)CEO，会引起击穿，只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于V(BR)CEO后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降，iC剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量PSB。功率放大电路使用双极型功率晶体管外，还使用功率MOS管，绝缘栅双极型功率管。1.2功率放大器的电路组成和工作特性在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都是能量转换器，但是，由于要求不同，因而在电路组成和运用特性上，功率放大器却有不同的特点。1.2.1从一个例子讲起图(a)为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此提示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。功率放大器为大信号放大器，进行分析时，功率器件必须采用一般模型(大信号模型)。工程上，采用较多的是特性曲线上作负载线的图解分析法。1.静态工作点的选择：为了使电路在管子不出现饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电压和电流均达到最大幅值，需要把工作点Q选在负载线的中点。即LCCLCEQCQCCCEQ2,2RVRVIVV2.集电级输出电压和电流(假设VCE(sat)和ICEO为0)tVVvVvtIIiIisinsincmCEQceCEQCEcmCQcCQC其中，CQLCEQLcmcmCCCEQcm2IRVRVIVVV,PL和PC均由直流和交流两部分合成。例如：PL中直流功率4221DCQCEQcmcmoPIVIVP，2DCQCEQPIV交流功率%25DomaxPPcmcmCQCEQCCEπ2oCcmcmCQCEQL2Cπ2oLCQCCCC2πoD21dπ2121dπ21dπ21IVIVtivPIVIVtRiPIVtiVPC3.电源提供的直流功率PD、负载功率PL、集电极耗散功率PC4.讨论：(1)电路组成甲类功放的ηCmax仅为25%，PD中仅有1/4转换为有用的输出信号功率，其余均被浪费。其中，一部分耗散在管子中，大部分(PL中直流功率PD/2)消耗在RL上。提高ηCmax的办法：①合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子消耗功率。②在管外电路中，采用不消耗直流功率的电路结构，消除RL上消耗的直流功率。(2)工作特性否则，RL的减小不会增大输出电流，反而会因减小集电极电压振幅而使Po减小，还会因ICQ增大而使PD增大，结果使ηC降低。当VCC一定、Q在负载线中点时，Vcm(≈VCC/2)被限定。要提高输出信号功率，就必须减小RL，才能增大Icm。但，在减小RL时，还必须同时增大激励电流。充分激励时RL变化对功率性能的影响总之，在功率放大器中，要高效率地提升Po，必须减小RL，同时相应增大输入激励电流。充分激励：与RL相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。匹配负载：相应的负载为匹配负载(能使Q处于交流负载线中点的负载)。5.结论(1)功放在电路组成上，必须采用避免管外电路中无谓消耗直流功率的电路结构。(2)在工作特性上，输出负载，输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。1.电路(1)输入端：RB——偏置电阻CB——旁路电容Tr1——耦合变压器(2)输出端：Tr2——耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用，L2LRnR1.2.2甲类、乙类功放的电路组成及功率性能一、甲类变压器耦合功放(1)静态分析CCCEVv2.电路分析根据直流通路，写出直流负载方程：直流负载线：EF(2)动态分析交流负载线方程：LcceRiv又：cCQCceCEQCEiIivVv则：交流负载方程可改写为)(CQCLCEQCEIiRVv上式表明，当CCCEQCECQCVVvIi时，，它在两坐标轴上的截距：CQLCEQCECLCEQCQCCE0/0IRVviRVIiv时，时，)(CQCLCEQCEIiRVv相应画出交流负载线是一条通过Q点的直线MN，斜率为1/。LR(3)功率性能当输入充分激励，Q处在负载线中点时，忽略非线性失真，且设00CEOCE(sat)IV，，则相应的集电极电压和电流分别为：tVVvtIIisinsincmCEQCEcmCQC，其中LCCLcmCQcmCCCEQcm//RVRVIIVVV；与放大器的基本电路相比，在匹配负载时，电压信号幅值Vcm由VCC/2，增加到VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大四倍。根据上述关系求得50%//2/2/2/2/2DocmaxDcmcmCQCCCDCQCEOcmcmoLCQCCDPPηPIVIVPPIVIVPPIVP(4)管安全由图可见，加在集电极上的最大电压CCCEmaxVv通过集电极的最大电流。CQcmCQCmax2IIIi，CCcm2VV当Po=0时，PD全部消耗在管子中，因而消耗在集电极上的最大功率。DCmaxPP所以保证管子安全工作的条件为：采用变压器耦合，ηCmax将由0.25增大到0.5，即PD的一半转换为Po。若Q处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下，增大VCC，或减小R,L，Po均将增大，但最后受安全工作条件的限制。CMDCmaxCMCQCMCQCmax(BR)CEOCC(BR)CEOCCCEmax2/22/2PPPIIIIiVVVVV即即又因为：2/2/2/DCQCCcmcmomaxPIVIVP，上述安全工作条件又可用Pomax表示为8/2/CM(BR)CEOmaxoCMmaxoIVPPPPomax取较小的值。除外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安全区内。二、乙类推挽功率放大器乙类工作时，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。可有多种实现方案：(1)变压器耦合乙类推挽功放(2)互补推挽功放1.变压器耦合功放(1)电路结构Tr1——输入变压器，利用次级绕组的中心抽头将vi(t)分成两个幅值相等，极性相反的激励电压1ii2vv，分别加在两管的基射极之间，实现两管轮流导通。Tr2——输出变压器，隔断iC1和iC2中的平均分量，并利用初级绕组的中心抽头将iC1和iC2中的基波分量在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中的基波分量在RL中叠加，输出正弦波。2.互补推挽电路(1)电路特点T1与T2——功率管互补配对(2)工作原理(忽略射结压降)vi(t)＞0时，T1管(NPN型)导通，T2管(PNP型)截止，iC1(≈iE1)为正半周的半个正弦波；vi(t)＜0时，T2管导通，T1管截止，iC2(≈iE2)为处于负半周的半个正弦波。通过RL的电流E21ELiii，合成完整的正弦波。小结：上述功率放大器，为实现器件轮流导通：乙类功放电路输入激励信号功率管管型管外电路变压器耦合乙类功率放大器极性相反对管，管型相同均避免了直流功率的损失互补推挽乙类功率放大器极性相同对管，管型不同3.