电子科技大学模电课件.ppt

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1、第六章模拟集成单元电路6.7功率放大器在实际电子电路中：电压型负载--有些负载需要有足够的电压范围才能保证其应用效果，如模－数转换器就要有一定的电压范围才能保证它的精度。电流型负载--有的负载需要有足够的电流驱动才能正常工作，如发光二极管只有在一定的电流流过时才会发光，功率型负载--而有些负载既需要足够的电压，也需要有足够的电流，即需要有足够的功率才能正常工作，如音频喇叭。在本书前面讲述的是电压和电流信号的放大问题，本节主要讲述功率放大问题。功率放大既要求处于大信号放大状态，但仍然要求晶体管工作在

2、放大区，否则会引起严重失真。即使工作在放大区，因为信号幅度较大，线性近似与元件实际特性仍有差别。一般地，功率放大器的这种非线性失真，如BJT的输入特性是指数关系，通过台劳级数展开就可表示成直流、基波分量和各次谐波分量。其中各次谐波是由元件的非线性引起的，在放大电路中我们所不期望得到的。通常用总谐波失真（THD）来度量非线性失真的大小。6.7.1功率管的极限参数最大集射电压（BVCEO）--避免反偏的集电结击穿；最大集电极电流（ICmax）--避免连接PN结至封装引脚之间的导线融化；最大功率（PTm

3、ax）--避免功率过大而导致的热烧坏。PTmax≠BVCEOICmax6.7.2功率放大器的分类功率放大器是根据功率管在电路中工作时在一个正弦信号周期内的导通时间的多少来分类的。主要有四种基本类型：甲类、乙类、甲乙类和丙类。图6.56是输入为正弦信号时各类功率放大器的输出情况。下面分析各类功率放大器的直流偏量、负载线和效率。图6.56输入为正弦信号时各类功率放大器集电极电流的输出情况：（a）甲类功率放大器（b）乙类功率放大器（c）甲乙类功率放大器（d）丙类功率放大器1.甲类功率放大器前面讨论的BJ

4、T和MOSFET小信号放大器都偏置于甲类状态。图6.57(a)是一个基本的共射放大电路（基极直流偏置电路）。图6.57(a)所示电路的直流负载线如图6.57(b)所示。假设静态工作点Q位于直流负载线的中间位置，即图中给出了最大的集电极电流信号和相应的最大集射电压信号（忽略饱和压降和穿透电流）。图6.57(a)共射放大器（b）直流负载线（c）晶体管的瞬时耗散功率与时间的关系下面分析甲类功率放大器的功率和效率。忽略基极电流，晶体管消耗的瞬时功率为(6.170)假设输入为正弦信号，则集电极电流和集射电压

5、分别可表示为(6.171)(6.172)式中，Ip和Vp分别为集电极正弦电流的振幅和集射正弦电压的振幅。考虑极限时的情况，Icp=IcQ，Vp=Vcc/2，则晶体管消耗的瞬时功率为(6.173)它的波形如图6.57(c)所示，其平均功率为由例6.24可知，晶体管在静态时消耗的功率最大。因此当输入信号为零时，晶体管若能承受大小为的这一连续最大功率，则加入输入信号后，晶体管就能正常工作。我们用什么来衡量一个功率放大器的好坏呢？除了用总谐波失真(THD)外，一个重要的参数就是负载获得的信号平均功率占电源

6、提供的总平均功率的比例，即功率效率(6.174)负载电阻的瞬时功率为负载平均功率为(6.175)式中第一项为负载消耗的直流功率，第二项为负载获得的信号平均功率。因为信号平均功率才是负载所真正想获得的平均功率，所以我们只考虑信号平均功率：(6.176)由图6.57(b)可知，的最大值为所以负载的最大平均信号功率为：又此时的，即所以(6.178)直流电压源提供的平均功率为(6.179)因此，最大效率为(6.180)由此可见，甲类功率放大器的效率非常低。因此，当需要输出功率大于1W时，就不宜使用甲类功率

7、放大器了。在实际应用中，输出信号的最大电压不能达到Vcc，最大电流也达不到IcQ，为了避免严重的非线性失真，即避免晶体管进入饱和区或截止区，输出信号电压就要小于Vcc/2，电流也要小于IcQ。另外在计算功率时忽略了直流偏置电路的功率损耗。所以在一般情况下，甲类功率放大器的效率在10％～20％之间。[例6.25]目的：计算甲类功率放大器的效率。共源极电路如图6.58所示。电路参数为场效应管参数为为减小非线性失真，设不失真输出电压的范围在临界点和之间。图6.58共源极电路解：直流负载线方程为：在临界点

8、，有将以上三个方程联立，可得临界点方程为代入数据得解得要想获得最大不失真输出电压，需要使静态工作点Q位于和的中间位置，即负载电阻上的最大振幅的交流分量为传送给负载的信号最大平均功率为直流电压源提供的平均功率为由式(6.180)可得说明：通过限制输出漏源电压的幅值，可避免饱和及截止产生的非线性失真，但电路的转换效率小于甲类功率放大器的最大效率。在分立元件电路中，可以通过使用电感或变压器来提高甲类功率放大器的转换效率，达到近50％。图6.59(a)是用电感代替集电极电阻的共射极放大电路