西安交大模电课件第9章功率放大器.ppt

1、上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础9.1 功率放大电路的特点及分类功率放大电路的特点及分类 1特点特点 （1）要有尽可能大的输出功率要有尽可能大的输出功率 （2）效率要高效率要高 （3）非线性失真要小非线性失真要小 （4）要加装散热和保护装置要加装散热和保护装置 （5）要用图解法分析要用图解法分析 9 功率放大电路功率放大电路上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础2工作状态分类工作状态分类 (1)甲类放大电路甲类放大电路 根据晶体管的静态工作点的位置不同分：根据晶体管的静态工作点的位置不同分：b.能量转换效率低能量转换效率低特点：特点：c.放大管的导通角

2、放大管的导通角=2静态工作静态工作点位置点位置iC1ICQt=2 02 集电极电集电极电流波形流波形大大 a.静态功耗静态功耗uCEiC0QA上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础(2)乙类放大电乙类放大电路路 b.能量转换效率高能量转换效率高c.输出失真大输出失真大特点：特点：d.放大管的导通角放大管的导通角=tiC22 =03 集电极电集电极电流波形流波形 a.静态功耗静态功耗静态工作静态工作点位置点位置uCEiC0QA上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础(3)甲乙类放大电路甲乙类放大电路 a.静态功耗较小静态功耗较小b.能量转换效率较高能量转换效率较

3、高c.输出失真较大输出失真较大特点：特点：d.放大管的导通角放大管的导通角 2tiC3203ICQ 0 时时T1导通导通T2截止截止输入信号输入信号输出信号输出信号电流方向电流方向uOui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuO_A上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础c.ui|2VCC（3）ICMVCC/RC9.3 功率器件与散热功率器件与散热极限参数应满足极限参数应满足(在互补推挽功率放大电路中在互补推挽功率放大电路中)上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础2二次击穿的影响二次击穿的影响 iCuCE0BA二次击穿二次击穿一次击穿一次击穿S/

4、B曲线曲线二次击穿现象二次击穿现象二次击穿临界曲线二次击穿临界曲线iCuCE0上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础1.V型型NMOS管的结构管的结构 结构剖面图结构剖面图9.3.2 功率功率MOSFET S 源极源极 G 栅极栅极 金属金属 源极源极S i O2沟道沟道沟道沟道外延层外延层衬底衬底D 漏极漏极_ _N+PPNN+N+上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础2.V型型NMOS管的主要特点管的主要特点（1）开关速度高开关速度高 （2）驱动电流小驱动电流小 （3）过载能力强过载能力强 （4）易于并联易于并联 上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础

5、模拟电子技术基础9.3.3 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT等等效电路效电路DT1GSRT2IGBT电电路符号路符号GSDT上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主要特点：的主要特点：（1）输入阻抗高输入阻抗高（2）工作速度快工作速度快（3）通态电阻低通态电阻低（4）阻断电阻高阻断电阻高（5）承受电流大承受电流大兼兼顾顾了了MOSFET和和BJT的的优优点点，成成为为当当前前功功率率半半导导体器件发展的重要方向。体器件发展的重要方向。上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础外壳外壳c集

6、电结集电结j散热器散热器sR(t h)j cR(t h)c sR(t h)s a环境环境a9.3.4 功率器件的散热功率器件的散热晶体管的散热示意图晶体管的散热示意图上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础导电回路（电路）导电回路（电路）散热回路（热路）散热回路（热路）参参 量量 符符 号号 单单 位位参参 量量符符 号号 单位单位电电 压压UV温温 差差ToC电电 流流IA最大允最大允许功耗许功耗PCMW电电 阻阻R热热 阻阻RToC/W 功率器件的散热分析方法：功率器件的散热分析方法：即用电路来模拟功率器件的散热回路即用电路来模拟功率器件的散热回路导电回路和散热回路参数对照

7、表导电回路和散热回路参数对照表电热模拟法电热模拟法上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础Tj集电结的结温集电结的结温Tc 功率管的壳温功率管的壳温Ts 散热器温度散热器温度Ta 环境温度环境温度Rjc 集电结到管壳的热阻集电结到管壳的热阻Rcs 管壳至散热片的热阻管壳至散热片的热阻Rsa 散热片至环境的热阻散热片至环境的热阻散热等效热路散热等效热路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础散热回路的总热阻为散热回路的总热阻为 最大允许功耗最大允许功耗 TajCMRTTP-=TjTcTsTaRjcRcsRsajcsa

8、PCM上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础练习题练习题例例1 乙乙类类互互补补推推挽挽功功放放电电路路如如图图所所示示。已已知知ui为为正正弦弦电电压压，RL=8W W，要要求求最最大大输输出出功功率率为为1616W。假假设设功功率率管管T1和和T2特性对称，管子的饱和压降特性对称，管子的饱和压降UCES=0。试求：试求：（1）正正、负负电电源源VCC的的最最小值；小值；（2）当当输输出出功功率率最最大大时时，电源供给的功率；电源供给的功率；（3）当输出功率最大时的当输出功率最大时的输入电压的有效值。输入电压的有效值。T1T2RL+VCCVCC_+uOui上页上页下页下页退

9、出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础 解解（1）由于电路的最大输出功率由于电路的最大输出功率所以电源电压所以电源电压（2）当输出功率最大时，电源供给的功率当输出功率最大时，电源供给的功率T1T2RL+VCCVCC_+uOui上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础（3）因为输出功率最大时，输出电压的幅值为因为输出功率最大时，输出电压的幅值为所以输入电压的有效值为所以输入电压的有效值为 T1T2RL+VCCVCC_+uOui上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础例例2 在在图图示示的的电电路路中中，已已知知运运放放性性能能理理想想，其其最最大大的的输输出出电电

10、流流、电电压压分分别别为为15mA和和15V。设设晶晶体体管管T1和和T2的性能完全相同，的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。试问试问（1）该电路采用什么方法来减小交越失真）该电路采用什么方法来减小交越失真?。R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础（2）如负载）如负载RL分别为分别为20 W W、10 W W时，其最大不失真时，其最大不失真输出功率分别为多大输出功率分别为多大?（3）为了使不失真输出功率达到最大，其电路的最佳）为了使不失真输出功率达到最大，其电路

11、的最佳负载负载RLopt 及此时的最大输出功率及此时的最大输出功率Pom。R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础（4）功放管）功放管T1 和和T2的极限参数的极限参数PCM、ICM 和和|U(BR)CEO|应应 选多大选多大?解解 （1）在电路即将导通之时，电路中各支路中的电在电路即将导通之时，电路中各支路中的电流为零。这时流为零。这时R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子

12、技术基础模拟电子技术基础R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础在管子即将导通时，在管子即将导通时，uo1等于其死区电压等于其死区电压UBE(th)。R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础故故 电路的死区电压电路的死区电压Ui(th)为为R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下

13、页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础即当即当 时时,T1和和T2均均未导通；未导通；当当 时时,T1或或T2导通；导通；可见，由于运放的可见，由于运放的Auo很大，很大，与未加运放的乙类推晚功放与未加运放的乙类推晚功放电路相比，输入电压的不灵敏区减小了，从而减小了电电路相比，输入电压的不灵敏区减小了，从而减小了电路的交越失真。路的交越失真。上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础（2）由图可知，功放电路的最大输出电流为由图可知，功放电路的最大输出电流为 最大输出电压为最大输出电压为 R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VC

14、Cio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础那么，受输出电压的限制，电路的最大输出功率为那么，受输出电压的限制，电路的最大输出功率为当当 时，因为时，因为R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础故故 受输出电流的限制，电路的最大输出功率为受输出电流的限制，电路的最大输出功率为（3）为了充分利用运放输出的最大电流和电压，功放电为了充分利用运放输出的最大电流和电压，功放电路的最佳负载应为路的最佳负载应为 当当 时，时，此时电路的最大输出功率为此时

15、电路的最大输出功率为 上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础（4）在上述在上述3种负载情况下，两管的最大功耗分别为：种负载情况下，两管的最大功耗分别为：当当 时，时，R1R2RLT1T25kW W250kW W(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础当当 时时 当当 时时 上页上页下页下页退出退出模拟电子技术基础模拟电子技术基础因此，选择每只管子的功耗因此，选择每只管子的功耗 又由于在又由于在3种负载中出现的最大输出电压、电流为种负载中出现的最大输出电压、电流为 因此选择每管的因此选择每管的 、应满足应满足