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1、 电子技术基础 模拟部分 第六版 华中科技大学张林 电子技术基础模拟部分 1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源 9功率放大电路 9 1功率放大电路的一般问题9 2射极输出器 甲类放大的实例9 3乙类双电源互补对称功率放大电路9 4甲乙类互补对称功率放大电路9 5功率管9 6集成功率放大器举例 9 1功率放大电路的一般问题 1 功率放大电路的特点及主要研究对象 1 功率放大电路的主要特点 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路 因此 要求
2、同时输出较大的电压和电流 管子工作在接近极限状态 2 要解决的问题 提高效率 减小失真 管子的保护 一般直接驱动负载 带载能力要强 功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗 9 1功率放大电路的一般问题 2 功率放大电路提高效率的主要途径 降低静态功耗 即减小静态电流 四种工作状态 根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分 乙类 导通角等于180 甲类 一个周期内均导通 甲乙类 导通角大于180 丙类 导通角小于180 哪几种状态静态功耗最小 9 2射极输出器 甲类放大的实例 特点 电压增益近似为1 电流增益很大 可获得较大的功率增益 输出电阻小 带负载能力强 9 2射极输出器
3、甲类放大的实例 输出电压与输入电压的关系 设BJT的饱和压VCES 0 2V vO正向振幅最大值 vO负向振幅最大值 T截止 临界截止时 9 2射极输出器 甲类放大的实例 当正弦波最大输出电压正负幅值相同时 可获得最大输出功率 即 最大输出功率 当取 vi足够大 9 2射极输出器 甲类放大的实例 电源提供的功率 效率低 放大器的效率 PVC VDDIBIAS 27 75W PVE VEEIBIAS 27 75W 9 3乙类双电源互补对称功率放大电路 9 3 1电路组成9 3 2分析计算9 3 3功率BJT的选择 9 3 1电路组成 由一对NPN PNP特性相同的互补三极管组成 采用正 负双电源
4、供电 这种电路也称为OCL互补功率放大电路 1 电路组成 2 工作原理 两个三极管在信号正 负半周轮流导通 使负载得到一个完整的波形 9 3 2分析计算 9 3 2分析计算 1 最大不失真输出功率Pomax 实际输出功率 忽略VCES时 9 3 2分析计算 单个管子在半个周期内的管耗 2 管耗PT 两管管耗 9 3 2分析计算 3 电源供给的功率PV 当 4 效率 当 9 3 3功率BJT的选择 1 最大管耗和最大输出功率的关系 因为 当 0 6VCC时具有最大管耗 0 2Pom 选管依据之一 9 3 3功率BJT的选择 功率与输出幅度的关系 2 功率BJT的选择 自学 9 4甲乙类互补对称功
5、率放大电路 9 4 1甲乙类双电源互补对称电路9 4 2甲乙类单电源互补对称电路9 4 3MOS管甲乙类双电源互补对称电路 9 4 1甲乙类双电源互补对称电路 乙类互补对称电路存在的问题 9 4 1甲乙类双电源互补对称电路 1 静态偏置 可克服交越失真 2 动态工作情况 二极管等效为恒压模型 在输入信号的整个周期内 两二极管是否会出现反向偏置状态 设T3已有合适的静态工作点 交流相当于短路 9 4 1甲乙类双电源互补对称电路 另一种偏置方式 VBE4可认为是定值 R1 R2不变时 VCE4也是定值 可看作是一个直流电源 Po PT PV和PTm仍然按照乙类功放计算公式进行估算 9 4 2甲乙类
6、单电源互补对称电路 静态时 偏置电路使VK VC VCC 2 电容C充电达到稳态 当有信号vi时负半周T1导通 有电流通过负载RL 同时向C充电 正半周T2导通 则已充电的电容C通过负载RL放电 只要满足RLC T信 电容C就可充当原来的 VCC 计算Po PT PV和PTm的公式必须加以修正 以VCC 2代替原来公式中的VCC 9 4 3MOS管甲乙类双电源互补对称电路 复合管 消除高频振荡 温度补偿 复合管 消除高频振荡 9 5功率管 9 5 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题9 5 2功率VMOSFET和DMOSFET 9 5 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题 1 功率
7、BJT的散热 功率BJT外形 在给负载输送功率的同时 管子本身也要消耗一部分功率 管子消耗的功率直接表现在使管子的结温升高 当结温超过一定温度时 锗管一般约为90 硅管约为150 会使管子损坏 在BJT中 管子上的电压绝大部分降在集电结上 它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗 使管子产生热量 所以通常用集电极耗散功率来衡量BJT的耗散功率 1 功率BJT的散热 功率BJT的最大允许耗散功率PCM 总的热阻RT 最高允许结温Tj和环境温度Ta之间的关系为 Tj Ta RTPCM 其中 热阻RT包括集电结到管壳的热阻 管壳与散热片之间的热阻 散热片与周围空气的热阻 单位为 W 或 mW 当最高结
8、温和环境温度一定 热阻越小 允许的管耗就越大 散热片及其面积大小可以明显改变热阻的大小 例如 某BJT不加散热装置时 允许的功耗PCM仅为1W 如果加上120 120 4mm3的铝散热板时 则允许的PCM增至10W 通常手册中给出的PCM 是在环境温度为25 时的数值 9 5 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题 2 功率BJT的二次击穿 实际应用中 功率BJT并未超过允许的PCM值 管身也不烫 但功率BJT却突然失效或者性能显著下降 这种损坏不少是二次击穿引起的 产生二次击穿的原因主要是由于流过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 与BJT的制造工艺有
9、关 因此 功率管的安全工作区 不仅受集电极允许的最大电流ICM 集射间允许的最大击穿电压V BR CE和集电极允许的最大功耗PCM所限制 而且还受二次击穿临界曲线所限制 9 5 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题 3 提高功率BJT可靠性的主要途径 1 在最坏的条件下 包括冲击电压在内 工作电压不应超过极限值的80 2 在最坏的条件下 包括冲击电流在内 工作电流不应超过极限值的80 3 在最坏的条件下 包括冲击功耗在内 工作功耗不应超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的50 4 工作时 器件的结温不应超过器件允许的最大结温的70 80 对于开关电路中使用的功率器件 其工作电压 功耗
10、 电流和结温 包括波动值在内 都不得超过极限值 9 5 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题 4 保证器件正常运行的保护措施 为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流 可在负载两端并联二极管 或二极管和电容 可以用VZ值适当的稳压管并联在功率管的c e两端 以吸收瞬时的过电压等 9 5 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题 9 5 2功率VMOSFET和DMOSFET 1 VMOS管 V型开槽的纵向MOS管 称为VMOS VerticalMOS 电流沿导电沟道由漏极到源极的流动是纵向的沟道很短 电流ID很大 可达200AN 外延层提高了耐压值 达1000V以上非线性失真小 9 5
11、 2功率VMOSFET和DMOSFET 2 DMOS管 双扩散MOS管 称为DMOS Double diffusedMOS 电流也是纵向流动的沟道很短 电流ID很大 可达50AN 层提高了耐压值 达600V以上 9 5 2功率VMOSFET和DMOSFET 3 MOS功率管的优点 1 与MOS器件一样是电压控制电流器件 输入电阻极高 因此所需驱动电流极小 功率增益高 2 MOS管不存在二次击穿 3 因为少子存储问题 功率MOS管具有更高的开关速度 双极型功率管的开关时间在100ns至1 s之间 而MOS功率管的开关时间约为10 100ns 其工作频率可达100kHZ到1MHZ以上 所以大功率M
12、OS管常用于高频电路或开关式稳压电源等 VMOS在这一点上更显优越 其fT 600MHZ 4 MOS管与BJT相比几乎不需要直流驱动电流 但MOS功率放大电路的驱动级至少要提供足够的电流来保证对MOS管较大的输入电容进行充放电 9 5 2功率VMOSFET和DMOSFET 4 MOS功率管的缺点 为了获得高耐压值 器件有低掺杂浓度的N 层 导致导通电阻变大 绝缘栅双极型功率管 IGBT 9 6集成功率放大器举例 9 6 1以MOS功率管作输出级的集成功率放大器9 6 2BJT集成功率放大器举例 9 6 1以MOS功率管作输出级的集成功率放大器 SHM1150 型集成功率放大器 3号脚内部是接地的 信号只能从1号脚到地之间输入 增益是固定的 由Rf和R2决定 9 6 1以MOS功率管作输出级的集成功率放大器 SHM1150 型集成功率放大器 工作电压 12V 50V最大输出功率可达150W 9 6 2BJT集成功率放大器举例 BJT集成音频功率放大器LM380 9 6 2BJT集成功率放大器举例 BJT集成音频功率放大器LM380 固定增益51倍最大工作电压22V最大输出功率5W可双端输入 也可单端输入 不用的输入端可悬空 end
