东南大学信息学院模电答案第一章 功率放大器2013
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ic N
Q
O
M
vCE
进一步增大不失真信号功率，可以提高Q点， 但最终受到管子安全工作条件的限制。 加在集电极上最大电压为 vCEmax= 2VCC<V (BR)CEO iCmax = 2ICQ<I CM PCmax= PD<P CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全 区。
二、乙类推挽功率放大电路
2. 二极管偏置电路 电流源激励二极管，提供正向管压降 VBB=2 VTIn(IR/IS)
3. VBE倍增偏置电路 VBE3 =VTIn(IC3/IS) ≈VTIn(IR/IS) VBB=VBE3(1+R1/R2) 通过改变R1和R2， 可提供需要的 VBB
二、 单电源供电的互补推挽电路 如果使用单电源供电，必须 在公共负载端串接大容量电 容 C C 可以充当V /2的直流 电源作用。
1.1.3 功率器件
大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同 比如功率晶体管发射极面积较大，β较低，Icbo较 大，V(BR)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相 连，便于安装散热器。 一、散热
热阻与温度的关系T2-T1=RTH*P
集电极最大耗散功率Pcm =(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca
甲类功放效率不高，理论不超过25％，又需 要变压器和大电容，输出功率由功率三角形决 定，在集成功率放大器中几乎不用。而广泛使 用下面的乙类推挽功率放大器。
乙类推挽功放既解决了甲类功放效率不高的 缺点，又较好的解决了乙类功放的失真问题， 特别是交越失真的问题，因此，在工程上得到 广泛运用。
图（a）为变压器耦合电路，它由输入变压器Tr1、输出变压 器Tr2和两个特性配对且相同导电类型的NPN功率管T1、T2 组成。输入变压器Tr1利用次级绕组的中心抽头将输入信号电 压 vi (t)分成两个幅值相等、极性相反的激励电压，分别加到 两管基射极间，实现两管轮流导通。输出变压器Tr2的作用是 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。右图T 1和T 2是完 全一致的互补功率管，接成共集组态。 T 1为NPN型管， T 2 为PNP型管，输出端接公共负载RL,集电极正负电源供电。
1－4－2 丙类功率放大器
丙类功率放大器又称高频 功率放大器，为了实现不 失真放大，主要用于放大 单一频率正弦信号。外界 负载为天线，电特性是CA 和rA的串联。 Lr和Cr为匹配 网络，与天线构成并联谐 振回路，调节Cr使回路谐 振在输入信号频率上。
1 V PL 2 CC 2 PLmax 2 RL
1 Vcc2 PLmax 2 RL
2 VCC I cm 2 Vcc 4 PD 2 Pomax π π RL π
•
• 集电极效率η c＝PL /PD ＝(π /4)ξ • 1 时 C max 78.5% 4 • 集电极功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2ξ/π-ξ2/2)PLmax • 总耗散功率 PC = PC1＋PC2 = (4ξ/π- 2)PLmax 当ξ=2/π≈0.636时，PC 最大PCmax= 4PLmax/π2≈0.4PLmax
2
1 VCC iC dt 直流功率：PD=2 0
=VCCICQ
集电极管耗： PC=
1 2
2
1 v i d t V I Vcm I cm CE C CC CQ 2 0
集电极效率： c
P0 1 Vcm I cm PD 2 VCC I CQ
= PD-P0
当PD一定时，要使输出信号功率最大，要使Q点正在好交 流负载线的中点。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。 输出交流电压： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 电流Icm = ICQ-ICEO 此时 Pomax=1/2 VCCICQ ηcmax =50% 当Q点选定后，在允许的最大基极电流激励下，仅有一个交 流负载值，能使高效率的输出最大信号功率，这个负载值 所画出的交流负载线的中点应通过Q点。
1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路
一、交叉失真和偏置电路 1.交叉失真
当输入信号很小，没有达到管子导通电压VBE（on)时，管子没 有导通，正负周期交替过零时不能衔接，会有非线性失真， 这就是交叉失真或者交越失真。如果输入信号电压振幅越小， 交越失真就越严重。为了消除交越失真，必须在管子B-E间 加合适的正向偏置电压，其值应该稍大于两管导通电压之和。
vCE =VCEQ＋ vce ； iC =ICQ＋ic
vCE－VCEQ= -（ iC－ICQ） RL 当 iC =ICQ时， vCE =VCEQ=VCC，而它在两座标轴上的截距为
'
v CE 0时 i C 0时
' iC I CQ VCEQ / RL ' v CE VCEQ I CQ RL
2
0
1 iCvCE dt VCEQ I CQ Vcm I cm 2
在上述表示式中， PL 和 PC 均由直流和交流两部分合成。 以PL为例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相应的最大集电极效率
Cmax P o/P D 1 / 4 25%
相应画出的交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率 ' 即为-1/ RL 。
性能分析
iC = ICQ+Icmsinωt vCE = VCEQ-Vcmsinωt， Vcm=Icm*RL´
输出信号功率：
PL=P0=(½)Icm*Vcm = (½)Icm2 * RL´= (½)Vcm2 / RL´
R(th)jc为结与底座的热阻， R(th)ca为管壳与周围环境
的热阻
加散热器后的总电阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs＋ R(th)sa
加散热器后的总电阻Rth=
R(th)jc+ R(th)cs＋ R(th)sa
二、二次击穿 集电极电压超过 V(BR)CEO而引起的击穿， 只要限制击穿电流， 是可逆的。而如果不 限制电流，集电极电 压迅速减小，集电极 电流急剧增大，这种 由高压小电流迅速转 移为低压大电流的现 象就是二次击穿，而 且不可逆。
1－4 高效率功率放大器
一个功率放大器，集电极效率ηc＝P0 /PD, 其中PD＝ PO＋PC。要提高η c，必须减小PC 。 减小功耗的方法： 0 减小导通时间，增大信号周期内瞬时功耗为零的时 间。 减小管子导通时间的瞬时功耗，比如开关工作。但是 高效率带来的是高失真。
2
PC 1/ 2 ic vCE dwt
CE
Vcm ≈ VCEQ ≈ VCC /2，Icm = Vcm /RL ≈ VCEQ / RL
1 PD 2
2
0
VCCiC dt VCC I CQ
2 2 iC RL dt I CQ RL
1 PL 2
1 PC 2
2
0
1 2 1 I cm RL VCEQ I CQ Vcm I cm 2 2
1.1.1 功率放大器
功率放大器与小信号放大器的区别是小信号放大的 是电压或者电流,对输出功率没有要求;而功率放大器要 求的就是放大输出功率。同时有大动态电压和电流， 安全工作 功率放大器的性能指标:集电极效率和失真度；
Po Po • 集电极效率 C PD Po PC
• PO为信号输出功率，PD为直流功率，功耗为PC ， PO 相 同，η c越大，PD越小，PC也越小. 大信号运用电路，放大管特性非线性引起失真比小信号 放大器大，减小非线性失真必须认真考虑。 • 功率放大器是保证功率管安全工作下，实现高效率和 保证失真在允许范围内输出信号功率的放大器。
vCE2＝ -VCC-Vcmsinωt 通过负载RL的电流 iL ＝ ic1-ic2= Icmsinωt 相应产生的电压 vL ＝ Vcmsinωt = RLIcmsinωt
• 合成输出最大不失真信号功率： P L = (½)VcmIcm = (½) Vcm2/ RL 电源电压利用系数： Vcm / Vcc 2 • 正负直流电源供电的总直流功率为
L。 L CC
三 准互补推挽电路 复合管取代互补管， T1为小 功率管， T2为大功率管，等 效一个NPN管。 复合管类型取决第一个管的 类型。这样他们的配对更容 易实现
四 保护电路 分为过流，过压和过热保护三种。 过流保护电路如图T1,T2为保护管
五、输入激励电路 T3为激励级，甲类工作，（ R1 + R2 )为集电极电阻， T1， T2为互补功率管，单电源供电，C为自举电容。
1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及 其功率性能 一、甲类变压器耦合功率放大电路
R = n2RL
' L
直流分析 直流负载方程：相应的直流负载线是自VCC出发的 一条直线EF vCE = VCC直流负载线与静态基极电流iB=IBQ交点即为 静态工作点Q。
• 交流分析
' 交流负载方程： R vce = － ic L
1.2 功率放大器的电路组成和工作特性
1.2.1 从一个例子讲起 功率放大器为大信号放大器，进行性能分析时，功率 器件必须采用一般模型（大信号模型）。目前，在工 程上，采用较多的是在特性曲线上作负载线的图解分 析法。
iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsinωt v = VCEQ + vce = VCEQ －Vcm sinωt
• 工作原理： 未输入信号时，两管截止，输出电压为0。加信号vi = Vimsinωt后，两管轮流导通。 正半周期， T1导通， T2截止， iE1＝ iC1；负半周期， T1截止，T2导通， iE2＝ iC2。通过负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。
性能分析：假设T1和T2完全配对，则ICEO和VBE(ON)均为零。 在vi 正半周期， T1导通，交流负载为RL ，交流负载线为 从Vcc出发，斜率为-1/RL的直线。而vi 负半周期， T1截止， T2导通，导通电流在RL建立相应电压。说明T 1截止时交 流负载线为与横轴重合的水平线段。对T2管同理交流负 载线为从-Vcc出发，斜率为-1/RL的直线,截止时为与横轴 重合的水平线段。
• 可见，在乙类推挽功率放大器中，Pc的最大值既不 出现在ξ=0即静止状态，也不出现在ξ=1即最大输出 状态。因为ξ小时，虽然Po小，但P 也小，结果Pc小；反之，
D
ξ接近于1时，虽然PD大，但由于C 高。PD中大部分转化为P ， 结果Pc也较小。
L
• 乙类推挽管安全工作的条件： vCEmax≈2 VCC< V(BR)CEO iCmax= ILm≈ VCC/RL < ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax <PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区
按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙 类和丙类ຫໍສະໝຸດ Baidu。集电极效率甲类最低，丙类最高。
1.1.2 电源变换电路
将电源能量进行特定方式的变换 整流器：把交流电变成直流电； 斩波器：把一种数值的直流电变成另一种数值或者 极性的直流电； 逆变器：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电； 交流－交流变换器：把50Hz交流电变成不同幅值， 频率的交流电； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的 效率。
T1 iL
A Icm
Q O Vcc D
2Vcc vCE1
输入为正弦波信号的推挽式乙类功放，在最大不失 真条件下的两管集电压电流为： ic1＝Icmsinωt 0≤ ωt ≤π ＝0
ic2＝0
π ≤ ωt ≤2 π
0≤ ωt ≤π π ≤ ωt ≤2 π
＝ -Icmsinωt
vCE1＝ VCC-Vcmsinωt
第一章
功率电子线路
1.1 概述
功率电子线路是采用功率电子器件，高效率和安全得 实现能量变换和控制功能的电子线路。
功率电子线路分为功率放大电路和电源转换电路； 功率放大电路是在输入信号作用下,把直流功率按照 输入信号转换成交流输出功率的放大器； 电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电 路器件。
Q
O
M
vCE
进一步增大不失真信号功率，可以提高Q点， 但最终受到管子安全工作条件的限制。 加在集电极上最大电压为 vCEmax= 2VCC<V (BR)CEO iCmax = 2ICQ<I CM PCmax= PD<P CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全 区。
二、乙类推挽功率放大电路
2. 二极管偏置电路 电流源激励二极管，提供正向管压降 VBB=2 VTIn(IR/IS)
3. VBE倍增偏置电路 VBE3 =VTIn(IC3/IS) ≈VTIn(IR/IS) VBB=VBE3(1+R1/R2) 通过改变R1和R2， 可提供需要的 VBB
二、 单电源供电的互补推挽电路 如果使用单电源供电，必须 在公共负载端串接大容量电 容 C C 可以充当V /2的直流 电源作用。
1.1.3 功率器件
大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同 比如功率晶体管发射极面积较大，β较低，Icbo较 大，V(BR)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相 连，便于安装散热器。 一、散热
热阻与温度的关系T2-T1=RTH*P
集电极最大耗散功率Pcm =(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca
甲类功放效率不高，理论不超过25％，又需 要变压器和大电容，输出功率由功率三角形决 定，在集成功率放大器中几乎不用。而广泛使 用下面的乙类推挽功率放大器。
乙类推挽功放既解决了甲类功放效率不高的 缺点，又较好的解决了乙类功放的失真问题， 特别是交越失真的问题，因此，在工程上得到 广泛运用。
图（a）为变压器耦合电路，它由输入变压器Tr1、输出变压 器Tr2和两个特性配对且相同导电类型的NPN功率管T1、T2 组成。输入变压器Tr1利用次级绕组的中心抽头将输入信号电 压 vi (t)分成两个幅值相等、极性相反的激励电压，分别加到 两管基射极间，实现两管轮流导通。输出变压器Tr2的作用是 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。右图T 1和T 2是完 全一致的互补功率管，接成共集组态。 T 1为NPN型管， T 2 为PNP型管，输出端接公共负载RL,集电极正负电源供电。
1－4－2 丙类功率放大器
丙类功率放大器又称高频 功率放大器，为了实现不 失真放大，主要用于放大 单一频率正弦信号。外界 负载为天线，电特性是CA 和rA的串联。 Lr和Cr为匹配 网络，与天线构成并联谐 振回路，调节Cr使回路谐 振在输入信号频率上。
1 V PL 2 CC 2 PLmax 2 RL
1 Vcc2 PLmax 2 RL
2 VCC I cm 2 Vcc 4 PD 2 Pomax π π RL π
•
• 集电极效率η c＝PL /PD ＝(π /4)ξ • 1 时 C max 78.5% 4 • 集电极功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2ξ/π-ξ2/2)PLmax • 总耗散功率 PC = PC1＋PC2 = (4ξ/π- 2)PLmax 当ξ=2/π≈0.636时，PC 最大PCmax= 4PLmax/π2≈0.4PLmax
2
1 VCC iC dt 直流功率：PD=2 0
=VCCICQ
集电极管耗： PC=
1 2
2
1 v i d t V I Vcm I cm CE C CC CQ 2 0
集电极效率： c
P0 1 Vcm I cm PD 2 VCC I CQ
= PD-P0
当PD一定时，要使输出信号功率最大，要使Q点正在好交 流负载线的中点。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。 输出交流电压： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 电流Icm = ICQ-ICEO 此时 Pomax=1/2 VCCICQ ηcmax =50% 当Q点选定后，在允许的最大基极电流激励下，仅有一个交 流负载值，能使高效率的输出最大信号功率，这个负载值 所画出的交流负载线的中点应通过Q点。
1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路
一、交叉失真和偏置电路 1.交叉失真
当输入信号很小，没有达到管子导通电压VBE（on)时，管子没 有导通，正负周期交替过零时不能衔接，会有非线性失真， 这就是交叉失真或者交越失真。如果输入信号电压振幅越小， 交越失真就越严重。为了消除交越失真，必须在管子B-E间 加合适的正向偏置电压，其值应该稍大于两管导通电压之和。
vCE =VCEQ＋ vce ； iC =ICQ＋ic
vCE－VCEQ= -（ iC－ICQ） RL 当 iC =ICQ时， vCE =VCEQ=VCC，而它在两座标轴上的截距为
'
v CE 0时 i C 0时
' iC I CQ VCEQ / RL ' v CE VCEQ I CQ RL
2
0
1 iCvCE dt VCEQ I CQ Vcm I cm 2
在上述表示式中， PL 和 PC 均由直流和交流两部分合成。 以PL为例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相应的最大集电极效率
Cmax P o/P D 1 / 4 25%
相应画出的交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率 ' 即为-1/ RL 。
性能分析
iC = ICQ+Icmsinωt vCE = VCEQ-Vcmsinωt， Vcm=Icm*RL´
输出信号功率：
PL=P0=(½)Icm*Vcm = (½)Icm2 * RL´= (½)Vcm2 / RL´
R(th)jc为结与底座的热阻， R(th)ca为管壳与周围环境
的热阻
加散热器后的总电阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs＋ R(th)sa
加散热器后的总电阻Rth=
R(th)jc+ R(th)cs＋ R(th)sa
二、二次击穿 集电极电压超过 V(BR)CEO而引起的击穿， 只要限制击穿电流， 是可逆的。而如果不 限制电流，集电极电 压迅速减小，集电极 电流急剧增大，这种 由高压小电流迅速转 移为低压大电流的现 象就是二次击穿，而 且不可逆。
1－4 高效率功率放大器
一个功率放大器，集电极效率ηc＝P0 /PD, 其中PD＝ PO＋PC。要提高η c，必须减小PC 。 减小功耗的方法： 0 减小导通时间，增大信号周期内瞬时功耗为零的时 间。 减小管子导通时间的瞬时功耗，比如开关工作。但是 高效率带来的是高失真。
2
PC 1/ 2 ic vCE dwt
CE
Vcm ≈ VCEQ ≈ VCC /2，Icm = Vcm /RL ≈ VCEQ / RL
1 PD 2
2
0
VCCiC dt VCC I CQ
2 2 iC RL dt I CQ RL
1 PL 2
1 PC 2
2
0
1 2 1 I cm RL VCEQ I CQ Vcm I cm 2 2
1.1.1 功率放大器
功率放大器与小信号放大器的区别是小信号放大的 是电压或者电流,对输出功率没有要求;而功率放大器要 求的就是放大输出功率。同时有大动态电压和电流， 安全工作 功率放大器的性能指标:集电极效率和失真度；
Po Po • 集电极效率 C PD Po PC
• PO为信号输出功率，PD为直流功率，功耗为PC ， PO 相 同，η c越大，PD越小，PC也越小. 大信号运用电路，放大管特性非线性引起失真比小信号 放大器大，减小非线性失真必须认真考虑。 • 功率放大器是保证功率管安全工作下，实现高效率和 保证失真在允许范围内输出信号功率的放大器。
vCE2＝ -VCC-Vcmsinωt 通过负载RL的电流 iL ＝ ic1-ic2= Icmsinωt 相应产生的电压 vL ＝ Vcmsinωt = RLIcmsinωt
• 合成输出最大不失真信号功率： P L = (½)VcmIcm = (½) Vcm2/ RL 电源电压利用系数： Vcm / Vcc 2 • 正负直流电源供电的总直流功率为
L。 L CC
三 准互补推挽电路 复合管取代互补管， T1为小 功率管， T2为大功率管，等 效一个NPN管。 复合管类型取决第一个管的 类型。这样他们的配对更容 易实现
四 保护电路 分为过流，过压和过热保护三种。 过流保护电路如图T1,T2为保护管
五、输入激励电路 T3为激励级，甲类工作，（ R1 + R2 )为集电极电阻， T1， T2为互补功率管，单电源供电，C为自举电容。
1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及 其功率性能 一、甲类变压器耦合功率放大电路
R = n2RL
' L
直流分析 直流负载方程：相应的直流负载线是自VCC出发的 一条直线EF vCE = VCC直流负载线与静态基极电流iB=IBQ交点即为 静态工作点Q。
• 交流分析
' 交流负载方程： R vce = － ic L
1.2 功率放大器的电路组成和工作特性
1.2.1 从一个例子讲起 功率放大器为大信号放大器，进行性能分析时，功率 器件必须采用一般模型（大信号模型）。目前，在工 程上，采用较多的是在特性曲线上作负载线的图解分 析法。
iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsinωt v = VCEQ + vce = VCEQ －Vcm sinωt
• 工作原理： 未输入信号时，两管截止，输出电压为0。加信号vi = Vimsinωt后，两管轮流导通。 正半周期， T1导通， T2截止， iE1＝ iC1；负半周期， T1截止，T2导通， iE2＝ iC2。通过负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。
性能分析：假设T1和T2完全配对，则ICEO和VBE(ON)均为零。 在vi 正半周期， T1导通，交流负载为RL ，交流负载线为 从Vcc出发，斜率为-1/RL的直线。而vi 负半周期， T1截止， T2导通，导通电流在RL建立相应电压。说明T 1截止时交 流负载线为与横轴重合的水平线段。对T2管同理交流负 载线为从-Vcc出发，斜率为-1/RL的直线,截止时为与横轴 重合的水平线段。
• 可见，在乙类推挽功率放大器中，Pc的最大值既不 出现在ξ=0即静止状态，也不出现在ξ=1即最大输出 状态。因为ξ小时，虽然Po小，但P 也小，结果Pc小；反之，
D
ξ接近于1时，虽然PD大，但由于C 高。PD中大部分转化为P ， 结果Pc也较小。
L
• 乙类推挽管安全工作的条件： vCEmax≈2 VCC< V(BR)CEO iCmax= ILm≈ VCC/RL < ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax <PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区
按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙 类和丙类ຫໍສະໝຸດ Baidu。集电极效率甲类最低，丙类最高。
1.1.2 电源变换电路
将电源能量进行特定方式的变换 整流器：把交流电变成直流电； 斩波器：把一种数值的直流电变成另一种数值或者 极性的直流电； 逆变器：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电； 交流－交流变换器：把50Hz交流电变成不同幅值， 频率的交流电； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的 效率。
T1 iL
A Icm
Q O Vcc D
2Vcc vCE1
输入为正弦波信号的推挽式乙类功放，在最大不失 真条件下的两管集电压电流为： ic1＝Icmsinωt 0≤ ωt ≤π ＝0
ic2＝0
π ≤ ωt ≤2 π
0≤ ωt ≤π π ≤ ωt ≤2 π
＝ -Icmsinωt
vCE1＝ VCC-Vcmsinωt
第一章
功率电子线路
1.1 概述
功率电子线路是采用功率电子器件，高效率和安全得 实现能量变换和控制功能的电子线路。
功率电子线路分为功率放大电路和电源转换电路； 功率放大电路是在输入信号作用下,把直流功率按照 输入信号转换成交流输出功率的放大器； 电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电 路器件。