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杨凌《模拟电子线路》第6章第6章低频功率放大电路§6.0引言多级放大器常用来给负载提供大的功率.例如,为扬声器之类的小负载电阻输送很大的电流,或为开关电源之类的大负载电阻传送很大的电压.前几章所讨论的放大器主要用于增强电压幅度或电流幅度,因而相应地称为电压放大器或电流放大器.本章将分析为负载传送一定功率的电路─功率放大器.对功率放大器的主要要求是:在一定的不失真(或失真较小)的前提下,将交流信号功率有效地传送给负载.因此,我们将关注晶体管的管耗问题.§6.1功率放大电路的一般问题一、功率放大器的主要研究对象1、Po↑晶体管往往在接近极限运用状态下工作.2、η↑3、THD↓THD与Po是相矛盾的.4、功放管的散热问题5、功率管的保护问题Poη=—(6-1)PD二、功率放大电路的分类§6.1功率放大电路的一般问题功率放大电路是根据输出级晶体管的导通时间进行分类的.低频功率放大电路有三种基本类型:甲类、乙类、甲乙类.图6.1给出了输入为正弦信号时,各类功率放大器的输出情况.OiCωtOvCEiCICQQOiCωtOvCEiCQ图6.1(a)甲类晶体管的导通角θ=360o图6.1(b)乙类晶体管的导通角θ=180o§6.1功率放大电路的一般问题OiCωtOvCEiCICQQ图6.1(c)甲乙类晶体管的导通角180o≤θ≤360o三、功率放大电路提高效率的主要途径晶体管的静态电流是造成管耗的主要因素,所以是影响功率放大电路效率的主要原因.可以证明:即使在理想情况下,甲类功放的最高效率只有50%.提高功放效率的一个基本思路是将Q点下移.§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)一、电路组成RL+VCC－VCCT2+vi－T1iC2iC1iL+vo－图6.2OCL(OutputCapacitorless)1、Po与PomVomVomPo=VoIo=——·———22RL1Vom2=—·——2RL1Vcem21VCC2Po=—·——=—·——·ζ22RL2RLVcemζ≈——(5-2)VCC二、工作原理§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)图6.3Icm1OVCCvCE1iC1QVcem1VCES(a)IcmOVCESiC1QVcemvCEO2IcmVCES2VcemiC2(b)§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)1VCC2Pom=—·——(6-3)2RL2.η与ηmax122VCC2PD=—VCCIcmsinωtdωt=—VCCIcm=—·——ζπππRL∫π0Poπη=—=—·ζ(6-4)PD4Pomπηm=——=—≈78.5%(6-5)PD4§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)三、功率BJT的选择1、PTm与Pom的关系PTPD－Po21PT1=PT2=—=———=Pom—ζ－—ζ222π2dPT1——dζ2=Pom—－ζπdPT1——=0dζVom≈0.6VCC时ζ≈0.6,即21PT1m=PT2m=Pom—×0.6－—×0.62≈0.2Pom(6-6)π2§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)OVom/VCCPD0.20.40.60.81.01.21.00.80.60.40.20.1371.27PoPT1P/VCC2(——)2RLPD=Po+2PT1图6.4§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)2、功率BJT的选择(1)PCM≥PT1m≈0.2Pom(2)│V(BR)CEO│＞2VCC(3)ICM≥VCC/RL【例6-1】功放电路如图6.2所示,设VCC=12V,RL=8Ω,三极管的极限参数为ICM=2A,│V(BR)CEO│=30V,PCM=5W.试求:(1)最大输出功率Pom值,并检验所给三极管是否能安全工作?(2)放大电路在η=0.6时的输出功率Po值§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)四、交越失真图6.2所示电路中,由于没有直流偏置,当vi=0时,T1×,T2×,因此实际输出vo=0;设两管的发射极开启电压为0.6V,则当－0.6V≤vi≤0.6V时,依然有T1×,T2×,vo=0.可见,输出波形在零点附近课堂练习【参考答案】(1)Pom=9W,ICM=1.5A,PTm=1.8W;VCEM=24V(2)Po≈5.3W.RL+VCC－VCCT2+vi－T1iC2iC1iL+vo－§6.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)产生了失真,这种失真是由于晶体管的死区电压所造成的,称为交越失真,如图6.5所示.ωt－0.6V0.6V0vi/Vωt0vO,iL图6.5交越失真RL+VCC－VCCT2viT1iLvo图6.6D1D2iC1iC2RC3T3RE3§6.3甲乙类互补对称功率放大电路为了克服交越失真,当vi=0时(静态时),给T1,T2一个适当的偏置电压,使之处于微导通状态.从而让电路工作在甲乙类状态.一、甲乙类双电源互补对称功放图6.7RL+VCC－VCCT2viT1iLvoR1R2iC1iC2RC3T3RE3T4§6.3甲乙类互补对称功率放大电路图6.6电路中偏置方法的缺点是,偏置电压不易调整.图6.7电路则可提供比较灵活的偏置电压,在集成电路中经常用到.图6.7中所用到的偏置电路称为VBE扩大电路.在图6.7中,若忽略T4的基极电流,则有:VBE4IR2=——=IR1R2R1VCE4=IR2(R1+R2)=VBE4(1+—)R2二、使用Darlington管的甲乙类互补对称功放§6.3甲乙类互补对称功率放大电路RL+VCC－VCCT2viT1iLvo图6.8D1D2RC6T6RE6D3T4T5T3NPNPNP互补对称推挽输出级使用PNP和NPN型晶体管.在IC设计中,PNP型晶体管常为横向结构,β值的范围只有5～10.NPN型晶体管为纵向结构,β值为200左右.可见,NPN管和PNP管不能很好地匹配,所以,输出级采用达林顿管.§6.3甲乙类互补对称功率放大电路三、甲乙类单电源互补对称功放(OTL)图6.9OTL(OutputTransformerless)(b)T1T2viRL+VCCvoD1D2RC3KT3+C(a)T1T2viRL+VCC/2voD1D2RC3T3－VCC/2§6.3甲乙类互补对称功率放大电路静态时,VK=VCC/2.1C＞(5～10)———2πfLRL1VCC2Pom=—·——(6-7)8RL§6.4桥式功率放大电路T1T2viRL+VCCvo+－+－图6.10BTL(BalancedTransformerless)T3T4vi0,T1√,T4√T2×,T3×vi0,T2√,T3√T1×,T4×1VCC2Pom=—·——2RL§6.5集成功率放大器随着线性集成电路的发展,集成功率放大器的应用也日益广泛.图6.11(a)SHM1150Ⅱ136+VCC10－VEE8vo+vi－VCC±12V～±50VPom=150W一、SHM1150Ⅱ型集成功放§6.5集成功率放大器+VCC图6.11(b)CT4T1T2+vi－+vo－1R6R7T5T6T8R1R2R9－VEER8RfR10I13I2T7T9T108610R11R13R12§6.5集成功率放大器二、集成音频功放LM386图6.12T8T10R7+VCCvoD1D2R1T76T9T5T63587214T2T4T1T3R2R3R4R5R6§6.6功率器件一、功率BJT1、功率BJT的散热问题在功率放大器中,晶体管在给负载输送功率的同时,自己也要消耗一部分功率.晶体管消耗的功率直接表现在其结温升高,当结温升高到一定程度,就会烧坏管子,因而输出功率受图6.13§6.6功率器件到管子允许的PCM的限制.值得注意的是,管子允许的功耗与管子的散热情况密切相关.如果采取适当的散热措施,就有可能充分发挥管子的潜力,增加功率管的输出功率.(1)表征散热能力的重要参数─热阻RT热的传导路径,称为热路.阻碍热传导的阻力称为热阻.RT(oC/WoC/mW)RT↓→PCM↑RT↑→PCM↓(2)功率BJT的散热等效热路RT≈RTj+RTc+RTf(6-8)0.1～3oC/W§6.6功率器件PCRTjRTcRTfTjTcTfTaRT图6.14(a)(b)(c)§6.6功率器件(3)功率BJT的散热计算Tj－Ta=RTPCM(6-9)最高允许结温环境温度Tj－TaPCM=(6-10)RTRT↓→PCM↑,Ta↓→PCM↑【例6-2】设一功率三极管的集电结到管壳的热阻RTj=4oC/W,散热片与周围空气的热阻RTf=5oC/W,在管壳与散热片间,利用§6.6功率器件－0.2mm厚云母垫片进行装配,因此在管壳与散热片之间引入的热阻为RTc=1oC/W,如果在VCE=10V时,流过功率三极管的平均电流IC=1A,试求当环境温度Ta=25oC时,三极管的集电结结温Tj,管壳温度Tc和散热片温度Tf.设三极管发射结的功耗可忽略.【参考答案】Tj=125oC,Tc=85oC,Tf=75oC二、二次击穿§6.6功率器件1、二次击穿现象功率管在实际应用中,常发现功耗并未超额,管子也不发烫,但却突然失效,这种损坏不少是由于“二次击穿”所致.图6.15ovCEiCABC二次击穿一次击穿图6.16ovCEiC二次击穿后曲线二次击穿临界曲线§6.6功率器件产生二次击穿的机理目前尚不完全清楚.一般说来,二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应.其物理过程多数认为是由于流过BJT结面的电流不均匀,造成结面局部高温(称为热斑),因而产生热击穿所致.这与BJT的制造工艺有关.2、BJT的安全工作区ovCEiCV(BR)CEOICMPCM安全工作区二次击穿临界曲线图6.17V≤80%V(BR)CEOI≤80%ICMP≤50%PCMT≤(70%～80%)Tj§6.6功率器件二、功率MOSFET※与BJT相比,VMOS器件有以下优点:1、功率增益高;2、增益稳定性好;3、温度稳定性高,不会产生二次击穿;4、开关速度快,可用于高频电路或开关式稳压电源等.金属SiO2图6.18N+型衬底N－型外延层sgN+N+Psd章末总结与习题讨论一、本章小节1、熟悉对功率放大电路的一般研究问题,掌握功率放大电路的图解分析法,理解提高功率放大电路效率的主要思想;2、掌握乙类功率放大电路的电路组成及工作原理(包括各项指标的分析),理解产生交越失真的原因;3、熟悉VBE扩大电路及甲乙类功放的电路结构(包括达林顿管功放).4、注意双电源供电的功放与单电源供电的功放的区别.二、例题讨论RL16Ω+VCC+24VT2T1voD1D2R1R2T3－VCC－24Vvi图6.19章末总结与习题讨论【例6-3】电路如图6.19所示,设输入电压vi为正弦波,由T3管组成的放大电路的增益△vC3/△vB3=－16,射极输出器的电压增益为1,试计算当输入电压有效值Vi=1V时,电路的输出功率Po、电源供给的功率PD、两管的管耗PT以及效率η.【解】Vo2(16Vi)2Po=—=———=16WRLRL章末总结与习题讨论PT=PD－Po=21.6-16=5.6W224×162=——×————≈21.6W3.1416Po16η=—×100%=——×100%≈74.1%PD21.6【例6-4】单电源供电的OTL电路如图6.20所示,假定负载为8Ω,要求最大输出功率Pom=10W,试问(1)电源电压VCC≥?2VCC22VCC2Vom2VCC·VomPD=—·——ζ=—·——·——=—·———πRLπRLVCCπRL章末总结与习题讨论RL+VCCT2T1voDR1R3R2C1+C2+vi图6.20(2)电源供给的功率PD=?(3)管子的击穿电压V(BR)CEO≥?(4)管子的允许功耗PCM≥?(5)放大器转换能量的效率η=?(6)电容C2承受的直流电压为多少?(7)若要求由C2引入的下限频率fL2=10Hz,问C2应选多大的值?(8)若输出产生交越失真,应调节什么元件?如何调?章末总结与习题讨论【解】(1)1VCC2Pom=—·——8RLVCC≥8Pom·RL≈25.