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1、东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所1电路与电子线路（下）Electric and Electronic Circuits第第10章章 功率放大与电源变换电路功率放大与电源变换电路王志功 东南大学射频与光电集成电路研究所http:/ 王志功东南大学射频与光电集成电路研究所东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所2功率放大电路的作用功率放大电路的作用l功率放大电路是放大器的一个类别，用来将小功率的电压或电流信号放大成一个具有足够功率的信号，以便驱动一个特定功率的负载，这个负载通常是一个电热、电机、电声、电光或电磁等换能器件或装置
2、。因此，功率放大电路常常会被称为驱动器（driver）。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所3功率放大电路的特点功率放大电路的特点l要求输出足够大的功率功率放大器必须输出一个足够大的功率，即提供一个足够大的电压与电流的乘积。l要提供足够大的功率增益与小信号放大器不同的是，功率放大器不能只提供电压或电流增益，而必须提供功率增益。l要有尽可能高的效率功率放大器的输出功率，是从直流电源转换得到的，这一转换的效率往往就决定了整个系统的效率(efficiency)。l功放管的散热问题功率放大器必然有一定的功率以热能的形式耗散在放大器内，特别是功放管上。若不能有效的将这
3、些热发散出去，将会导致放大器中的元件特别是功放管的温度升高，轻则降低性能，严重者将导致器件烧毁。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所4功率放大电路的特点功率放大电路的特点l大信号工作状态由于功率放大器要提供一个足够大的电压与电流，功放管必定工作在大信号状态。l非线性失真问题功放管工作在大信号状态，以致于接近特性曲线的截止区和饱和区因而产生的非线性失真较大。输出功率越大，非线性失真越严重。l图解分析法与动态仿真法小信号线性模型已不再适用于功放中。工程上常采用图解法分析功率放大器。而采用SPICE等仿真工具时，则主要进行时域的瞬态仿真（.TRAN）和频域的谐波分
4、析(.FOUR)。l功放管的过压过流保护问题功放管可能存在接近截止区时因电压过高而击穿，或接近饱和区时电流过大而发热烧毁的问题。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所5功率放大电路的特点功率放大电路的特点l多级联合设计问题由于功率放大电路既需要对输入信号产生足够的功率增益，产生一个功率足够大的输出，又需要保持足够小的信号失真度，因此常常因一级放大电路功率增益有限而必须与一级前置放大级一起构成一个多级放大器。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所6功率放大电路的主要技术参数功率放大电路的主要技术参数l输出输出功率功率功率放大器最
5、主要的参数就是输出功率PO，对于单一频率交流信号，定义为l功率增益功率增益功率增益（power gain）G定义为交流输出功率PO与输入功率Pin之比：东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所7功率放大器效率功率放大器效率效率（power amplifier efficiency），定义为交流输出功率PO与直流输入功率PDC之比：PDC为输出功率与耗散在功放管上的功率即管耗(trnasisitor power dissipation)PT之和, 即对双极型晶体管而言，称作集电极效率CE对场效应晶体管而言，称作漏极效率DS这种定义方法的缺点是没有考虑传送到功放输入
6、端的功率。另一种较好的量度功放效率的方法是将输入功率计算在内，称为功率附加效率东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所8功率功率1dB压缩点压缩点P-1dBl功率放大器的线性工作区定义为输入功率从刚超过噪声功率至增益被压缩时的工作区间。l在线性工作区，小信号增益等于输出功率减去输入功率的差值l功率放大器的1dB压缩点描述了实际功率增益比理想情况下降1dB时的输入输出功率点。l输出功率1dB压缩点（OP1dB）定义为输入功率1dB压缩点(1 dB compression point)（IP1dB）加上线性工作区的小信号功率增益再减去1dB，即：东东 南南 大大 学
7、学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所93阶交截点阶交截点IP3l当输入信号包含不同频率成分时还会产生（交）互调（制）成分。l表征三阶互调大小的度量指标是三阶交截点（3-order inter-modulation point）IP3。它是假想的放大器一阶线性理想放大输出与三阶互调成分理想放大输出的交叉点。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所10单管线性功率放大器基本电路与电压电流波形单管线性功率放大器基本电路与电压电流波形l线性功率放大器包括甲类、乙类、甲乙类和丙类。l采用单个双极型晶体管设计射频功放时，它们具有下图所示的大体相同的电路结构，
8、区别仅在于偏置条件不同。这个偏置条件主要是由输入端即功放管基极的偏置电路与输出端即功放管集电极的电源电路决定的。l输入输出电路中的匹配网络(matching network)与信号源和传输线的阻抗匹配概念不同，这里主要是指功率匹配，即通过阻抗匹配，使负载能得到功放管输出的最大功率。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所11甲类、甲乙类、乙类和丙类甲类、甲乙类、乙类和丙类的的电压电流波形电压电流波形l4种线性功率放大器是按功放管的导通角(conduction angle)分类的。l甲类功放的导通角为360度，甲乙类功放的导通角为180360度，乙类功放的导通角为
9、180度，而丙类功放的导通角小于180度。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所12甲类功率放大器甲类功率放大器1.静态分析静态分析l电源提供的功率为l功放管消耗的功率为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所13甲类功率放大器甲类功率放大器2.动态分析动态分析l变压器变压比n的确定在充分激励的情况下，电路最大不失真输出电压的条件是Q点平分交流负载线MN。此时负载RL上将得到最大的不失真输出功率。为了使Q点平分交流负载线MN，则 ，可以通过调节变压器变比n来获得。l最大不失真输出功率在充分激励下，VcemVCC，Icem=Vce
10、m/RLVCC/RL，因此最大不失真输出功率为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所14甲类功率放大器甲类功率放大器l功放管消耗的功率为l电源供给功率为l最大效率东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所15甲类功放甲类功放的的特点特点l在输入信号的整个周期内均有电流流过管子。l产生的信号失真较小。l电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时（即静态），这些功率全部消耗在功放管上；当有信号输入即动态时，其中一部分转化为有用的输出功率。信号越大，输送给负载的功率越多。l效率较低。理想情况下，其最大效率为50%。东东 南南 大大 学学
11、射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所16乙类功率放大器乙类功率放大器l乙类功放的特点是功放管只在正弦波的一半周期内导通，因此，管耗比较小，效率得到提高。l但如果乙类功放只用一只功放管，那么，正弦波激励时输出的电流波形就只有半波，失真很大。所以大多数乙类功放通常采用双管推挽放大电路来实现。l所谓推挽就是类似于差分放大器结构，两只功放管分别在激励波形的正负半周内导通，它们的输出电流一个向负载注入，另一个自负载流出，从而合成一个完整的波形。l采用同类型和互补类型功放管构成的乙类功放。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所17乙类功率放大器乙类功率放大器l
12、对于采用互补类型的功放管构成了乙类功放，当输入正弦波激励时，正半周期间T1导通，T2截止，从而在负载RL上得到正半周期信号。负半周期间T2导通，T1截止，从而在负载RL上得到负半周期信号。因此上下两路是互补的，在负载上就可以得到一个完整的波形。l输出功率输出功率PO最大不失真输出功率为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所18乙类功率放大器乙类功率放大器l直流电压供给功率直流电压供给功率Pvl效率效率 最大效率为：l管耗管耗东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所19乙类功率放大器乙类功率放大器的最大管耗的最大管耗l若令PT对V
13、om的导数等于零，即l当 时，PT达到最大，而当Vom由此值继续增大时，PT反而减小。总之，PT的最大值既不出现在静态时也不出现在最大输出功率时。l最大管耗为l最大管耗与最大输出功率的关系为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所20乙类互补推挽电路乙类互补推挽电路的失真的失真l乙类互补推挽电路并不能不失真放大输入信号的波形，原因是功放管的iB必须在|vBE|大于某一个数值（即死区电压，硅管约为0.7V，锗管约为0.2V）时才有明显变化。当输入信号|vi|低于这个数值时，T1和T2管都截止，iC1和iC2都几乎为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如下图所示
14、。这种现象称为交越失真（crossover distortion）。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所21甲乙类互补推挽电路甲乙类互补推挽电路l由于电路对称，两管静态时电流相等，因而负载RL上无静态电流通过，两管发射极电位VK=0。l当信号按正弦波规律变化时，由于D1D2的交流电阻很小，vBE1+vBE2可以近似为一定值。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所22甲乙类互补推挽电路甲乙类互补推挽电路lvi进入负半周期时，T3使b1电位升高，iB1将增加，T1的发射极给出更多的电流形成输出信号的正半周期；与此同时，iE1的增
15、加使得vBE1增加，vBE2就减小了，iE2要减小，最后，T2截止。lvi进入正半周时，b2的电位逐渐下降，则iB2增加、iB1减小，T2的发射极电流形成信号的负半周，iB1逐渐下降到零，T1趋于截止。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所23甲乙类互补推挽电路甲乙类互补推挽电路东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所24甲乙类互补推挽电路甲乙类互补推挽电路l在上述电路中，T1和T2在一周内的导通时间都比半个周期要多一些，即有一段时间两管都导通，因此它们工作在甲乙类状态。实际上，几乎所有的推挽功率放大器都是设计成甲乙类的。只是在
16、实践中为提高电路效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类。因此通常甲乙类互补推挽电路的参数估算可近似乙类来处理。l值得指出的是，上述偏置电路同时具有温度补偿作用。例如温度升高时，偏置二极管D1、D2的正向压降减小，相应地功率管的基射偏置电压也减小，从而阻止了功率管的ICQ的增大。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所25丙类功率放大电路丙类功率放大电路l所谓丙类功放就是在信号一周内功放管的导通时间小于半周，或者说导通角小于180度。l放大器的最大集电极或漏极效率和输出功率就都与导通角有关。以作为变量，效率的的表达式为：l输出功率也与导通角有关，其关系式为：l丙类放
17、大虽然具有更高的效率，但信号波形严重失真。因此，丙类放大不适合于对波形的线性放大，主要应用于非线性的场合，东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所26开关功率放大器开关功率放大器l为了使功率放大器具有更高的效率，就必须大大减小晶体管功耗，直至为0，于是出现了开关功率放大器。对于一个理想开关，其两端电压和流过的电流并不同时出现，因此，其直流功耗为0。而开关功率放大器正是通过减少加在晶体管两端电压和流过的电流波形的交叠时间来提高效率的。l根据电路组成、驱动信号、工作方式等不同，开关功率放大器分为丁类、戊类和己类等。下面分别加以介绍。东东 南南 大大 学学 射射频频与
18、与光光电电集集成成电电路路研研究究所所27丁类功率放大器丁类功率放大器主要由两只开关管和由谐振在基波频率的串联LC电路形成的滤波电路组成。该滤波电路对基波呈现的阻抗可以忽略，但对谐波具有很高的阻抗，从而可以阻止各谐波输出。开关管T1和T2集电极的电流iC1和iC1呈推挽状态作用于变压器初级，但电流脉冲出现期间，对应的开关管的集电极电压全部为0。因此理想情况下，丁类功放可达到100%的效率。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所28戊类功率放大器戊类功率放大器l戊类功率放大器具有优于其它类高效开关功放的特点，因为它把晶体管的寄生电容考虑到了波形生成或匹配网络中，
19、从而不会单独对输出波形产生影响。l该功放工作时是按照晶体管的电流和电压不出现交叠来形成波形的。此外，由波形图可见，在晶体管导通前（即出现电流前），两端电压已逐步下降到0，这样就避免了漏极或集电极电容的充放电现象，因此提高了效率。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所29己类功率放大器己类功率放大器l己类功率放大器的特点是通过输出端谐振在基波以及多个高次谐波的谐振电路体现的。l己类放大器工作时，晶体管通常作为一个跨导或电流源，因此，放大器类似于一个跨导放大器。然而，如果输入驱动信号很大，则晶体管类似于开关。因此，放大器又如开关放大器。通常，在集总元件实现中，由于
20、波形形成电路的复杂性，己类放大器很少有利用高于5次谐波的。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所30电源变换电路的分类电源变换电路的分类1）将电网提供的50Hz交流电能变换成直流电能，相应的电路称为整流器(AC-DC)。2）将一种电压数值的直流电变换成另一种电压数值或极性的直流电，相应的电路称为直流-直流变换器（DC-DC Converter），又称斩波器(DC-DC)。3）将直流电变换成不同幅值或频率的交流电，相应的电路称为逆变器（inverter）。4）将50Hz交流电变换成不同幅值或频率的交流电，相应的电路称为交流-交流变换器（AC-AC Convert
21、er）。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所31线性直流稳压电源线性直流稳压电源l电源变压器电源变压器电网提供的交流电一般为频率50Hz、有效值220V（或380V），而各种电子设备所需要直流电压的大小常不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压值。l整流电路整流电路整流电路的作用是利用具有单向导电性的整流元件（例如二极管），将正负交替变化的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所32线性直流稳压电源线性直流稳压电源
22、l滤波电路滤波电路滤波电路一般由电容、电感等储能元件组成，其作用是尽可能地将单向脉动电压的脉动成分滤除，使得输出电压成为比较平滑的直流电压。l稳压电路稳压电路稳压电路的作用是将整流滤波电路输出的不稳定直流电压（如由电网电压波动、负载变化引起）变换成符合要求的稳定直流电压。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所33直流稳压电路的技术指标直流稳压电路的技术指标l直流稳压电路的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数(tempera
23、ture coefficient)及纹波电压(ripple voltage)等。1.输出电压输出电压VO或输出电压可调范围或输出电压可调范围VO1VO2VO指稳压电路在正常运行下的额定输出电压，如为可调式稳压电路，则为可调输出额定电压的范围VO1VO2。2. 最大最大输出电流输出电流IomIom是指稳压电路在规定最小负载情况下的最大输出电流值。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所34直流稳压电路的技术指标直流稳压电路的技术指标3.稳压稳压系数系数SrSr定义为：当环境温度T（）与负载RL不变时，在规定输入电压变化范围内，且满载（额定最大电流）条件下，输出电压
24、VO的相对变化量与输入电压VI的相对变化量之比，即在工程中也常用电压调整率SV来表征稳压电路的稳压性能，其定义式为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所35直流稳压电路的技术指标直流稳压电路的技术指标4.纹波纹波抑制比抑制比SripSrip定义为输入纹波电压（峰峰值VIMM）与输出纹波电压（峰峰值VOMM）之比（取对数），即5.输出电阻输出电阻RO在规定输入电压及环境温度不变时，RO为输出电压的变化量与输出电流变化量之比，即稳压电路的输出电阻RO，在工程中还常用负载调整率SR或电流调整率SI来表征。SI则用输出电流IO由零变到最大额定值时，输出电压的相对变化量
25、来表示，称为电流调整率电流调整率，即东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所36直流稳压电路的技术指标直流稳压电路的技术指标6.效率效率对于串联型线性稳压电路，由于输出电流IO全部通过调整管，则调整管必然会产生功耗。而且，调整管的压差（即管压降VCE）越大，管耗也就越大。因此，稳压电路存在一个效率指标。在规定输入电压、输出电压和满载的情况下，用输出功率与输入功率的比值来表示效率，即东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所37串联型线性直流稳压电路原理串联型线性直流稳压电路原理l由电阻R1、R2和R3组成。取出VO的一部分VF送到误
26、差放大电路的反向输入端。l误差放大电路A将基准电压与采样电压之差（VREFVF）进行放大，然后再送到调整管的基极。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所38串联型线性直流稳压电路原理串联型线性直流稳压电路原理l在基极电压VB作用下，调整管的集电极射极电压VCE将发生相应的变化，最终调整管输出电压VO=VIVCE使之基本保持稳定VI或IOVOVFVIdVBICVCEVO串联型线性直流稳压电路稳压的过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压VO保持基本稳定的过程，故这种稳压电路也称为串联反馈式直流稳压电路。东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研
27、研究究所所39输出电压的调节范围输出电压的调节范围l串联型线性直流稳压电路的一个优点是允许输出电压在一定范围内进行调节。这种调节可以通过改变采样电阻中电位器R2的滑动端位置来实现。l当VF=VREF时，稳压电路达到稳定状态，假设输出电压为VO，则l当R2的滑动端调至最上端时， ，VO达到最小值，此时l而当R2的滑动端调至最下端时， ，VO达到最大值，可得东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所40调整管的选择调整管的选择l调整管是串联反馈式直流稳压电路的重要组成部分，工作在放大区起着调整输出电压的作用。它不仅需要根据外界条件的变化，随时调整本身的管压降，以保持输
28、出电压稳定，而且还要提供负载所要求的全部电流，因此管子的功耗比较大，通常采用大功率的三极管。为了保证调整管的安全，一般都需加保护电路。l集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM流过调整管集电极的电流，除负载电流IO以外，还有流入采样电阻的电流。假设流过采样电阻的电流为IR，则调整管集电极的最大允许电流为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所41调整管的选择调整管的选择l集电极和发射极之间的反向击穿电压集电极和发射极之间的反向击穿电压VBR(CEO)稳压电路正常工作时，调整管上的电压降约为几伏。若负载短路，则整流滤波电路的输出电压即稳压电路的输入电压V1将全部
29、加在调整管两端。电容滤波电路输出电压的最大值可能接近于变压器副边电压的峰值（即V1 V2），再考虑电网可能有10%的波动，应选择三极管的参数为l集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM调整管两端的电压VCE=V1-VO，则调整管的功耗为PC=VCEIC=(V1-VO)IC。当电网电压达到最大值、输出电压达到最小值、负载电流也达到最大值时，调整管的功耗将最大。所以，应根据下式来选择调整管的参数PCM东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所42调整管的选择调整管的选择l调整管选定以后，为了保证调整管工作在放大区，通常使VCE=（38）V。由于VCE=V1-VO，则稳压电路的输入直流电压应为l对于容性负载全波式整流电路，此电路的输出电压V1与变压器副边电压V2之间关系近似为V11.2V2。考虑到电网电压可能有10%的波动，故要求变压器副边电压为东东 南南 大大 学学 射射频频与与光光电电集集成成电电路路研研究究所所4343 以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！谢大家！
